適用于硬質(zhì)土的七刀臂絞刀研制及應(yīng)用

楊建兵，龔強(qiáng)華，陳旭，伍立說(shuō)

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

引言

江蘇鹽城濱海港LNG 項(xiàng)目是落實(shí)交通運(yùn)輸部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局沿海液化天然氣接收站碼頭布局規(guī)劃的重點(diǎn)港址之一，是江蘇省“十三五”規(guī)劃的沿海天然氣管線的重要?dú)庠袋c(diǎn)之一，對(duì)于彌補(bǔ)江蘇、安徽、河南等地區(qū)天然氣缺口、提高地區(qū)清潔能源比例具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。

根據(jù)中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司于2019 年1 月完成的《江蘇濱海液化天然氣（LNG）項(xiàng)目碼頭工程地質(zhì)勘察》中的勘察資料表明，本工程疏浚挖深至-12.5～-13.5 m。該深度范圍內(nèi)絕大部分的土為粉土，該土呈褐色，為中密～密實(shí)狀。根據(jù)其土的狀態(tài)指標(biāo)，標(biāo)貫擊數(shù)N=39.2 擊，液性指數(shù)IL=0.20，通過(guò)這兩指數(shù)結(jié)合疏浚巖土工程分級(jí)，可以判定該類(lèi)土屬于十類(lèi)土[2]。

1 現(xiàn)有6 刀臂絞刀性能分析

當(dāng)前公司現(xiàn)有絞刀均為6 臂絞刀，且型號(hào)相對(duì)單一，其刀臂角度、刀齒固定方式、切削姿態(tài)、切削受力、材料耐磨性能等技術(shù)性能指標(biāo)與復(fù)雜、惡劣土質(zhì)的工程特性不匹配，導(dǎo)致絞刀在硬質(zhì)土、密實(shí)砂等土質(zhì)下的切削效率偏低、沖擊負(fù)荷大，船舶設(shè)計(jì)挖掘功率難以充分發(fā)揮，較大程度上限制了公司大型絞吸船施工產(chǎn)能的進(jìn)一步提升[3]。

2 新型絞刀研制

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

絞刀在挖掘過(guò)程中，刀齒受土體反作用力，并沿刀臂傳遞至軸轂，與絞刀軸驅(qū)動(dòng)力相平衡。因此，絞刀受力分析的核心內(nèi)容為刀齒在切削過(guò)程中的受力規(guī)律。

根據(jù)楊楨毅在《絞吸式挖泥船絞刀結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化的研究》一文可知：在既定的絞刀結(jié)構(gòu)尺寸、分層厚度、橫移速度和絞刀前移量下，絞刀挖掘效率恒定，但絞刀功率與刀齒切削厚度hi呈平方正相關(guān)，即刀齒切削厚度越大，絞刀功率越高。為降低絞刀挖掘密實(shí)粉土的功率和沖擊負(fù)荷，應(yīng)減小刀齒切削厚度。在絞刀設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、橫移速度不變的條件下，增加刀臂數(shù)量，可有效減小刀齒切削厚度，減小絞刀受力[4]。

故針對(duì)密實(shí)粉土，新型絞刀在刀臂結(jié)構(gòu)、刀齒型式不發(fā)生顯著變化的條件下，增加刀臂數(shù)量可有效減小絞刀挖掘功率。綜合考慮刀臂數(shù)量、刀臂間距、絞刀重量等因素，本項(xiàng)目針對(duì)密實(shí)粉土采用7臂絞刀方案。在相同的挖掘施工參數(shù)（效率）條件下，采用7 臂絞刀挖掘密實(shí)/極密實(shí)砂的功率為原6臂絞刀功率的73.5 %。

2.2 刀齒排列

新海豚輪原絞刀各刀臂上刀齒安裝數(shù)量為8枚，因刀臂數(shù)量為偶數(shù)，故相鄰刀臂刀齒采用交錯(cuò)排列，避免相鄰刀臂間刀齒相互影響，絞刀刀齒總體實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)排列，在絞刀旋轉(zhuǎn)切割過(guò)程中，各刀臂刀齒切削軌跡可覆蓋絞刀切削面。

新型7 臂絞刀方案，因刀臂數(shù)量為奇數(shù)，如采用相鄰刀臂刀齒交錯(cuò)排列，則1 根刀臂刀齒無(wú)法與相鄰刀臂刀齒交錯(cuò)，絞刀整體無(wú)法實(shí)現(xiàn)刀齒對(duì)稱(chēng)排列，在挖掘過(guò)程中易導(dǎo)致受力不均、振動(dòng)等不利現(xiàn)象。因此，本項(xiàng)目中，新型7 臂絞刀刀齒采用螺旋交錯(cuò)排列方式，各刀臂刀齒數(shù)量采用8 枚，相同序號(hào)刀齒8 繞絞刀軸線方向在對(duì)應(yīng)刀臂上呈螺旋上升排列，實(shí)現(xiàn)各刀臂刀齒在切削方向上保持一定錯(cuò)位，確保各刀齒切削軌跡線覆蓋絞刀切削面，且受力較為均衡。

3 刀臂建模

3.1 絞刀主要幾何參數(shù)

絞刀主要由底圈、軸轂、刀臂以及刀齒組件四部分組成[5]。根據(jù)新海豚輪橋架結(jié)構(gòu)及原裝絞刀尺寸，為確保新型絞刀與該輪匹配，新型絞刀本體的基本參數(shù)主要與原絞刀保持一致。

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中，視絞刀整體為橢球錐體，刀臂輪廓線為螺旋線，可將刀臂輪廓線簡(jiǎn)化為橢球錐體上的輪廓線。將刀臂橫截面沿輪廓線掃掠生成實(shí)體模型，并對(duì)刀臂與軸轂的連接部分進(jìn)行修剪，形成完整的刀臂模型[6]（圖1）。

圖1 刀臂模型

3.2 刀齒組件

本項(xiàng)目采用翼型齒座，其制作成本較低，強(qiáng)度較高，安裝定位較為簡(jiǎn)便，且可以配置寬齒、窄齒、尖齒，通用性較好；刀齒采用螺旋齒套、中間單銷(xiāo)固定結(jié)構(gòu)，具有良好的抗脫落性能。翼型齒組件模型見(jiàn)圖2。

圖2 翼型齒組件模型

3.3 刀齒排布

根據(jù)刀齒總體對(duì)稱(chēng)排列的設(shè)計(jì)要求，七臂刀齒采用螺旋排列。根據(jù)絞刀切削過(guò)程中受力均勻的設(shè)計(jì)要求，七臂刀齒的安裝位置、外傾角、螺旋角應(yīng)由絞刀底部至頂部均勻變化，形成最終模型如圖3。

圖3 七臂絞刀刀齒排布效果圖

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 絞刀刀齒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

因LNG 工程主要土質(zhì)為密實(shí)粉土，主要采用窄齒挖掘施工，故本項(xiàng)目主要對(duì)該種齒型進(jìn)行受力分析。

為了驗(yàn)證刀齒的強(qiáng)度，選取刀齒破土?xí)r的情況進(jìn)行分析。在施工過(guò)程中，刀齒切削泥土，在破土過(guò)程中，齒尖和齒面受到擠壓力；出土過(guò)程中，齒面受到壓力，齒尖受到拉力。由于刀齒內(nèi)部有齒座支撐，刀齒受到壓力時(shí)能夠傳遞給齒座。為了驗(yàn)證刀齒的強(qiáng)度，選取刀齒破土?xí)r的情況進(jìn)行分析。設(shè)底部齒面以及齒尖端面所受合力方向與刀齒磨損方向一致，對(duì)寬齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析[7]。對(duì)窄齒模型施加載荷后進(jìn)行計(jì)算，其受力后窄齒上應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 窄齒結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，窄齒結(jié)構(gòu)在載荷作用下應(yīng)力分布，最大應(yīng)力達(dá)到了376.69 MPa，應(yīng)力較大區(qū)域同樣出現(xiàn)在刀齒中部，即工作區(qū)域與連接區(qū)域交接處。

4.2 絞刀刀臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

為驗(yàn)證絞刀刀臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，現(xiàn)將7 刀臂絞刀結(jié)構(gòu)作為主要研究對(duì)象。由于絞刀刀臂為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)可以簡(jiǎn)化為針對(duì)單個(gè)刀臂的強(qiáng)度分析。又由于絞刀破土?xí)r同時(shí)工作的刀齒數(shù)為1～2 個(gè)，此處設(shè)破土?xí)r同時(shí)工作的刀齒數(shù)為1個(gè)。根據(jù)單個(gè)刀臂上刀齒的數(shù)量以及位置，將刀臂的受力區(qū)域劃分為8 個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域上的受力均代表該位置上的刀齒傳遞給刀臂的作用力。設(shè)刀臂上各刀齒傳遞給刀臂的力約為25 kN,刀臂上下面設(shè)置固定約束。根據(jù)上述強(qiáng)度校核邊界條件設(shè)置，其應(yīng)力分布隨工作刀齒位置的變化如圖5 所示。刀臂最大應(yīng)力如表1 所示。

表1 刀臂最大應(yīng)力

圖5 刀臂受不同刀齒作用時(shí)的應(yīng)力分布示意圖

由上述分析可知，齒1～齒 3 受力時(shí)，刀臂最大應(yīng)力均集中在刀臂上部（與軸轂連接處）；齒4～齒8 受力時(shí)，刀臂最大應(yīng)力均集中在刀臂下部（與大圈連接處）。絞刀在挖掘密實(shí)粉土?xí)r，通常采用齒1～齒4 為挖掘齒，刀臂應(yīng)力主要由齒1～齒4 施加，故在正常挖掘施工時(shí)，刀臂應(yīng)力最大處為刀臂與軸轂連接處，由齒1～齒4 應(yīng)力疊加，最大值約為20.0 MPa；綜合考慮3.5 倍沖擊負(fù)荷，刀臂瞬時(shí)最大應(yīng)力約為70.0 MPa，小于許用應(yīng)力（刀臂采用16 Mn 鋼，抗拉強(qiáng)度：470～660 MPa；屈服強(qiáng)度：275～345 MPa）。

綜上，正常挖掘施工時(shí)刀臂總體應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，絞刀結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 新型絞刀性能參數(shù)

5.1 理論刀臂間距

新型絞刀需綜合考慮絞刀破土能力與泥塊通過(guò)能力，刀臂線型經(jīng)優(yōu)化后，新七臂與原六臂絞刀相比，刀臂間距增加（表2）。

表2 刀臂間距

5.2 理論切削厚度

絞刀理論切削厚度采用下式計(jì)算[8]：

最大切削厚度=Vt/nZ

其中：Vt—橫移速度（m/min）；

n—絞刀轉(zhuǎn)速（r/min）；

Z—刀臂數(shù)量。

根據(jù)上式，在絞刀轉(zhuǎn)速23 rpm，橫移速度10 m/min 的工作條件下：

原有六臂絞刀理論最大切削厚度72 mm；七臂絞刀理論最大切削厚度62 mm，比原有絞刀減少了13.88 %。

5.3 刀齒角度

絞刀齒的角度對(duì)挖掘能力的影響很大，因土質(zhì)不同而異，其中外傾角對(duì)刀齒入土姿態(tài)影響最大，較小的外傾角有利于刀齒沿齒尖方向入土，有利于降低刀齒受力和挖掘阻力，提高破土能力。

對(duì)于LNG 工程中的密實(shí)粉土，絞吸船需采用較小的橫移速度挖掘施工，采用小外傾角的絞刀齒，有利于增加刀齒挖掘傾角，改善刀齒受力，提高破土能力，與土質(zhì)工況更為匹配。

新型絞刀經(jīng)刀臂線型優(yōu)化后，刀齒外傾角從原絞刀約70°減小至約46°。

6 施工效果

2021 年8～9 月，新海豚輪在該區(qū)施工挖深8.5 m，采用6 刀臂絞刀時(shí)，平均絞刀轉(zhuǎn)速21 轉(zhuǎn)，平均絞刀功率為288 kW，最大絞刀功率可達(dá)1 752 kW，最大絞刀功率是平均絞刀功率的6.08 倍。采用7 刀臂絞刀時(shí)，平均絞刀轉(zhuǎn)速21 轉(zhuǎn)，平均絞刀功率為470 kW，最大絞刀功率可達(dá)2 102 kW，最大絞刀功率是平均絞刀功率的4.47 倍。通過(guò)對(duì)比可知，在運(yùn)用7 刀臂絞刀后絞刀挖掘過(guò)程明顯平穩(wěn)，船舶設(shè)備安全性得到保證，有效減少了絞刀因沖擊過(guò)載而安全離合器自我保護(hù)而造成的停機(jī)檢修現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)用情況如圖6 所示。

圖6 新型7 臂絞刀實(shí)船應(yīng)用

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要解決了大型絞吸船在硬質(zhì)土工程施工項(xiàng)目中的挖掘施工難題，項(xiàng)目研究成果已在江蘇濱海LNG 項(xiàng)目碼頭與港池及航道疏浚工程中得到了成功應(yīng)用，參與施工的大型絞吸船生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量均得到了有效提升，滿(mǎn)足了工程建設(shè)需求，得到了如下結(jié)論：

1）大型3 500 m3/h 絞吸船在硬質(zhì)土施工中，通用型6 刀臂絞刀沖擊大，對(duì)設(shè)備使用帶來(lái)較多挑戰(zhàn)，且設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后嚴(yán)重影響船舶生產(chǎn)。

2）采用7 臂結(jié)構(gòu)的新型絞刀，絞刀最大切削厚度降低了13.88 %，絞刀平均刀齒外傾角從約70°減小至約46°，有效減少了單齒在挖掘過(guò)程中的沖擊力。

3）大型3 500 m3/h 絞吸船應(yīng)用新型絞刀后，船舶絞刀沖擊明顯減少，有效減少了絞刀因沖擊過(guò)載而造成的停機(jī)檢修現(xiàn)象，船舶施工時(shí)間利用率得到了有效提升。