（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）绞吸式挖泥船定位桩系统受力分析.pdf

中文摘要 随着世界船舶运输业的发展，国内掀起了一股港口建设的热潮。港口的建设， 亟需大量的挖泥船。此外，我国江河湖库淤积十分严重，对防洪和航运都产生了 不利影响，大力采用挖泥船进行疏浚势在必行。 挖泥船是一种高技术含量船型，定位桩是挖泥船上的重要结构件。定位桩受 力复杂、破损率较高，是挖泥船设计好坏的关键。以往的设计方法较为简单，与实 际情况出入较大，有必要对其进行研究改进。 本文确定了挖泥船的外界载荷，详细分析了横向挖泥、纵向进刀、锚泊三种 工况下定位桩受力情况，并对绞刀头的切削力进行了计算。找到了各工况下绞车 所需拉力极大值，为后续设计分析提供依据。 本文采用有限元方法在充分考虑土壤对定位桩作用的基础上，建立了基于 “m ”法、可反映挖泥船定位桩受力及约束特点的桩土空间体系的有限元模型， 模型采用了弹簧单元模拟桩与土的相互作用，并通过实例计算了挖泥船各工况下 定位桩受力的应力和位移云图，分析了定位桩应力分布与土壤约束刚度以及插桩 深度等因素之间的关系，计算结果和理论情况相符合。论文研究成果为定位桩的 设计提供了依据。 关键词：绞吸式挖泥船定位桩有限元法土壤抗力 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es h i p m e n ti nt h e w o r l d ，c h i n ah a sr a i s e dt h eu p s u r 2 e o fh a r b o rc o n s t r u c t i o n t h eh a r b o rc o n s t r u c t i o n ，n e e dal a r g en u m b e r o fd r e d g e r s b a d l y i na d d i t i o n , t h es e d i m e n t a t i o no fr i v e r sa n dl a k e sa lev e r ys e r i o u si no u r c o u n t r y - i th a sg r e a ta d v e r s ee f f e c to nt h ef l o o dp r e v e n t i n ga n dt h es h i p p i n g i ti s i m p e r a t i v et ou s ed r e d g e r st od r e d g e d r e d g e ri sak i n do f h i g hs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ys h i p ，a n ds p u di st h em a j o rs t r u c t u r a lp a r ta n dt h r o w a w a yu n i ti nt h e d r e d g e r t h ed e s i g no fs p u di st h ek e yt od e s i g nt h ed r e d g e rb e c a u s eo fi ti s c o m p l e x i t yo nl o a d t h eo r i g i n a ld e s i g no fs p u di st o os i m p l e ，s oi ti sn e c e s s a r yt o s t u d ya n di m p r o v et h em e t h o d i nt h i sp a p e r ，a s c e r t a i n e ds y s t e me x t e r n a ll o a d ；h a v i n ga n a l y s e d d e t a i l e d l yi t s f o r c eu n d e rt h r e ek i n d so f w o r k i n gc o n d i t i o n s ：d r e d g i n gt r a n s v e r s e l y ，a d v a n c e l o n g i t u d i n a l l ya n da n c h o rm o o r i n g ；a n dt h ef o r c e so nc u t t e rh e a da r ea l s oc a l c u l a t e d h a v i n gf o u n de x t r e m e l yl a r g ev a l u et h a tw i n c h p u l l i n gf o r c en e e d su n d e re v e r y w o r k i n gc o n d i t i o n ，p r o v i d e dab a s i sf o rt h ef o l l o w u pd e s i g na n d a n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，u s i n gt h ef m i t ee l e m e n t m e t h o d ，f u l l yc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h es p u da n dt h es o i l ，b a s i n go n t h e m m e t h o d ，c r e a tt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h es p u da n ds o i lw h i c hc a nr e v e a lt h ef o r c ea n dt h er e s t r i c to nt h e s p u d u s e t h ee l e m e n tc o m b i n14i na n s y st os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h es p u da 1 1 ds o i l f i n dt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fe a c hl o a dc a s et h r o u g h c a l c u l a t i n gt h ee x a m p l eo f t h ed r e d g e r a n a l y s et h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t r e s sd i s t r i b u t i n go nt h e s p u da n dt h e c o e f f i c i e n to ft h es o i lr e s t r i c t i o na n dt h e d e p to ft h es p u dt h a td i pi n t ot h es o i l t h e r e s u l tf i tt h et h e o r yv e r yw e l l t h er e s u l to f t h i sp a p e rp r o v i d eab a s i ct ot h ed e s i g no f t h es p u d k e yw o r d s ：c u r e rs u c t i o nd r e d g e r ，s p u d ，t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，c o e f f i c i e n t o ft h es o i lr e s t r i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荡荡雨签字日期：m 年舌月厶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：) 川年 导师签名： 签字日期：伽扩年么月0 日 一巾日 晤呲 历6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近些年来，随着国内经济的稳步增长，国内港口，尤其是区域性重点港口发 展势头迅猛，相继新建、改建、扩建大泊位、集装箱泊位、深水航道。“十五” 期间沿海港口将新增深水泊位1 6 4 个，改造深水泊位4 5 个，新增吞吐能力3 4 亿吨以上，新增集装箱吞吐能力1 9 4 0 万箱，到2 0 1 5 年深水泊位达到8 2 0 个，总 吞吐能力达到1 7 亿吨以上，长江口航道整治工程达到1 2 5 米水深。 此外，我国江河湖库淤积十分严重，每年仅江湖泥砂淤积量就新增8 亿立方 米，这对防洪和航运都产生了不利影响，大力进行机械化疏浚清淤势在必行，但 现有的疏浚能力远不能满足要求，而且近千艘挖泥船中有近半数的超龄船有待更 新 1 】o 挖泥船是一种高技术含量的船型，定位桩是挖泥船上的重要构件，最近几年， 国内挖泥船定位桩经常出现断裂、跑桩等问题，目前业内对定位桩的研究还很少， 能查到的资料十分有限，规范上对定位桩的规定也仅仅只有一条，因此对绞吸式 挖泥船定位桩的评估势在必行【z j 。 1 2 绞吸式挖泥船的研究现状 1 2 1 国内绞吸式挖泥船发展回顾 8 】【9 】 1 0 】 5 0 至6 0 年代，我国的绞吸式挖泥船设计制造处于起步阶段。这一时期的代 表作为“洞庭号”。1 9 5 1 年，我国著名造船专家萨本忻( 1 8 9 8 1 9 6 6 ) 亲自主持设 计、建造了我国第一艘绞吸式挖泥船“洞庭号”。该船以钢铆结构为主，船长3 1 7 米，宽9 7 5 米，型深2 8 米，满排水量为2 4 0 吨，以2 0 0 马力双缸蒸汽机为动力驱 动绞吸机构，生产量为6 1m 3 五。 7 0 8 0 年代，开始步入独立设计阶段。较具代表的有2 0 0 m 3 h 液压、电动并 具有微机操作的绞吸式挖泥船。7 0 年代，为实现“三年改变港口面貌”的目标， 向荷兰i h c g i 进过大型的绞吸式挖泥船1 6 艘。8 0 年代，又向荷兰、日本购进了一 批中小型挖泥船。 9 0 年代开始，高技术含量的创新产品开始出现，1 9 9 9 年上海船舶设计院设计 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了1 7 5 0 立方米时绞吸式挖泥船。该船船体总长6 5 4 m ，型宽1 6 o o m ，型深4 6 m ， 最大挖深2 0 0 ，最小挖深3 o m ，吸管内径8 0 0 m m ，排管内径7 0 0 m m ，总装机功率 5 0 5 3 k w 。同时，中国设计制造的绞吸式挖泥船开始跨出国门，2 0 0 1 年七。八所设 计的1 0 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船出口伊拉克。1 9 9 9 年底前实施的“百船工程”是中 小型绞吸式挖泥船建造的高潮阶段。“百船工程”( 一期) 国内设计了4 艘 5 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船，4 艘3 5 0 m 3 h 绞吸式挖泥船，7 艘2 0 0 m 3 办绞吸式挖泥 船，1 2 艘1 2 0 m 3 h 绞吸式挖泥船( 黄河专用) 。值得一提的是，2 0 0 0 年以来，七 。八所设计过3 0 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船，为国内绞吸式挖泥船新技术发展做出了 贡献。 2 0 0 4 年7 月3 1 日，荷兰i h c 公司和广州文冲船厂有限责任公司的合资公司建设 建成迄今国内最大的绞吸式挖泥船“福岷9 号”。该船总长1 1 8 米，型深4 9 米，型 宽1 8 2 米，吃水3 1 5 米，最大挖深度2 5 米，配备钢桩台车及抛描杆装置挖泥能力 为3 0 0 0 m 3 h 2 5 】。 1 2 2 国外绞吸式挖泥船发展回顾 1 3 】【1 4 】 国外在挖泥船方面研究最有名的大学是荷兰的德尔夫特科技大( t ud e l f t ) 。 在挖泥船制造方面，最有名的公司是荷兰的i h c 公司。日本的i h i 公司、美国的巴 尔的摩挖泥船公司也比较出名。我们国家几十年来进口的挖泥船，大部分来自这 些公司。 2 0 0 5 年3 月9 日，天津港投资1 2 6 亿元购置的首条绞吸式挖泥船合同签字仪式 举行。这次购置的挖泥船是由荷兰i h c 有限公司承担设计及提供主要疏浚设备， 天津新河船舶重工有限责任公司承建，预计2 0 0 6 年5 月正式投入生产。荷兰的i h c 公司作为绞吸式挖泥船研究比较出色的公司，世界上最大的绞吸式挖泥船“j f j d en u l ”即由该公司生产，公司科研实力可见不一般。通过其公司生产的挖泥船， 基本上可以得出国外挖泥船的发展状况。其公司最近二十年生产的挖泥船统计如 下： 表1 - 1 荷兰i h c 公司生产的各种绞吸式挖泥船一览 船名年总长 型宽型深 吃水最大挖吸管绞刀总装 代( m )( m )( m )( m )深( m )直径功率功率 ( m m )( k w )( k w ) d a r t a g n a n 2 0 01 2 3 82 5 2 0 8 2 0 6 1 53 5 1 ，0 0 02 6 ，1 0 500 3 f 3 d e n u 2 0 01 2 4 22 7 8 08 8 03 4 7 0 1 ，0 0 0 5 ，0 0 02 7 1 9 l3 oo a i m i r f a2 0 09 7 o o1 9 6 04 9 03 5 52 08 0 0 1 ，5 0 0 1 0 5 0 oo 天津大学硕士学位论文第一章绪论 a i s a d r1 9 9 1 1 7 5 2 0 3 06 0 04 5 02 7 0 09 0 02 ，2 0 0 2 0 2 0 9o0 b e a v e r4 6 0 01 9 94 81 3 4 02 9 72 0 51 67 5 05 5 23 4 5 1 9 m a r t i n a 1 9 9 3 6 28 6 02 7 5 1 7 0l o 0 06 0 0 3 1 0 l ，7 5 2 7 s a m s u n gn e w 1 9 99 5 8 51 7 0 04 7 53 3 72 7 0 09 0 0 1 ，0 0 0 1 1 9 5 p i o n n e r62 m a s h h o u r1 9 91 4 0 32 2 4 07 2 03 5 o o 1 ，0 0 02 ，4 0 0 2 2 7 9 60a a b u a i a b y a d h 1 9 97 2 o o1 8 0 04 2 51 6 0 08 0 0 1 ，1 0 07 ，7 9 2 5 l e o n a r d od a 1 9 81 2 9 28 0 53 0 0 09 0 0 4 ，4 1 0 2 0 2 3 v i n c i 60o 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 可以看出，绞吸式挖泥船的发展朝着大型化方向迈进。 最近几十年大型绞吸式挖泥船发展情况如下： 功率大：总功率在1 0 0 0 0 k w 左右。 排距远：有效排距均在5 0 0 0 m 以上。 水下泵：为加大挖深和提高生产能力均设有水下泵。 可挖掘坚硬土质及岩石。 绞刀型式多样：很多绞吸式挖泥船采用斗轮式绞刀，既可减少搅动污染，又 可提供挖泥浓度。如荷兰i h c 船厂1 9 9 6 年制造，上海航道局2 0 0 3 年新购进 的“新海豹”( 原韩国的“三星新先锋号) ，具有斗轮绞刀双功能，绞 刀与斗轮可互换。除斗轮外，还有各种新型的适合各种不同土质的适用绞刀 和刀齿，型式多种多样。 d g p s 定位系统：近十年来投产的较大规模的绞吸式挖泥船均配有先进的差 分全球卫星定位系统，船舶定位不受任何气象地理环境影响。 自动化挖泥监控系统：该系统将挖泥断面监视器( d p m ) 与d g p s 定位系统、无 线电潮位遥报仪相连接，可自动控制挖泥横移速度和切削厚度，并可在计算 机屏幕上适时显示船位、绞刀位置、挖泥深度及海底三维图形，对防止漏挖 和超挖起到了非常积极的作用。 8 ) 大型绞吸式挖泥船均装有钢桩台车，使挖泥操作更精确、更简便。 ， 9 ) 装驳工艺运用越来越多，以适应深海取砂和长距离卸泥的需要。 1 0 ) 有些绞吸式挖泥船为机动方便还装有推进装置，可进行自航作业【1 6 1 。 绞吸式挖泥船除以上新技术工艺外，荷兰i h c 船厂还成功的研制出由柴油机 直接驱动水下泵的新型绞吸式挖泥船。一般水下泵均为电动泵，其最大的缺点是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 燃料转换为电能，再由电能转换为机械能的过程中损失大量的能量，而直接驱动 减少了损失。这种直接驱动系统的成功主要归功于枢轴齿轮箱的发明，通过它可 将安装在甲板上的柴油机动力可靠地传给角度不断变化的桥架上的水下泵。i h c 新一代“海狸”型挖泥船泥泵采用了直接驱动装置，不但节约了能量，还去掉了 主浮箱，将机舱设在连接浮箱上，泵舱全部被省去，更便于维修和管理。现在， 这项技术已在多条挖泥船上应用，受到了良好的效果。、 目前国内外普遍采用计算机进行辅助计算和模拟，对安装在船上的所有系统 和结构设计进行检验，加以改进。主要体现在以下几个方面【1 叼： 1 ) 对所有大型构件和重负荷区域都运用有限元法( f e m ) 进行计算。大型构件主要 包括整个绞刀桥架和定位桩台车，重负荷区域主要包括绞刀桥架的耳轴、卧 倒轴、锁定销、船体、双层底、定位桩、应急备用定位桩提升系统、船舶舷 侧等。计算结果可以为这些大型构件和重负荷区域在应力、疲劳优化方面提 供参考。 2 ) 对动态部件进行动载计算。动态部件主要包括各驱动装置，如推进轴系、绞 刀驱动轴系、泥泵驱动轴系等。通过对它们进行扭振计算，一方面了解振动 对结构的影响，另一方面了解疲劳的破坏作用和振动噪声的激励源。根据这 些计算结果，对各个结构的设计详图进行改进，降低住舱内的噪音水平和环 境噪音水平。 3 ) 对动态过程进行动态模拟：其一是绞刀作业动态模拟，模拟的结果用作扭转、 疲劳和应力计算的输入数据；其二是定位桩下落过程动态模拟，此过程较复 杂。定位桩悬挂在提升钢索上下落，然后利用提升绞车上的制动器通过提升 钢索控制其自由下落。当定位桩撞击地面后钢索会形成一定的松弛量，由波 浪补偿器的液压缸收起来补偿其松弛量。进行这样一项多参数模拟可以使人 们深入了解定位桩的动态过程，最后根据模拟结果优化控制系统。 4 ) 对船体性能进行流体力学模拟研究。该研究可以预测挖泥船在海况下的性能， 对于获得设计条件和了解船舶运动对疏浚作业连续性的影响尤其重要。船体 的形状是疏浚要求和造船学之间的折衷产物：为在狭窄的航道内开挖边坡，要 求船体较短；为将水流导向螺旋桨，要求船体具有流畅的线型；同时还应有 足够的浮力来补偿绞刀桥架的重量。为对该自航绞吸式挖泥船的船体形状和 推进器的布置进行优化，需进行流体动力学( c f d ) 计算，然后根据计算建立有 效船模，通过模型试验反复验证。 绞吸挖泥船因参与环保整治较多，进行了多方面的尝试，特别是在绞刀型 式上创造了许多新的思路，下面介绍几种新型的环保绞刀： 1 )圆盘式环保绞刀：这是荷兰b o s k a l i s 公司专门为环保疏浚设计的。它将所 天津大学硕士学位论文第一章绪论 挖掘的泥土封闭在防护罩内，环形绞刀可切割薄层泥土。其特点是：挖泥引 起的浑浊度小，挖泥浓度高，可达6 0 - - - , 7 0 ，精度可达5 c m ，可挖1 5 c m 厚 薄层泥，浚后泥面平整。 2 ) 铲吸式：这种挖泥头是比利时国际疏浚公司设计的，没有旋转的挖泥装置， 因此挖泥的混浊度最小，而且浓度很高，泥土几乎可保持原装土样被吸入排 送。挖泥是靠一套可以转向的铲片，从水底铲起泥土送入吸口，因没有绞动 装置，因此新挖泥面平整且挖迹几乎平面，深度控制非常精确，外壳防护罩 可控制海水稀释泥土，又可防止泥土扩散混浊海水。在挖泥头顶部安装可调 的进水系统防止堵塞，为了防止泥土中产生的气泡使泥泵产生气蚀现象，还 增加了一套特殊的除气系统。挖泥精度较高，水平精度3 0 a m ，深度精度1 0 c m ， 铲吸式挖泥头现有两种，两种吸头混合使用最佳。先用前一种铲斗吸斗挖厚 泥层，最后再用刮吸头来精确地挖除薄泥层。 3 ) 螺旋式环保绞刀：螺旋式环保绞刀挖泥船是目前世界上最为先进的绞吸泵排 式环保挖泥船，其代表船型是荷兰h a m 公司的h a m2 9 1 。该船采用了新型的 螺旋式绞刀，绞刀在吸口两侧采用不同的螺旋方式使泥土经螺旋槽输移至吸 泥口，由水下泵将泥吸入排出。由于采用了螺旋式绞刀，因此新挖掘泥土接 近原状，挖泥浓度较高，可达7 0 。为了防止泥土扩散，在螺旋式绞刀上加 装了防护罩，减小了挖掘引起的混浊度，而且为防止挖掘有机质污染土时产 生的气体引起气蚀现象，在泥泵的吸入管路中装有除气装置。特有的螺旋式 绞刀可在水平和垂直方向上转动，与1 2 米行程的钢桩台车互动使用可使挖宽 保持水平直线横移，而不是传统的园弧形。由于采用了直线横移的新模式提 高了水平精度的控制，使挖泥重叠量最少，误差更小。此外，为便于在开阔 水域施工，该船还配有一套三缆定位挖泥系统，可使生产能力更高。为了提 高挖泥精度，该船还安装了差分全球卫星定位系统( d g p s ) 及各种先进的电 子设备，使挖泥更为精确。定位精度可达：垂直精度5 c m ，使用钢桩时水平 精度1 5 c m ，使用三缆定位时水平精度3 0 c m 瞄6 | 。 1 2 3 国内外设计水平的差距 5 0 多年来的发展，可以看出，我们的绞吸式挖泥船生产设计能力有了很大 的提高。但是与国外差距仍然巨大，大型绞吸式挖泥船的主要设备如发动机、绞 刀与泥泵等挖泥系统、自动控制系统等需引进国外全套设备。国产挖泥船与国外 挖泥船存在以下差距： ( 1 ) 挖泥机具和泥泵的技术性能和材料耐磨性能与国外相比，有明显差距。 ( 2 ) 操作及监控的自动化程度低，一些重要仪器仪表，如产量计、深度计、挖掘 天津大学硕士学位论文第一章绪论 轨迹显示仪等，国内尚属空白，不利于生产管理及作业效率与质量的提高。 ( 3 ) 动力与船型尺寸的匹配不够合理，在相同的装机功率下，国外船型尺寸要小， 有利于发动机功率利用和作业。 ( 4 ) 型号繁多，系列化、通用化、标准化程度低，设计制造周期长，配件供应困 难，质量不稳定，不利于用户使用。 ( 5 ) 注重环保设计不够。绞刀水下运转能造成水域的污染，国外已开发出污染小、 环保型的挖泥船，我们国家还没有开发这种船型。 总体上看，我们国家对大型绞吸式挖泥船的研究还不够，应加大对大型绞 吸式挖泥船的研究，缩小与国外先进水平的差距 1 3 】。 1 3 绞吸式挖泥船的优势 绞吸式挖泥船能达到如此广泛的应用，这很大原因得益于它具有的以下优 点： 1 )绞吸式挖泥船用途广泛，可以在江河湖海中作业，用以清淤，航道挖掘，吹 填造地。在特殊情况下绞吸式挖泥船上安装大功率绞刀设备，不需爆破即可 挖掘玄武岩和石灰石等岩石地层。 2 )绞吸式挖泥船工作效率高，产量大，排距远。大型的绞吸式挖泥船每小时产 量可达几千立方米，把泥沙或碎岩物料依靠强大动力通过泥泵和排泥管线， 可送出几千米之。 3 )绞吸式挖泥船操作简单，易于控制。挖泥船依靠船艉的台车使钢桩定位和步 进，利用绞刀臂架两侧钢缆与固定于挖槽两侧的锚，靠绞车牵引，两厢摆动 绞切泥沙物料，在一定的控制摆角下工作，将绞动的物料，经过输泥管泵到 堆积场。挖泥船的步进是由两根桩交替运动，迈步向前。 4 )大型绞吸式挖泥船带有自航系统。迁移时可以自航到位。中小型挖泥船多为 无自航系统，靠拖船拖行。中小型挖泥船可设计建造成组装式，通过陆路运 ，输到现场，经组装后即可使用。 5 ) 绞吸式挖泥船经济性好。物料的挖掘和输送一次性完成，不需要其它舶船配 合，几次搬运，相对工程成本较低。 1 4 研究绞吸式挖泥船定位桩系统受力的目的和意义【1 8 】 挖泥船是一种高技术含量船型，定位桩是挖泥船上的重要结构件。定位桩受 力复杂、破损率较高，是挖泥船设计好坏的关键。目前，国外对绞吸式挖泥船定 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 位桩研究不多，发表的文章较少。国内对绞吸式挖泥船定位桩系统的研究也没有 相关的报道。这也与国家对绞吸式挖泥船5 0 多年来一直依靠进口的历史有一定 关系。在挖泥过程中，绞吸式挖泥船用于固定和移动船位的系统有两种，一种是 钢桩系统，一种是三缆定位系统。钢桩系统中分为独立双钢桩系统，钢桩台车、 转盘钢桩、悬臂钢桩、四钢桩系统等。本文选用的是钢桩台车系统。 以往的对定位桩的设计方法较为简单，与实际情况出入较大，有必要对其进 行研究改进。目前使用较多的是采用结构力学梁模型的简化分析方法，对定位桩 力学模型进行适当简化，计算应力分布，给出强度计算公式。结合定位桩实际使 用情况，并与以往的定位桩计算方法比较，最后确定挖泥船定位桩合理、实用的 设计方法。与原设计方法比较，此种定位桩设计方法与实际情况较为吻合。不过 此种设计方法也有不足之处，对泥土的约束抗力采用了简化处理，将其直接等效 为一个弹性固定端【2 】，实际挖泥船工作过程中泥土对桩的约束是比较复杂的，土 的抗力系数不同对桩的位移和应力影响很大，同时插桩深度对定位桩的位移和应 力分布也有很大的影响。在本文中，采用a n s y s 里的壳单元和弹簧单元模拟桩 与土的相互作用，基于“m ”法建立了桩土空间体系的有限元模型，进行分析。 有限元计算结果更能符合理论情况。 1 5 本论文主要研究内容 1 ) 分析计算船体所受的外载荷。 2 ) 分析计算定位桩所受的外载荷。 3 ) 采用弹簧单元模拟桩与土之间的作用，进行有限元建模。 4 ) 分析了土壤抗力系数以及插桩深度不同对桩的变形和应力分布的影响。 天津大学硕士学位论文第二章绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 第二章绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 2 1 绞吸式挖泥船简介 5 】【7 】 绞吸式挖泥船是目前世界上应用最广泛的一种水力式挖泥船。它不但可以承 担开河筑港、填土造陆、开挖码头、船坞、疏浚航道、抽水抗早、吹淤改良土壤 及开挖渠道等项工作，而且能够开挖除岩石以外的任何土质。它效率高、成本低， 在疏浚业广泛应用。其工作由下列三道工序组成： 1 ) 将需要排除的泥土与水底分开。 2 ) 提升被分开的泥土。 3 ) 将泥土排至所需地点。 为完成上述工作，挖泥船必须配有各种设备，钢桩定位系统就是其中之一。 2 2 绞吸式挖泥船主要设备及其工作原理 2 2 1 绞吸式挖泥船的基本构成 绞吸式挖泥船的基本结构是由船体、桥架、绞刀、绞刀马达、动力设备( 发 动机) 、横移绞车、泥泵、定位装置( 钢桩或三锚) 、吸排泥管等构成。见图2 1 绞吸式挖泥船简图【4 3 】。 图2 - 1 绞吸式挖泥船简图 天津大学硕士学位论文 第二章绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 而实际中由于绞吸式挖泥船大小的不同，总体布置及相配套的设备也有很大 差异，图2 - 2 是本文研究的定位桩系统的母型船，2 0 0 0 m s h 绞吸式挖泥船，本 船为非自航、整体式、单甲板、钢质方驳体绞吸式挖泥船。机舱和泵舱位于主甲 板以下。船艉设有开槽，开槽长1 1 4 m 。定位桩采用主副桩的形式，主桩设台车， 行程6 o m 。在拖航调遣时采用尾拖，船体尾部水线以下有斜切角，以减少拖航 阻力。船首设有开槽，开槽长2 5 8 m 。艏部布置主要作业设备，包括横移绞车、 绞刀架起升绞车、移锚绞车、移锚杆、绞刀架等。本船主要用于沿海水域航道疏 浚、吹填工程等，可以进行挖掘淤泥、粘土、中细砂和砂质粘土等。 其施工条件如下： 最大浪高和周期 1 o m 5 秒 最大水流2 m s 最大风速蒲氏6 级( 最大1 3 8 m s ) 大气温度一1 5 3 5 海水温度 一5 3 2 机舱设计温度4 5 相对湿度 6 0 施工期间锚泊时在下列条件下应该是安全的： 风速 最大浪高和周期 其主要尺度和技术性能如下： 总长 船长 型宽 型深 设计吃水 肋骨间距 梁拱 床位 主甲板一上甲板 上甲板一操纵甲板 操纵甲板一操纵室顶 最大挖深 蒲氏9 级( 最大2 2 4m s ) 1 8 m 6 秒 8 2 8m 6 8 4m l5 om 4 8m 3 om o 6m 0 2m 16 个 2 7m 2 5m 2 5m 2 5m 天津大学硕士学位论文第二荜绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 最小挖深 设计生产能力 最大排泥距离 吸泥管内径 排泥管内径 舱内泥泵清水流量 水下泥泵清水流量 2 0 0 0 5 h 3 5 0 0 m 8 0 0 m m 7 5 0 t a r a 8 0 0 0 m 3 h 8 0 0 0 m 3 h 一 ：一i l 适銎蠢鏊醯 琶每：一b 锄5 氅- 等一一= 一 图2 _ 22 0 0 0 7 h 绞吸式挖泥船 本船为单甲板船，尾部设定位桩等机械设备，艏部为绞刀和吸排泥系统。泥 泵舱位于船中部区域，机舱则位于船的中后部。甲板室位于主甲板中后部，操纵 室设在高于主甲板5o m 处。 主甲板以下的船体由2 道纵舱壁和数道横舱壁划分为以下部分：泵舱、机舱、 监控室、燃油舱、压载水舱、被水舱、备品舱、空舱等舱室；主甲板上的甲板室： 会议室、双人室5 间、四人间1 间、餐厅、厨房、厕所、盥洗间、蓄电池室和充 放电间、储藏室、工具间等；上甲板上的甲板聿：船长室、轮机长室：操纵甲板 上设操纵室。 2 2 2 绞吸式挖泥船的主要设备及功能”】 1 ) 绞2 3 - - 绞刀是绞吸式挖泥船的主要挖掘设备，安装于绞刀架的塌前端。它主 要由绞刀轮毅、刀臂和绞刀片组成。用绞刀轴与绞刀原动机相连接。施工中 靠绞刀原动机驱动绞刀的旋转来实现水下挖掘，被绞松或被切削下来的疏浚 物与水混合后形成泥浆，在大气压的作用下，通过绞刀腔内的吸泥口进入泥 天津大学硕士学位论文第二章绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 泵，所以绞吸式挖泥船的施工作业首先是由绞刀来完成的。 2 ) 桥架一绞刀桥架通常为一箱形钢结构件，它可以在一个垂直于水平面的平面 中做上下运动。在绞刀桥梁上除了安装绞刀外，还装有吸泥管、绞刀动力设 备( 绞刀电机或液压马达) 、水下泵( 早年的绞吸挖泥船一般不安装水下泵) 、 水下泵动力设备( 水下泵电机或液压马达) 、齿轮箱等。桥梁有两个最重要的 作用，其一是满足安装上述设备所需强度的要求，其二是满足挖掘所需重量 要求。 3 ) 绞车系统一绞车系统主要包括绞刀桥架起桥绞车和左右横移绞车。利用起桥 绞车可以改变绞刀的切削深度，以获得适当的切削负荷、吸入浓度和吸入真 空度，并在挖泥船不工作时将绞刀吊离水面。横挖时，利用其中的一台绞车 收缆而另一台放缆的联合动作，可使绞刀绕定位装置做左向或右向的摆动， 以获得作业面的规定宽度。 4 ) 定位装置一定位装置又可称为定位系统，是绞吸式挖泥船的主要生产设备之 一。它与绞车锚缆系统一起实现挖泥操作的准确定位、绞刀及船体的横移和 前移，保证挖泥操作按设计要求进行。定位作用的好坏直接关系到施工作业 能否正常进行，当然定位精度的高低还与操作人员控制定位系统的技术水平 密不可分。目前，常用的定位装置主要有钢桩定位系统和三锚定位系统。 5 ) 泥泵一泥泵是绞吸式挖泥船的主要设备。绞吸式挖泥船使用的泥泵都是单极、 单吸、悬臂式离心泵，它在原动机的驱动下，通过叶轮在泵壳内旋转将原动 机的机械能变成浆体能量，在大气压的作用下完成吸入和排出浆体的作业。 泥泵与离心式水泵的主要区别在于结构强度大、通过性能好、过流部件的抗 磨性能强和转速低等【2 5 | 。 2 2 3 绞吸式挖泥船工作程序【1 6 】 绞吸式挖泥船一般采用沿挖槽来回移动的横挖法，挖土时将绞刀桥架固定在 锚上，绞刀从前主锚定位点沿斜圆弧型自挖槽一边移向另一边。比如说从左边开 始移向右边，到达右边后，挖泥船依靠台车顶推定位桩移动一定距离，然后重新 回到左边，在途中挖去宽度大约等于前移距的泥土带。在左边挖泥船重新向前移 动，然后沿新的横挖带移向右边h 2 】【4 3 1 。 在以上的挖泥过程中，每一个挖泥工作周期里，各挖泥设备的动作程序如下： 1 ) 完成挖掘的动作程序 以定位装置为固定点，绞刀绕其固定点摆动，且始终按一个方向连续旋转。 其它工作机械设备按下列程序工作： ( 1 ) 左横移绞车收缆，右横移绞车以一定的张紧力同时松开右缆，于是绞刀向 天津大学硕士学位论文第二章绞吸式挖泥船及定位桩系统介绍 左摆动，完成第一层泥砂的挖掘。 ( 2 ) 纹刀桥架起桥绞车松出一段缆索，使绞刀降低。 ( 3 ) 右横移绞车收缆，左横移绞车以一定的张紧力同时松开左缆，于是绞刀 向右摆动并完成第二层的挖掘。 此后，重复上面的程序再挖下一层，直到断面深度达到规定的要求为止。 2 ) 移步的动作程序 假定绞刀完成了一个断面的挖掘，为了在另一个断面继续挖掘，绞刀及船体 需要向前移动一步。完整的动作程序如下： ( 1 ) 左右横移绞车暂停。 ( 2 ) 由定位装置实现船体前移一个步长。 ( 3 ) 绞刀桥架起桥绞车和右横移绞车同时收缆，而左横移绞车则以一定张紧力 松开左缆，于是绞刀绕着固定点摆至设想挖断面的起始点。 ( 4 ) 横移绞车停止，绞刀桥架起桥绞车松出一段缆索，使绞刀放至挖掘点。 3 ) 移锚的动作程序： 绞刀挖掘了若干个垂直断面以后，横移锚将会落在两舷较后的位置上，在横 移绞车收缆时，将会产生一个较大的分力作用于船体。因此，要根据左右横 移缆的夹角及时地将锚移向两舷前侧。若配有三锚定位系统，一般不再设抛 锚杆系统。三锚定位系统的定位锚和左右横移锚的移锚的动作通过配套的抛 锚艇来实现。 若配有定位桩系统，一般设有抛锚杆系统。此时移锚的动作程序如下： ( 1 ) 借助于横移绞车，令船体摆向起锚的一侧，直至抛锚杆项部滑车能够到 达锚的上方为止。 ( 2 ) 锚机收缆将锚拔升至水面以上。 ( 3 ) 利用抛锚杆将锚摆动至前侧位置，锚机开倒车放缆，使锚慢慢放入土中。 ( 4 ) 将锚机操纵开关置于“自由松缆”位置，使锚机缆索自由松出而不至于妨 碍船体的左右摆动【2 引。 2 3 定位桩系统的组成 绞吸式挖泥船一般尾部设有一根定位桩，一个台车和定位桩，每根定位桩均 由一个油缸起升。定位桩采用高强度钢板卷焊成的圆桩，采用的钢板厚度分段不 等，焊接形式为坡口对接焊成。桩体内有加强构件，以保证桩的强度。 为满足定位桩每次起升作业，采用液压油缸进行顶升。定位桩液压油缸采用 柱塞液压油缸，液压油缸底端与主甲板或定位桩台车铰接，顶端与钢丝绳导向滑 天津大学硕士学位论文 第二章毁吸式挖泥船及定位桩系统介绍 轮联接。 当定位桩起升时，液压系统供油，在油压的作用下柱塞伸出，钢桩提升 当钢桩下降时，依靠钢桩自重使油缸柱塞收到。 为使钢桩提升、下降，还配有缠绕在钢桩上的钢丝绳”】。 2 4 本章小结 图2 - 3 某一旋工中的挖泥船的定位桩 本章粗略介绍了绞吸式挖泥船的摹本构成，由绞吸式挖泥船工作程序的介绍 引入定位桩系统，详细描述了定位桩系统构成和工作原理。本章的内容为后续几 章的论述提供了相应的知识背景和前提。 遣 天津大学硕士学位论文第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 3 1 环境载荷的计算 绞吸式挖泥船在工作时，会受到环境外载荷的作用，如风、浪、流载荷，此 外在工作时，还会受到绞刀头旋转时产生的工作载荷以及作业过程中横移钢索的 拉力。绞吸式挖泥船通过定位桩系统来平衡这些载荷，当流速、风速不同时，会 产生不同的载荷，当作用在定位桩上的外力过大时，会导致桩体破坏或者跑桩现 象，这在实际操作过程中是不允许的。因此，计算各工况下的定位桩受力是十分 必要的【2 0 】【2 l 】【2 2 】。 3 1 1 风压力的计算 作用在船体水线以上部分的风压力为 1 1 】： q o = c xqxa ax k o ( 3 1 ) 其中：q风压力，珂 c 风力系数，取1 2 q风压，k g f m 2 ，按下式计算： g = 3 v z o 砺 v 风速m s h 受风面距水线的高度，小于1 5 m 者取1 5 m 以水线以上正投影面积，m 2 屯风向影响系数，取1 2 3 1 2 水流力的计算 作用在船体船体水线以下部分的水流力为【3 4 】【3 6 1 ： 瓯= 丢p xv 2x 心x a xc x 其中：q w p 水流力， 海水密度， k 西 取1 0 4 6 1k g f x s 2 m 4 ( 3 - 2 ) 天津大学硕士学位论文第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 v 绞缆速度+ 潮流速度，m s 以水线以下正投影面积， m 2 c阻尼系数，取1 4 3 1 3 作用于船体上的波浪力的计算 计算挖泥船受到的波浪力公式为口0 1 1 2 1 】【2 2 】： f ：3 4 9 1 2 5b h 2c o s 秒 k n 。 2 2 0 0 f ：堂l 皂一0 4 3 3l b h 2s i n 8 k n 2 2 0 0bl 其中：巧互分别为纵向波浪力、横向波浪力 l 船长 m b 船宽 m h 波高m 秒 波浪方向与船长方向之间的夹角 3 2 绞刀切削力及横移钢索拉力的计算 3 2 。1 绞刀切削力的计算 2 6 】 ( 3 - 3 ) 绞刀系统通常由动力箱、鼓形齿式联轴器、绞刀轴、前后轴承、前后密封及 定位零件、绞刀头、前后连接套筒、及联轴器罩等几大部分组成。绞刀轴安装在 前后两个轴承上，后轴承为圆柱滚子轴承，前轴承为调心圆柱滚子轴承。两个轴 承分别安装在前后轴承座上，轴承座焊接在桥架上。后轴承与联轴器间通过0 形 密封圈和d o uc o n e 密封圈密封。o 形密封圈形成静密封，d o uc o n e 密封圈形成动 密封。前轴承与绞刀头间同样通过0 形密封圈和d o uc o n e 密封圈密封。前后轴承 座间焊接有中间连接套筒。绞刀系统工作时中间连接套筒中注满润滑油。绞刀臂 通常有左旋和右旋两种型式，绞刀外圈直径、叶刀臂数量根据绞刀功率和绞吸式 挖泥船的使用情况有关。相邻刀臂上齿位交错，最大切削角4 0 。，绞刀头的绞刀 毂上有梯形内螺纹，通过绞刀轴前端的外螺纹与轴连接。 绞刀所切削的土质，因其性质、状态多种多样，故要确定其切削阻力和所需功率 是困难的。在知道绞刀轴功率的情况下可按以下公式计算绞刀切削反作用力， f ：q ：垒z ! 三兰! ：坐翌型 ( 3 4 )，= 1 一4l 厂刀 其中： f 绞刀切削反作用力，n5 天津大学硕士学位论文第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 r 传动装置效率，取0 7 n 绞刀轴功率， k w r 绞刀最大外径， m n 绞刀转速， r m i n 3 2 2 作业时横移钢索的拉力计算 z 9 1 绞吸式挖泥船为了围绕定位点横移作业，横移绞车必须具有足够的牵引力。 以整个船舶为受力分析体，所有外力对定位点力矩应保持平衡。横移钢索拉力 可按如下公式计算 丁：鱼兰生鱼兰幺墨兰幺竺兰刍 ( 3 5 ) 厶 其中 t 横移钢索拉力，k g f q风压力，k g f 瓯 水流力，k g f c波浪力，材 f 绞刀切削反作用力，埘 丘风压力对定位点的力臂， m 乞水流力对定位点的力臂， m 厶 波浪力对定位点的力臂， i 1 1 厶 绞刀切削力对定位点的力臂， m 厶横移钢索拉力对定位点的力臂， i 1 1 3 3 挖泥船各工况受力分析 根据绞吸式挖泥船工作原理，定位桩系统根据以下几种工况分别进行分析2 5 1 。 3 3 1 横向挖泥工况 根据设计前提，取如下施工条件计算校核： 最大浪高和周期 1 o m5 秒 最大水流 2 m s 最大风速蒲式6 级( 最大1 3 8 肌s ) 挖深2 5 m 计算过程中选择风、浪、流由船艏方向来工况和风、浪、流由船侧方向来工况 1 6 天津大学硕士学位论文 第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 作为最危险工况进行计算，计算模型如下图所示。 a y 图3 1 挖泥作业时，风、浪、流由船艏方向来工况 垦垦垄! ；= ! ! 水流力，“ 一 波浪力f j ( 一 用力i 此时受力如图3 1 所示，以三锚定位系统定位点为坐标原点0 ，以船中向艏为 x 轴，以定位点向左舷方向为y 轴建立二维平面坐标系。 由式( 3 1 ) 可算得风压力 a o = 3 3 6 2 k g f 由式( 3 2 ) 可算得水流力q = 18 4 5 7 k g ( 由式( 3 3 ) 可算得波浪力 巧= 2 1 5 k g f 由式( 3 4 ) 可算得绞刀切削反作用力f = 1 6 0 8 0 k 9 7 r 根据图3 1 可知，风、流、浪由船艏来时，他们对应与0 点的力臂为0 。此时 以0 点为圆心弧形挖泥，外力对0 点力矩平衡， 由式( 3 5 ) 可算得横移钢索拉力t = 2 0 4 0 0 k g f 以上外力在x 方向的合力为t = q o4 - q w + 丘+ r c o s 6 0 。= 3 2 4 0 0 k g f 方向为x 轴负向。 在y 方向的合力为= 丁s m 6 0 。一f = 1 5 9 6 k g 厂方向为y 轴正向。 这些外力由定位桩来平衡作用于定位桩上的力f o = e 2 + c 2 = 3 2 4 3 9 k g f 天津大学硕士学位论文 第三章绞吸式挖泥船外载荷计算 定位桩影 拍阡 、，j j 。盐少 一 o 。 、圭3 蛄磷j t 铰刀切削反f 1 1 l