基于虛擬樣機(jī)的疏浚重力抓斗仿真與分析

劉建，黃誠(chéng)昭，李曉燕，馬傳藝

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

抓斗挖泥船是一種常用的疏浚挖泥船，一般適用于開挖碼頭防波堤基槽、基坑、碼頭泊位區(qū)、壩體、沉管隧道深基槽，以及用于陸地開河等，對(duì)于挖掘雜物、塊石等更具適應(yīng)性[1]。隨著水工建筑物向大型化和深水化方向的發(fā)展，超深的港池航道開挖、超大型碼頭和超深沉管隧道的基槽開挖工程逐漸增多，抓斗挖泥船由于其自身機(jī)械式挖泥的特點(diǎn)，適應(yīng)狹窄水域開挖基槽、基坑，同時(shí)在深挖時(shí)開挖硬質(zhì)黏土和風(fēng)化巖能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，必要時(shí)可以在其吊機(jī)上加裝碎巖棒利用重力碎巖再開挖，在目前沿海港口疏浚、內(nèi)河航道整治中是不可替代的疏浚裝備；特別在日本、北美和中東等硬土質(zhì)地區(qū)抓斗挖泥船應(yīng)用較多，而對(duì)抓斗的深入研究尤以日本為最，設(shè)計(jì)制造了當(dāng)前世界上最大的兩艘非自航抓斗挖泥船“五祥”和“東祥”（液壓閉斗），斗容最大可達(dá)200 m3[2-3]。

隨著疏浚工程向大型化、復(fù)雜化發(fā)展，對(duì)疏浚施工質(zhì)量要求越來(lái)越高，尤其大型基建工程（如島隧工程）對(duì)施工精度要求非常高，如港珠澳大橋島隧工程沉管基槽疏浚工程要求在-45 m水深條件下沉管基槽不能超深0.5 m[4]，施工后海底平整度要求也非常高。由于大型抓斗挖泥船配置有“自動(dòng)整平挖掘”功能[5]且具有大挖深，較易實(shí)現(xiàn)高精度開挖大型沉管隧道深基槽這類特殊工程，抓斗挖泥船在現(xiàn)代工程中顯得越來(lái)越重要。由于疏浚抓斗的特殊性，有必要進(jìn)行深入研究，更有效地發(fā)揮其作用，在特殊工程（如島隧工程其中的沉管基槽疏浚工程）上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

1 重力抓斗特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)模型

疏浚抓斗根據(jù)閉斗動(dòng)力源的不同，可分為液壓抓斗和重力抓斗（即繩索抓斗，利用鋼絲繩牽引閉合抓斗）。重力抓斗結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)作業(yè)工況適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用范圍廣泛。其中長(zhǎng)撐桿雙顎板結(jié)構(gòu)的四繩索抓斗應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，積累使用經(jīng)驗(yàn)較多，故本文以現(xiàn)有的長(zhǎng)撐桿雙顎瓣30 m3重力抓斗（質(zhì)量90 t）為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析，獲得抓斗作業(yè)過(guò)程中的主要特性。

疏浚重力抓斗由上滑輪組、下滑輪組、撐桿和斗顎組成。抓斗通過(guò)自身重力產(chǎn)生下沉力，并通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和滑輪組產(chǎn)生抓取力矩，克服抓取過(guò)程中的抓取阻力，完成泥土抓取。由于抓斗閉斗速度較慢，分析過(guò)程中忽略速度對(duì)挖掘阻力的影響。該重力抓斗作業(yè)理圖如圖1所示。

圖1 重力抓斗結(jié)構(gòu)理圖Fig.1 Structural schematic diagram of gravity grab

在抓斗作業(yè)過(guò)程中，重力抓斗在重力作用下打開，然后下降到泥層中；開閉斗鋼絲繩收緊合攏抓斗，閉斗過(guò)程中吊斗鋼絲繩始終處于松弛狀態(tài)；當(dāng)抓斗完全閉合時(shí)，吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩同時(shí)進(jìn)行向上收緊，把抓斗提出水面并旋轉(zhuǎn)至卸泥區(qū)；然后，開閉斗鋼絲繩釋放打開抓斗卸泥。一般抓斗挖泥船的吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩由同一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，吊斗鋼絲繩和開閉斗鋼絲繩只能以同一速度同時(shí)提升或下降，而不能獲得異步運(yùn)動(dòng)或反向運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)重力抓斗的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和土力學(xué)理，抓斗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受到刃口和側(cè)刃的切入阻力、摩擦力、黏聚力和推壓阻力[6]等的作用。重力抓斗各個(gè)部件結(jié)構(gòu)左右基本對(duì)稱，而2個(gè)斗顎結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布存在著微小差異，質(zhì)量以及重心分布不完全一樣，但與總體重量相比可忽略，故本文假設(shè)抓斗左右完全對(duì)稱。抓斗閉合過(guò)程中外部受力示意圖如圖2所示。

圖2 抓斗各部件受力示意圖Fig.2 Force diagram of grab parts

圖2中：F1為斗顎水平刃口切入阻力，kN；F2為斗顎兩側(cè)傾斜刃切入阻力，kN；F3為斗內(nèi)泥沙沿斗底板移動(dòng)時(shí)的水平推壓阻力，kN；F4為斗顎板外側(cè)受到的摩擦阻力，kN；F5為斗顎板外側(cè)受到的黏聚力，kN；Q為進(jìn)入斗內(nèi)泥土重量，kN；Q1為撐桿重量，kN；Q2為下滑輪組重量，kN；Q3為上滑輪組重量，kN；Q4為斗顎重量，kN；Fd為上滑輪組總拉力，kN；Fu為下滑輪組總拉力，kN。

抓斗吊斗鋼絲繩固定端安裝在上滑輪組，其中滑輪組總拉力Fu可以按式（1）計(jì)算得出。

Fu=F（dm-1）+F （1）式中：m為貫穿上下滑輪組的繩索數(shù)；F為抓斗閉斗鋼絲繩拉力，kN。

根據(jù)抓斗受力特點(diǎn)和各力的計(jì)算方法，可以利用編程軟件，建立每個(gè)開度下的受力平衡方程，計(jì)算出各開度下的挖掘深度；本文則利用虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，簡(jiǎn)化計(jì)算，并能準(zhǔn)確反映抓斗的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2 基于虛擬樣機(jī)的抓斗模型

疏浚重力抓斗挖掘時(shí)，受物料的重度、內(nèi)摩擦角、黏聚力和抓斗本身結(jié)構(gòu)等因素的影響。本文采用的虛擬樣機(jī)抓斗模型，均忽略連接部件間的摩擦力、具體形狀結(jié)構(gòu)的影響和抓斗斗顎切入速度對(duì)挖掘阻力的影響。在挖掘過(guò)程中實(shí)際進(jìn)入斗顎內(nèi)的物料高度無(wú)法確定，計(jì)算過(guò)程中近似取挖掘深度為計(jì)算深度，并假設(shè)斗內(nèi)物料表面為基本水平，堆積點(diǎn)位于側(cè)刃上。物料于斗內(nèi)的重量根據(jù)抓斗挖掘深度，用梯形面積近似替代計(jì)算。基于上述假設(shè)、抓斗主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力分析，建立如圖3虛擬模型。抓斗挖掘過(guò)程中，挖掘阻力均為被動(dòng)力，在模型中使用摩擦力矩等效相應(yīng)的被動(dòng)力矩，作用力則等效到下滑輪組。

圖3 抓斗虛擬樣機(jī)模型Fig.3 Grab virtual prototype model

根據(jù)抓斗設(shè)計(jì)常規(guī)，抓斗重量分布比例為：上滑輪組0.17，下滑輪組0.19，斗顎0.5，支撐桿0.14，則抓斗各個(gè)部件重量分別為：149.9 kN、167.8 kN、441 kN和123.5 kN。疏浚抓斗挖掘過(guò)程在水下完成，故仿真過(guò)程中各個(gè)部件的重量均減去水的浮力。

3 抓斗虛擬樣機(jī)的仿真分析

抓斗虛擬樣機(jī)的仿真分析主要研究各個(gè)參數(shù)對(duì)抓斗刃口的運(yùn)動(dòng)軌跡線影響，從而獲得挖掘量對(duì)各個(gè)參數(shù)的敏感度。仿真過(guò)程中選用沙土的主要參數(shù)為[7]：內(nèi)摩擦角φ=39毅，沙土與鋼板摩擦角δ=26毅，密實(shí)沙土重度t=2.2 t/m3。抓斗顎板刃口厚度為300 mm并安裝斗齒，則水平刃口切入阻力有所減小，阻力系數(shù)選K=0.8[8]，故模型仿真過(guò)程中使用的刃口厚度參數(shù)為240 mm。

3.1 黏聚力對(duì)挖掘曲線的影響

分別使用不同的黏聚力參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到不同黏聚力對(duì)抓斗挖掘曲線的影響結(jié)果（見圖4），其中，圖4（a）為抓斗刃口軌跡線，圖4（b）為抓斗開閉斗鋼絲繩閉合力曲線。

圖4 黏聚力對(duì)抓斗挖掘曲線的影響Fig.4 Effect of cohesion on grab dredging curve

從抓斗運(yùn)動(dòng)軌跡線（由于抓斗是對(duì)稱兩瓣結(jié)構(gòu)故只顯示右瓣抓斗刃口軌跡線，以下同）和開閉斗鋼絲繩閉合力曲線可以看到，由于抓斗采用了多級(jí)滑輪增加閉合力，挖掘量比設(shè)計(jì)量30 m3要多，抓斗的儲(chǔ)備挖掘能力較大，有利于開挖硬質(zhì)沙土和強(qiáng)風(fēng)化巖土等硬物。抓斗剛開始挖掘時(shí)，開閉斗鋼絲繩提升力非常小，挖掘力由抓斗自重完成。隨著上下滑輪組相對(duì)位移的增大，挖掘力不斷增加，并在閉斗終了時(shí)約等于抓斗和挖掘物料的重量。從3組刃口挖掘曲線可以看到，黏聚力對(duì)抓斗產(chǎn)量和開閉斗鋼絲繩閉合力影響較大，其大小與產(chǎn)量成反比。當(dāng)黏聚力減少時(shí)，抓斗挖掘量迅速增加，使得閉合力矩和開閉斗鋼絲繩閉合力增大。在圖4（b）中，黏聚力C=39.2 kN/m3的曲線，開閉斗鋼絲繩閉合力在經(jīng)過(guò)曲線的某個(gè)點(diǎn)后比其他兩組曲線大，并持續(xù)增加，這是挖掘量不斷增加的因，應(yīng)盡量避免，防止挖掘機(jī)超負(fù)荷工作。在圖4（a）中，抓斗均需提升一段小距離后才開始閉合。這是由于初始挖深過(guò)大，閉合阻力過(guò)大，抓斗需要垂直提升一段距離，使閉合阻力減小到與挖掘力相等后才能開始閉合。

3.2 抓斗斗齒對(duì)挖掘曲線的影響

為了減小挖掘阻力，抓斗斗顎刃口上通常裝有斗齒，分析過(guò)程中分別使用挖掘阻力系數(shù)K=1和K=0.8進(jìn)行仿真，得到刃口挖掘軌跡曲線?？梢苑治龅贸?，合理安裝抓斗斗齒可大大減少挖掘阻力，增大初始挖掘深度，提高挖掘產(chǎn)量。

3.3 抓斗開閉斗鋼絲繩收緊速度對(duì)挖掘曲線的影響

抓斗閉合過(guò)程中，開閉斗鋼絲繩收緊，帶動(dòng)上下滑輪組相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使抓斗閉合。圖5是下滑輪組在不同提升速度下的挖掘曲線，速度分別為0.05 m/s、0.1 m/s、0.3 m/s，即開閉斗鋼絲繩的收緊速度為0.3 m/s、0.6 m/s、1.8 m/s?？梢?，在開閉斗鋼絲繩收緊的設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)，下滑輪組提升速度對(duì)挖掘量影響不大，3組挖掘曲線基本重合。在抓斗接近閉合終了時(shí)，其斗顎閉合角速度受下滑組提升速度影響較大，小幅度的下滑輪組運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生大角度的斗顎運(yùn)動(dòng)，故3組曲線在接近完全閉合區(qū)域存在一定的差異。

圖5 下滑輪組不同提升速度的挖掘曲線Fig.5 Dredging curve of lower pulley block with different lifting speed

3.4 抓斗部件重量對(duì)挖掘曲線的影響

分別在上滑輪組、下滑輪組和斗顎等部件上增加10 t重量，仿真獲得3組挖掘曲線。上滑輪組、下滑輪組和斗顎上分別添加重量的挖掘曲線幾乎重合，均使挖掘力增大，挖掘量比來(lái)抓斗大。采用多組滑輪組來(lái)增加閉合力，有效地利用了各個(gè)部件的重量，使挖掘量幾乎不受重量分布位置的影響，并趨于相同。

假設(shè)抓斗其它參數(shù)不變，僅改變滑輪組數(shù)（抓斗上下滑輪組貫穿繩索數(shù)分別為m=6和m=4），通過(guò)模型仿真得到2組挖掘曲線。2組曲線相差甚大，上下滑輪組貫穿繩索數(shù)對(duì)挖掘力和挖掘量影響非常大，減少1組滑輪組和2根貫穿的繩索數(shù)，挖掘力將減小，挖掘量迅速降低，影響施工效率。故在抓斗自重相同情況下，上下滑輪組結(jié)構(gòu)對(duì)挖掘力大小起到極為關(guān)鍵的作用。

3.5 其它挖掘情況分析

在一些特殊的挖掘操作過(guò)程中或定深挖掘的時(shí)候，有可能令吊斗鋼絲繩到達(dá)一定深度后處于拉緊狀態(tài)。利用模型對(duì)此類挖掘情況進(jìn)行仿真，所得到挖掘曲線與吊斗鋼絲繩處于松弛狀態(tài)的挖掘曲線有存在較大差異，挖掘量相對(duì)很低。一般在施工中應(yīng)避免此類低挖掘量的操作。

對(duì)于某些挖掘施工工藝，要求挖掘平面盡量平坦，此時(shí)抓斗的挖掘過(guò)程受力較為復(fù)雜，挖掘阻力作用方向變換頻繁。本文抓斗虛擬樣機(jī)模型的仿真僅對(duì)挖掘軌跡的分析具有實(shí)際指導(dǎo)意義，而抓斗整體上下運(yùn)動(dòng)的挖掘過(guò)程誤差較大，但模型仍具有一定的參考和指導(dǎo)意義。由于來(lái)的模型并不完全適用于平整挖泥[9]的仿真分析，需要修改虛擬模型，增加吊斗鋼絲繩受力模型。利用新建模型進(jìn)行平整挖泥仿真，得到如圖6所示的平整挖泥曲線圖。對(duì)于不同的初始挖掘深度，如果挖掘深度過(guò)大（D=-1.0 m），開閉斗鋼絲繩收緊后并不能立刻閉合，當(dāng)整個(gè)抓斗上升一定距離，挖掘阻力減少到一定程度后挖掘過(guò)程才開始，此時(shí)挖掘軌跡的最高和最低點(diǎn)的高度差相對(duì)較大。當(dāng)挖掘深度較?。―=-0.7 m），斗顎從開閉斗鋼絲繩收緊后便開始閉合，挖掘過(guò)程較為平滑，與設(shè)計(jì)挖掘過(guò)程較為相似，挖掘曲線最高和最低點(diǎn)高度差相對(duì)較小。在實(shí)際施工中，平整挖泥的初始挖掘深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)機(jī)械特性進(jìn)行調(diào)整，防止過(guò)大初始挖深，減小挖掘平面的額外高度差，并在水平軌跡高度差可控的前提下，盡量提高挖掘效率。

圖6 修改后抓斗虛擬樣機(jī)的挖掘曲線Fig.6 Dredging curve of modified grab virtual prototype

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述抓斗虛擬樣機(jī)的仿真計(jì)算，可分析得出以下初步結(jié)論：

1）該30 m3疏浚重力抓斗（質(zhì)量90 t）在一般密實(shí)黏土工況下，挖掘量均超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，挖掘儲(chǔ)備能力非常大，其設(shè)計(jì)工況更適用于較為密實(shí)沙土或碎巖等惡劣施工環(huán)境。安裝合理的斗齒結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減低阻力，提高挖掘能力。在挖掘過(guò)程中，過(guò)大的初始挖掘深度將延遲抓斗的實(shí)際開始閉合時(shí)間，使抓斗提升到一定的挖掘深度后才能閉合。此類情況對(duì)水平挖掘作業(yè)的平坦度具有較大影響，操作過(guò)程中應(yīng)盡量避免。當(dāng)沙土垂直承壓大，切向壓強(qiáng)較小等情況下，提高抓斗下降速度獲得的大初始挖深才有明顯的增產(chǎn)效果。在實(shí)際施工中應(yīng)該測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)參數(shù)，或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)挖掘試驗(yàn)，掌握精確的挖掘過(guò)程，以制定合理的施工工藝。

2）重力抓斗主要挖掘力來(lái)源于自重和滑輪組的增力結(jié)構(gòu)。對(duì)于特殊硬質(zhì)沙土或巖石等工程，可以適當(dāng)增加自重，增大挖掘力，克服較大巖土阻力來(lái)獲得產(chǎn)量的提升?；诖死碚摽稍O(shè)計(jì)特殊的重型石斗，應(yīng)用于開挖中風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等碎巖工程。抓斗的滑輪組在增大挖掘力的同時(shí)也降低了開閉斗時(shí)間，合理的滑輪組數(shù)應(yīng)滿足工程需要，兼顧效率和挖掘能力。

本文的疏浚重力抓斗虛擬樣機(jī)模型在仿真過(guò)程中選取對(duì)挖掘量影響較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和沙土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，由模型輸出刃口挖掘曲線，預(yù)測(cè)挖掘產(chǎn)量和挖掘時(shí)間，可為生產(chǎn)提供理論參考。準(zhǔn)確的產(chǎn)量預(yù)測(cè)和精確的施工時(shí)間估算有賴于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)數(shù)據(jù)的采集和分析。利用具體的土力學(xué)參數(shù)結(jié)合理論模型才能精確模擬現(xiàn)場(chǎng)的挖掘過(guò)程，從而合理地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工安排和挖掘操作。