（轮机工程专业论文）绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化及评价方法研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得武汉理工大学或其它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。 研究生( 签名) ：董垒壹日期：巡，2 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 研究生( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 绞吸式挖泥船是现代疏浚工程中应用最为广泛的工程船舶之一，它集土质 挖掘、沙水混合、泥浆输送等疏浚工序于一体，具有较高的施工效率和良好的 适应性，主要应用于沿海、内河的港口航道建设与维护、临海工业区吹填工程、 水利防洪清淤、环境保护与改善、海洋资源开发等方面。吸扬系统是绞吸式挖 泥船的核心组成部分，长达几十千米的泥浆输送管线上布设有一台或数台大功 率离心泵，能量消耗占整个疏浚施工的8 0 9 0 ，属于典型的广域高能耗系统， 具有巨大的能量节约空间。深化研究吸扬系统内部各关键设备之间以及与疏浚 土质的动态工况匹配优化，不仅可以节能降耗、提高产泥率、降低疏浚施工成 本、优化施工管理，而且能够延长疏浚设备使用寿命和降低施工风险。 实际疏浚工程的工况复杂多变，吸扬系统的动态特性亦非常复杂，探索一 条反映水力疏浚机理、优化疏浚设备工作环境和环保节能的系统匹配方法并做 出科学准确的评价显得尤为重要。本文重点研究了泥沙的运动特性对土壤切削 模型的影响，优化了切削土壤和绞刀的匹配模型；将柴油机泥泵机组视为整体， 研究吸扬系统的功率、扭矩和转速输出特性，并以此为基础优化泥泵与输泥管 线的匹配；输泥管线的阻力损耗模型是本文研究的另一个重点，以系统比能耗 最低为优化目标，研究降低输泥能耗的影响因子和能量节点，实现泥浆输送过 程的平稳、安全和低成本运行。 一 吸扬系统的动态匹配优化可划分为土壤切削过程、泥浆混合过程和泥浆输 送过程等三级动态优化过程，涉及到诸多影响因子和评价标准，属于典型的多 级决策动态优化问题。本文利用模糊数学中多级模糊决策的动态规划方法，建 立了泥沙颗粒粉碎程度、吸入口泥沙的泄漏比、柴油机能量利用率指标、泥泵 汽蚀限制指标和输泥管线堵塞风险指标、系统比能耗等综合评价指标，并基于 疏浚机理深入分析了评价指标的影响因子，初步形成了吸扬系统匹配优化的评 价体系，利用这套评价体系可以比较科学地定量研究疏浚施工具体方案的优劣 程度，为“安全疏浚、精确疏浚、环保疏浚”提供科学依据。 论文各章内容分述如下： 第1 章阐述了绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化及评价方法的研究背 景、目的和意义，概述了绞吸式挖泥船的施工作业程序、系统构成和应用范围， 总结了绞吸式挖泥船国内外的研究热点和取得的研究成果，介绍了本课题的研 武汉理工大学硕士学位论文 究内容及论文所进行的研究工作。 第2 章详细描述了疏浚物料的基本特性，阐明了泥沙的相关基本性质和固 液两相流在管线中的流动规律，提出并分析了泥沙的沉降速度这一影响吸扬系 统匹配特性的关键参数。为课题的深入研究奠定了详实的理论基础。 第3 章作为本论文的主体部分之一，基于疏浚设备的动态特性，建立了吸 扬系统中最为关键的几个优化匹配模型，包括泥沙切削与绞刀工况参数的匹配 模型、绞刀与其电力驱动系统的匹配模型、柴油机泥泵机组与输泥管线的匹配 模型，它们构成了整个吸扬系统动态优化匹配特性的分析模型。 第4 章是本论文的另一个主体部分，针对吸扬系统疏浚工况复杂多变的特 点，利用模糊数学中多级模糊决策的动态规划方法，从泥浆形成过程、柴油机 能量供应和输泥管线的阻力损耗特点三个方面建立了吸扬系统的匹配评价指标 体系。基于这些匹配评价指标，指出了优化泥浆形成过程和降低输泥管线能量 损耗的工程途径。 第5 章概括了论文的主要研究工作和研究成果，并展望了今后的研究工作 和方向。 关键词：疏浚物料；吸扬系统；固液两相流；匹配优化；评价体系 i l 墓堡堡三盔堂堡主堂垡笙奎 l _ _ _ _ 一一 a b s t r a c t a s es o r to ft h em o s tw i d e l y - u s e ds h i p si nm o d e md r e d g i n ge n g m e e n n g , 础e fs u 改i o nd r e d g e rc & ni n t e g r a t es o i le x c a v a t i o n ，t h em i x i n go f s a n da n dw a t e r , s l u 删t r a n s p o r t a t i o nt h et h r e ew o r k i n gp l d c e s s e $ 弱a w h o l ew i t hah i g h 甜碱铋i 呵 a n dag o o da d a p t a b i l i t y , w o r k i n gi ns u c ha r e a s 觞t h eg o n s t r u c t i o na n dm 锄1 t 吼觚c e o fp o nn a v i g a t i o nc h a n n e l ，l a n dr e c l a m a t i o n f o rc o a s t a li n d u s t r yp a r k s ，f l o o dc o l l 仃0 l a n dd e s i l t i n gp r o j e c t s ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n di m p r o v e m e n ta n dt h es e a r 懿o u m 鼯d e v e l o p m e n t s u c t i o n l i f t i n gs y s t e m ，t h e g o r ep a r t so fc u t t e rs u c t i o n d r e d g e r i so fw i d ea r e ah i g he n e r g yc o n s u m p t i o ns y s t e m ，w h i c hi sf u r n i s h e dw i t h t h et r a n s p o r t a t i o np i p e l i n eu pt o d o z e n so fk i l o m e t e r sa n ds e v e r a ll a r g e - p o w e r c e l l t r i 如鲥p u m p sa n dc a nc o n s u m e s8 0 一9 0 p o w e ro f t h ea l l ，t h e r e f o r eb e i n g m u c hi m p r o v e m e n tf o re n e r g ys a v i n g d e e pr e s e a r c h o no p t i 。m i z e dm a t c m n g b 咖e d r e d g ee q u i p m e n t sa n dd y n a m i cw o r k i n gc o n d i t i o n s c a l ln o to n l yd e e r e a s e d 砌西n gc o s t ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n dw o r k i n g r i s kb u ti m p r o v ee f f i c i e n c y , p r o j e c t m a n a g e m e n ta n dt h el i f e t i m eo fd r e d g ee q u i p m e n t s i ti so fp a r a m o u n ti m p o r t a n c et ow o r ko u to n es y s t e m a t i cm a t c h i n g a n d a s s e s s mc i l _ tn l e 1 0 d ，w h i c hi sb a s e d o nh y d r a u l i cd r e d g i n gm e c h a n i s ma n dc a n 枷z ew o r k i n g c o n d i t i o n sa n dp o w e ru t i l i t y t h ef i r s to p t i m i z a t i o nm o d e lb e 锕e 饥 础e ra n ds a n dp r o p e r t i e si sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o nw i t hag o o dc o n s i d e r a t i o n 0 fm ei 胡u 铋c e0 fs 锄dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ni t sc u t t i n g a n dt h e nb a s e du p o n d u 印n fc h a r a e t e r i s t i c so ft h ep o w e r , t o r q u ea n ds p e e do fs u c t i o n - l i f t i n gs y s t e m 砌朗 d i e s e l 锄ds l u r r yp u m pu n i ti sv i e w e da saw h o l e ，t h em a t c h i n gb e t w e e ns l u r r yp u m p a i l d 仃a n s p o r t a t i o nc a nb ew e l lo p t i m i z e d r e s i s t a n c em o d e l o fs l u r r yt r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e ，a sa n o t h e rv i t a lc o n t e n t , i st oa n a l y z et h ei m p a c tf a c t o r sa n d e n e r g yn o d c s o fs l u r r yt r a n s p o r t a t i o np o w e rc o n s u m p t i o ns y s t e m ，a i m i n gt om a k e s u r ea 锄0 0 t t l ， 鼹f ea n de c o n o m i co p e r a t i o nw i t ht h el o w e s tr a t i oo fe n e r g y c o n s u m p t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h er e s e a r c ho nd y n a m i cm a t c h i n go p t i m i z a t i o n ，w h i c h 1 8a “，p i c a lm u l t i 1 e v e ld e c i s i o n m a k i n gd y n a m i c o p t i m i z a t i o np r o b l e m i n v o l v i n g c o m p l e xi m p a c tf a c t o r sa n de v a l u a t i o nc r i t e r i a , i sd i v i d e d i n t os o i lc u r i n g ，m u d m i x i i l ga n ds l u r r yd e l i v e r yt h e t h r e ep r o g r a m s w i t ht h ed y n a m i cp r o g r a m m m g i i ! 武汉理工大学硕士学位论文 m e t h o do fm u l t i - l e v e lf u z z yd e c i s i o n - m a k i n g , as e r i e so fi n d e x e ss u c ha ss m a s h d e g r e eo fs e d i m e n tp a r t i c l e s ，s a n dl e a k a g er a t i oi nt h es u c t i o np i p e l i n e , e n e r g y e f f i c i e n c y o fd i e s e l e n g i n e , s l u r r yp u m pc a v i t a t i o nl i m i tv a l u e ，t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n eb l o c k a g er i s ki n d i c a t o ra n dp o w e ru t i l i t yr a t i o ，i sc o n s t r u c t e dt of o r mt h e e v a l u a t i o nm e c h a n i s mo fs u c t i o n - l i f t i n gs y s t e m t h es y s t e mw i t hai n s i g h ti n t o d r e d g i n gm e c h a n i s m , w h i c hp r o v i d e s s o l i de v i d e n c ef o r s a f e , a c c u r a t ea n d e n v i r o n m e n t - f r i e n d l yd r e d g i n g , c a nh e l pe n g i n e e r st om a k eas c i e n t i f i ca n d q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no ns p e c i f i cp r o j e c t s t h ec o n t e n to fe a c hc h a p t e rc a nb eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c ei sd e s c r i b e di nt h ef i r s t c h a p t e r , i nw h i c ha no v e r v i e wo fo p e r a t i n gp r o c e d u r e s ，c o n f i g u r a t i o na n da p p l i c a t i o n a r e a s ，r e s e a r c hr e s u l t sa n df o c u s e so fc u t t e rs u c t i o nd r e d g e ra th o m ea n da b r o a di s i n t r o d u c e da n dt h ec o n t e n ta n dr e s e a r c hw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni sb r i e f e d t h es e c o n dc h a p t e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ep r o p e r t i e so fs a n da n dt h e l a wo fs o l i d - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w , p r e s e n t sa n da n a l y z e st h es e t t l i n gv e l o c i t yo f s a n d ，w h i c he f f e c t sm a t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l es u c t i o n l i f t i n gs y s t e ma s t h ek e y p a r a m e t e r t h i sc h a p t e rh a sl a i dad e t a i l e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n g i n - d e p t hs t u d yo ft h er e s e a r c h a so n eb o d yp a r t , c h a p t e r3e s t a b l i s h e ss e v e r a lm o s tc r i t i c a l m a t c h i n g o p t i m i z a t i o n m o d e l s o ft h e s u c t i o n - l i f t i n gs y s t e mb a s e d - o n t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fd r e d g i n ge q u i p m e n t s ，i n c l u d i n gt h em a t c h i n gm o d e lb e t w e e ns a n d c u t t i n ga n dc u t t e rw o r k i n gp a r a m e t e r s ，t h em o d e lb e t w e e nc u t t e ra n di t se l e c t r i c d r i v es y s t e m ，t h eo n eb e t w e e nd i e s e le n g i n ea n ds l u r r yp u m pu n i ta n dt h e t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e ，w h i c hc o n s t i t u t et h ea n a l y s i sm o d e lo fs u c t i o n - l i f t i n gs y s t e m m a t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e r4 ，t h eo t h e rb o d yp a r t ，s u g g e s t st h em u l t i l e v e ld y n a m i cp r o g r a m m i n g m e t h o df o rf u z z yd e c i s i o no nm a t c h i n go p t i m i z a t i o no fs u c t i o n l i f t i n g s y s t e m c o n s i d e r i n gc o m p l e xa n dv o l a t i l ed r e d g i n gc o n d i t i o n s i nt e r m so ft h et h r e ea s p e c t s a s s l u r r y f o r m a t i o np r o c e s s ，p o w e rs u p p l yo fd i e s e l e n g i n ea n de n e r g yl o s s c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e , m a t c h i n gi n d e x e se v a l u a t i o ns y s t e mo f s u c t i o n - l i f t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i sc h a p t e r i np r a c t i c a ld r e d g i n gp r o j e c t s ，i t i sb e n e f i c i a lf o re n g i n e e r st of i g u r eo u tac o n s t r u c t i o np l a nb a s e du p o nt h ea b o v e i v 武汉理工大学硕士学位论文 i n d e x e s ，w h i c he a r lo p t i m i z es l u r r yf o r m a t i o np r o c e s sa n de n e r g yu t i l i t yo ft h e t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e t h el a s tc h a p t e r , c h a p t e r5 ，s u n n n a r i z e st h er e s e a r c h , t h er e l a t i v er e s u l t sa n dt h e p r o s p e c t so f r e s e a r c h e si nd a y st oc o m e k e yw o r d s ：d r e d g e dm a t e r i a l s ；s u c t i o n - l i f t i n gs y s t e m ；s o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ； m a t c h i n go p t i m i z a t i o n ；e v a l u a t i o ns y s t e m v 武汉理工大学硕士学位论文 目次 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景、目的和意义1 1 1 1 课题的研究背景1 1 1 2 课题的目的和意义3 1 2 绞吸式挖泥船疏浚施工概述。3 1 2 1 绞吸式挖泥船施工方法及程序3 1 2 2 绞吸式挖泥船生产率的影响因素及计算方法5 1 3 绞吸式挖泥船的系统构成和应用范围。7 1 3 1 绞吸式挖泥船的系统组成7 1 3 2 绞吸式挖泥船的工作原理及应用范围j9 1 4 绞吸式挖泥船的研究成果和国内外的研究热点1 0 1 5 本文研究的主要内容1 2 第2 章疏浚工质的性质和固液两相流运动描述1 3 2 1 引言1 3 2 2 疏浚物料特性1 3 2 2 1 疏浚物料的基本特性。，一一一一，一1 3 2 2 2 固体颗粒与水混合物的构成1 4 2 3 泥沙理论1 5 2 3 1 泥沙基本性质1 5 2 3 2 浑水基本性质1 6 2 3 3 泥沙的沉降速度1 7 2 4 管道中的固液两相流1 8 2 4 1 管路中泥沙运动的形式及流区的划分1 8 2 4 2 匀质浆液在管路中的运动1 9 2 5 本章小结2 3 第3 章吸扬系统动态优化匹配模型建立及特性分析2 4 3 1 引言2 4 3 2 泥沙切削与绞刀工况参数的匹配模型2 5 v l 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 土壤切削的力学模型2 5 3 2 2 基于水饱和沙模型的绞刀切削特性分析2 6 3 3 绞刀与其电力驱动系统的匹配模型3 6 3 3 1 绞刀电动机的基本方程式3 6 3 3 2 绞刀驱动电动机的机械特性3 7 3 3 3 绞刀电动机的匹配工作点3 9 3 4 柴油机驱动下的泥泵与输泥管线的匹配模型4 0 3 4 1 柴油机泥泵机组的能量匹配优化4 0 3 4 2 泥泵与输泥管线的匹配优化4 4 3 5 本章小结5 l 第4 章吸扬系统匹配评价体系的构成5 2 4 1 引言5 2 4 2 模糊数学在吸扬系统匹配模型中的应用5 3 4 2 1 模糊综合评价的数学模型5 3 4 2 2 多级模糊决策的动态规划方法5 5 4 3 吸扬系统匹配评价指标的建立5 7 4 3 1 泥浆形成过程的匹配指标5 7 4 3 2 柴油机泥泵机组的匹配指标5 9 4 3 3 泥浆输送管线堵塞风险指标6 1 4 4 吸扬系统匹配优化的途径一j i ；一；i ；一i j 一一；6 3 4 4 1 泥浆形成过程的匹配优化途径6 3 4 4 2 泥浆输送管线的匹配优化途径6 5 4 5 本章小结6 7 第5 章总结与展望6 8 5 1 论文总结6 8 5 2 工作展望6 8 致谢7 0 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作7 4 v u 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 1 1 1 课题的研究背景 利用人力、水力、或机械的方法，为拓宽、加深水域而进行的水下土石方 开挖并进行输移处理的工程措施称为疏浚工程【i 】。随着时代的进步和疏浚科技 的发展，疏浚业不仅在传统的沿海、内河的港口航道建设与维护及水利防洪、 库区清淤方面发挥着巨大作用，而且在临海和临港工业区建设、水域生态保护 和海洋资源开发等新的领域亦大有可为 2 1 。特别是进入2 1 世纪以来，中国的社 会进步、经济发展和水域环境改善对疏浚工程提出了更多更新的要求。面对国 内外疏浚业的严峻挑战和发展机遇，中国疏浚界更要持续提高疏浚施工能力、 更新疏浚技术、加大对疏浚设备尤其是疏浚过程系统集成化技术的研发力度。 疏浚的对象是河流或海湾水底处于连续的有规律的运动之中的泥沙。加深 对疏浚对象运动特性及规律的认识，对高效、有序、低耗完成疏浚工程，特别 是维护性疏浚工程有着十分重要的作用。近百年来，在野外勘测及室内测试技 术发展的基础上，河流、海岸动力学在理论上得到了重大突破，疏浚界对河流、 河口、海岸水动力结构及演变规律、年冲淤规律的认识大大深化。掌握这些科 学成果及自然规律并应用于疏浚施工，以最少的土方、最低的物耗达到同样的 开挖水深和维护水深，这就是优化疏浚【3 l 。依据水流动力条件及泥沙运动规律， 正确选择水上抛泥区及施工工艺，可大大减少挖槽回淤量，减少疏浚土扩散对 水域环境的影响；利用管道中高浓度细颗粒泥沙运动机理，可提高陆上输泥系 统及绞吸式挖泥船水力输泥的效率，可提高耙吸式挖泥船的进舱泥浆浓度；利 用年冲淤特性，可对基建性挖槽及维护性工程在船舶数量、进点时间及空间分 布上做出最经济的组合；利用河床演变规律及底砂运动方向准确选择挖槽轴向； 制定维护方法，选择维护工艺等等，这些优化疏浚的措施对降低疏浚费用作用 重大。 当代疏浚设备是众多高科技物化的产物，当代疏浚工程技术是涉及专业面 很广的高技术的系统工程，其生产效率和经济效益绝非个人经验和技能的高低 所能控制。若勘察工作不完整，疏浚对象不清，疏浚设备选择不当或匹配不当， 施工工艺、方法有误，施工组织不善，安全措施不力，就很难达到“高效、有序、 武汉理工大学硕士学位论文 低耗”的疏浚目标。现时代疏浚工程的生产效率及经济效益决定于疏浚队伍( 管 理及施工) 群体技术素质的高低，以及各疏浚环节之间、管理及施工之间匹配 的程度。 绞吸式挖泥船属于水力式挖泥船中最普遍的一种，也是当前疏浚市场最活 跃的挖泥船。它将挖掘、输送、排出和抛泥处理等疏浚工序一次完成，能够在 施工中不间断地连续作业，其基本工作原理比较简单，在挖泥船上安装离心式 泥泵，泥泵产生一定的真空，把绞刀挖掘、粉碎所得的泥浆经吸入管吸入、提 升，再通过船上输泥管排至抛泥区。 在吸泥管的入口端，安装有旋转式的特制绞刀装置。它以机械动力来切削 和搅拌水下土层的泥沙，使更多泥沙随水流经吸泥管吸入，从而增加泥浆浓度， 提高挖泥船生产率，并大大扩大挖掘物料的范围。 大多数绞吸式挖泥船都安装有定位钢桩和钢桩的起落装置，用于施工作业 中的定位、浮体的横移摆动和纵向前移等。 现时代绞吸式挖泥船正向大型化、标准化、智能化和多功能化方向发展。 大型绞吸式挖泥船的发展很快，一批装机总功率超过一万千瓦的挖泥船纷纷进 入疏浚市场。在标准化系列化方面，形成了以荷兰i h c 海狸型系列、美国艾利 考特公司的“龙”和“超级龙”系列以及德国o & k 公司的标准系列为代表的标准 绞吸式挖泥船，与此配套的泥泵、绞刀等挖泥装置都趋向标准化系列化。此外， 为了克服运输条件的限制，疏浚界开始研制开发组合式绞吸挖泥船，可以将其 拆整为零，可以通过水路、公路、铁路等多种运输方式将挖泥船运达目的地。 这种绞吸式挖泥船用途广泛：可承担各种泥土的搬运工程，如陆域吹填，砂石 料开采，航道改善新建，工业上运输等。当使用者先要求挖掘一定深度和宽度 的航道，而后又要求移至它处挖掘更深、更宽的航道时，组合式挖泥船显示了 很大的优越性，使用者只需根据要求购买几个浮箱和不同尺度的桥架，按需要 组装，就可得到更大的绞吸式挖泥船。 吸扬系统作为绞吸式挖泥船的最核心系统，包括切削土壤的绞刀装置及其 驱动系统、吸入管部分、泥泵及其动力提供系统和排泥管线。根据远程输泥方 式的不同，还包括接力泵站部分或加气装置部分。从能耗角度而言，吸扬系统 耗能占整个疏浚施工系统的8 0 0 0 9 0 。所以为了提高挖泥产量，凸显经济效益， 就必然要求有目的地降低能耗，提高疏浚效率。面对疏浚工况极为复杂的施工 现场，疏浚设备之间良好的匹配成为一种降低系统比能耗的有效途径。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题的目的和意义 “绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化和评价方法”课题着眼于疏浚机理， 系统阐述了泥土切削和泥浆输送两大作业过程，给出了量化的匹配优化方法和 评价指标，可以有效地指导疏浚工程阿优化作业。 本论文建立了土壤切削的力学模型，并以水饱和沙为疏浚对象，着重分析 了绞刀的切削特性，有助于从理论上分析得出最佳的切削力和绞刀转速，满足 吸入口对泥沙粉碎程度和泥沙泄漏比的有效控制。 本论文建立了完善的泥泵与管路系统的匹配模型，通过此模型，可以了解 泥泵与管路的工作特性以及它们之间的匹配关系，同时也可以熟悉不同的疏浚 作业对象在施工过程中对泥泵系统工况参数的影响。 绞刀及其电力拖动、泥泵及其柴油机驱动、管路阻力计算等均在本论文得 到了详细的描述，可以有效地指导疏浚设备的设计和研制工作。设计人员可以 根据不同土质在典型工况下的疏浚特性，调整疏浚设备的设计参数，动态选型， 估算设备之间的匹配效果，并进行优化组合，设计出更加“节能、高效、环保” 的疏浚设备。 本课题旨在帮助疏浚旌工人员更加有效、科学地参与疏浚作业，在熟悉疏 浚作业过程的基础上，科学制定疏浚施工方案，优化作业过程，准确估算疏浚 产量，及时评价疏浚效率。此外，能够为疏浚工程项目的科学论证提供参考， 科学、合理、优化的匹配有助于提高疏浚效率、控制工程成本、合理缩短施工 工期。 1 2 绞吸式挖泥船疏浚施工概述。 1 2 1 绞吸式挖泥船施工方法及程序 绞吸式挖泥船吹填施工时，吹填土由取土区经挖、运、卸三道工序连续作 业直接到吹填区，施工效率高，成本低，适用于土源比较近，工程量大的吹填 工程。其施工的一般方法和程序可以由下页图表示。 绞吸挖泥船正式施工之前的准备工作( 疏浚界称之为开工展布) 一般包括 船位设定、抛锚、架接排泥管线等。通常而言，绞吸式挖泥船多采用横挖法施 工，顺流、逆流、分段、分层挖泥。利用一根钢桩为摆动中心，左右边锚配合 控制横移和前移挖泥。按其采用定位装置不同，可分为对称钢桩横挖法、定位 台车横挖法、三缆定位横挖法和锚缆横挖法等【3 】。 武汉理工大学硕士学位论文 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 绞吸式挖泥船生产率的影响因素及计算方法 绞吸式挖泥船施工时，不考虑工间停歇时间，其生产率可由下式计算得出： 矽= q p = ( 詈d 2 v ) p ( 1 1 ) 其中，形一生产率( m 3 h ) ，未经折减停止绞吸的时间影响； q - 泥浆平均流量( m 3 h ) ； p 一泥浆浓度( ) ； d 排泥管直径( m ) ； y 一泥浆平均流速( m h ) 。 泥浆浓度尸可由下式给出： p = ( 以一7 。) “以一7 ，) ( 1 一占) ( 1 - 2 ) 其中，y 。一泥浆比重； 九水的比重； 7 。一泥沙的比重； 占一泥沙孔隙率。 可以看出，提高生产率的措施，只有通过增加泥泵功率、提高泥浆浓度来 实现，其中泥浆浓度的提高通常和绞刀功率有密切的关系，因此，绞吸式挖泥 船的理论生产率取决于泥泵和绞刀二者的机械条件，以及二者的协调情况。 影响绞吸式挖泥船生产率的主要因素有： ( 1 ) 绞刀功率 各种不同硬度的疏浚土，均需一定的切削力才能使其粉碎，若绞刀 功率偏小，在绞切硬土质时就不可能提供高浓度泥浆。 ( 2 ) 泥泵功率 泥泵功率的大小直接决定泥泵流量和扬程( 吸、排总水头) 。 ( 3 ) 工作挖深 工作挖深反映了绞刀桥架的下放深度，若实际挖深超过了挖泥船的 最大挖深，挖泥船无法正常施工作业。挖泥船都有一个较为合理的 正常挖深，实际工作挖深越接近它效率越高。若工作挖深偏离正常 挖较大时，绞刀绞切土壤的有效范围会明显减少，从而影响泥浆浓度。 ( 4 ) 泥层厚度 泥层厚度通常反映了绞刀工作面的高度，绞刀绞切工作面的最佳高 5 武汉理工大学硕士学位论文 度，随土壤的种类和绞刀直径而变化。对颗粒状土壤，其绞刀工作 面必须有足够的高度，才能使泥土进入绞刀头，因此只有当泥层厚 度小于最小绞切高度时，生产率才会减小。最小绞切工作面高度可 由下式估算： 曲= 2 1 见 ( 1 - 3 ) 其中，j i l 血绞切工作面最小高度( m ) ； d 。吸泥管直径( m ) 。 当绞刀功率和泥泵功率一定时，在施工过程中，泥浆排距和疏浚土质的改 变同样会直接影响绞吸式挖泥船的生产率。 考虑到挖泥船定位桩边锚的前移等所延误的损失，则绞吸式挖泥船可能达 到的最大生产率由下式计算： = f o w ( 1 - 4 ) 其中，l 一移定位桩延迟系数，由下式给出： f p2 了哥 “5 ) 1 + ，- h p b 其中，t p 一定位桩前移所需时间，一般f p = o 0 5 h = 3 m i n ； h 妮层的平均厚度； p 一各定位桩前移的平均距离，p = ( 1 o 6 o ) 见，土质较硬时取较小值； b 挖槽宽度，b = 2 0 9 0m ，取决于挖泥船的尺寸； 无移边锚延迟系数，由下式给出： 2 啊1 万 1 6 ) l + _ l 三 h 口b 其中，f 。一移边锚所需时间，一般取t 。= 0 3 3 h - - - 2 0 m i n ； a 一边锚前移平均距离，一般取a = 5 0 1 0 0m ，取决于挖泥船的尺寸。 注：上述计算均未考虑移动水上或陆上的排泥管线所造成的延迟时间，假 定此项工作是在非生产时间内完成的。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 绞吸式挖泥船的系统构成和应用范围。 1 3 1 绞吸式挖泥船的系统组成 绞吸式挖泥船的子系统主要包括绞刀系统、泥泵系统、横移系统和定位系 统。其中前两项统称为吸扬系统。 绞刀系统是指绞吸式挖泥船的土壤切削和挖掘系统，包括： 1 ) 绞刀：在动力装置的驱动下旋转切削土层，并使切削分离后的土层变形 破碎与水混合形成泥浆，通过吸泥口、吸泥管进入泥泵。结构分为开式与闭式 两种。 2 ) 绞刀桥架：一般为钢架结构，安装在船艏中部。其上安装有绞刀动力装 置以及减速传递系统、绞刀及吸泥管。 3 ) 吸泥管：安装在绞刀桥架内部，在泥泵产生的真空作用下，完成自吸泥 口至泥泵的泥浆输送任务。为适应绞刀桥架以与船体铰接耳轴为圆心的旋转下 落，吸泥管后半部中有长1 5 m 左右的胶管，其余为焊接钢管。 4 ) 绞刀桥架起落装置：由绞车、支架、滑轮组、牵引钢丝绳组成。牵引钢 丝绳与起落绞车滚筒相连，控制绞车的正转、反转和停止，对应桥架的起升、 下落和停止。桥架的起落，调节了绞刀的开挖深度。 5 ) 绞刀动力装置：旧船型多采用电动机，新船型_ 般为液压泵。 泥泵系统是整个水力输送装置的关键环节，包括： 1 ) 泥泵：一般绞吸式挖泥船上安装的泥泵多为大流量、中扬程的离心式泵， 在主机带动下从吸泥口吸取泥浆、产生一定的压力和流速后将泥浆经排泥管送 至排泥场。 2 ) 主机：为大功率的柴油机，通过输出端带动泥泵运转。中小型挖泥船一 般为一台柴油机，大型挖泥船为增加泥泵的动力，通常由两台柴油机串联协同 作业。 3 ) 齿轮箱：对主机起减速加力作用，安装在泥泵与主机之间。 4 ) 排泥管：指船体上的一段，均为钢管，前段连接泥泵，在船尾部通过一 个可转动的活动接头( 称为鹅颈管) 与水上排泥管线相连。 横移装置系统的作用是在施工中使绞吸式挖泥船完成左右摆动的挖宽目 的。分为左、右两套系统，分布在船艏两侧对称位置上，称为左横移、右横移。 由以下部分组成： 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 横移绞车：通过船上工作人员的操作，横移绞车产生正转或反转，对横 移缆起收放作用。当欲使挖泥船向一侧摆动时，收紧该侧的横移缆，放松另一 侧的缆绳；反之亦然。 2 ) 横移缆：为钢丝绳，一端通过水下导向滑轮与横移绞车相连，另一端与 横移锚相连。长度约为船体长度的3 倍左右，且必须为一整根，以便于通过水 下滑轮和进入横移绞车。 3 ) 导向滑轮：连接在绞刀桥架上，对横移缆起变向作用。 4 ) 横移锚：抛放在开挖断面以外，作为横移缆的固定支撑点。如长度允许， 可稍远一些，这样可较远控制挖泥船的前移距离。横移锚通过锚艇或抛锚扒杆 抛设。当挖泥船两侧水域较浅不能抛锚时，可在岸上埋放地锚充当固定支撑点。 5 ) 抛锚扒杆：常见于新型绞吸式挖泥船上，安装在船艏两侧。操作人员在 驾驶台完成抛设横移锚的工作，减少了锚艇的工作量和船员的劳动强度。 绞吸式挖泥船是一种点挖式的挖泥船，它的横移和前移依靠定位系统来实 现，主要包括： 1 ) 定位桩：为一钢板卷制成筒状的构件，最下端呈锥形，外形相似于一支 铅笔，故又称铅笔桩。底部一般均灌注石块或铁块，以降低重心。 绞吸式挖泥船均配备两根定位桩。施工时，主桩位于开挖中心线上并保持 插入状态，副桩保持悬空状态。当需要挖泥船前移、改变绞刀的纵向切削土层 时，主副桩交替下落。严禁两根定位桩同时下落进行施工生产或抗风。 新型挖泥船一般装配定位桩台车装置，主桩安装在一个由液压油缸推动、 可相对船体作短距离前后移动的台车上，作用是大大减少了换桩的时间，提高 了生产效率。 2 ) 定位桩抱箍：安装在船体尾部，与船体焊接。对定位桩起限制、固定作 用，保证定位桩只能相对船体作上下垂直起落动作。 3 ) 定位桩起落装置：指使定位桩完成起落动作并予以悬吊的装置，是绞吸 式挖泥船挖泥作业的必备装置。一种是由门架、起落绞车配合以起落牵引钢丝 绳，起负重和下落定位桩作用的装置。因牵引钢丝绳位于定位桩的顶部，故称 为顶提式定位桩，常见于老船型；一种是由液压油缸中柱塞的提升、支撑固定 和降落动作的装置。因定位桩牵引钢丝绳在定位桩中部实施起落动作，故称为 项升式定位桩，常见于新船型。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 绞吸式挖泥船的工作原理及应用范围 绞吸式挖泥船的工作原理比较简单，即挖泥机械借助于水的运动挖掘及输 送转移水下土方。它将水下土层经过机械切割使之松动，使泥沙与水混合形成 一定浓度