（轮机工程专业论文）绞吸式挖泥船绞刀结构与性能优化的研究.pdf

独创性声明 i ili丫llllillliidlli11iii7113ii。iii11l 本人声明，所呈交的论文是本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。 签名 ：丝埠豳弓日 学位论文使用授权书 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签卅、西 釉扛尹期叶啼日 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 绞吸式挖泥船是一种常用的疏浚设备，绞刀是其挖掘水下泥土的核心部件。 绞刀的设计及受力分析计算有两种方法：一种方法是对切削过程进行真实分析， 其中涉及的参数较多，受力复杂，运算繁琐，很少应用于实际生产制造当中。 另一种方法是应用简单的经验公式，将作用在绞刀上的力预估出来，但取值过 于粗略，且无理论依据。当前大多设计公司依据经验公式，在参考国际标准基 础上，结合实际经验，按照最大强度进行设计制造绞刀的。 本文将水饱和沙的二维平板切削理论应用于绞刀切削过程进行受力分析， 从绞刀的三维造型入手，以球锥状绞刀为例，创建了绞刀模型，应用有限元软 件进一步可视化分析其受力情况。论文的主要内容概括为以下几点： ( 1 ) 结合二维切削理论建立绞刀数学模型，通过受力分析，分析切削过程 中切削层厚度、刀臂有效宽度、切削系数的变化趋势，比较切削参数的变化引 起切削能力的变化，计算得出绞刀设计制造时应该选择比较理想的包角、切削 角大小等，选择较优结构。 ( 2 ) 依据绞吸式挖泥船绞刀的参数，在p r o e 中建立一定工况下球锥状绞 刀( 无齿) 的物理模型；并在此基础上加齿，完善物理模型。 ( 3 ) 实现三维齿式绞刀模型转换，导入有限元软件，划分网格，加载和分 析；分析计算绞刀切削过程中其结构承受的载荷情况i - 最后进一步可视化分析 其受力情况，分析计算结果是合理可信的。 关键词：吸式挖泥船；绞刀刀臂；切削过程；二维切削理论；载荷 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u t t e rs u c t i o nd r e d g e rd r e d g i n gi sad r e d g i n gt o o lw h i c hi sc o m m o n l yu s e d ， c u t t e ri st h ec o r ec o m p o n e n tw h e ni t ，0 l | k s d e s i g na n da n a l y s i so ft h er e a m e rc u t t e r f o r c ec a l c u l a t i o nh a v et w om e t h o d s t h ef i r s tm e t h o di st h ea n a l y s i so ft h er e a l c u t t i n gp r o c e s s ，i tw i l lb ei n v o l v e di nm o r ec o m p l e xs t r e s sa n dp a r a m e t e r s ，w h i c h i n e v i t a b l yw i l lb s et h ea p p r o p r i a t em e t h o do fa p p r o x i m a t i o n ，s i m p l i f yc a l c u l a t i o n m o d e l ，o p e r a t i o nc u m b e r s o m ea n dr a r e l yu s e di na c t u a lp r o d u c t i o n t h eo t h e rw a yi s as i m p l ee m p i r i c a lf o r m u l a , e s t i m a t et h ee f f e c to ff o r c eo nt h ec u t t e r b u tt h ev a l u e s a l et o or o u g h ，a n dh a v en ot h e o r e t i c a lb a s i s c u r r e n t l y , m o s to ft h ed e s i g n e rb a s i so f e m p i r i c a lf o r m u l a , i nr e f e r e n c et oi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h e c u r e rk n i f e ，c o m b i n e dw i mm o r ep r a c t i c a le x p e r i e n c e , a c c o r d i n gt ot h es t r e n g t ho f t h el a r g e s td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g t h ea r t i c l ea b o u tw a t e rs a t u r a t e dw i t ht h ef l a to ft w od i m e n s i o n a lc u t t i n gt h e o r y a p p l i e dt ot h eg a l l o w so ft h ea n a l y s i sa n df r o mt h e3 - dg r a p h i c so ft h ek n i f e ，h o o d e d t ot h ee x e c u t i o no fak n i f ef o re x a m p l e ，c r e a t eam o d e l ，t h eu s eo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s f u r t h e rv i s u a li t sf o r c e t h em a i nc o n t e n t ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ：。 ( 1 ) a u t h o rc o m b i n e2 dc u r i n gt h e o r yb u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o ni n t h ec o u r s eo fc u r i n gb l a d et h i c k n e s sa n dc u t t i n gt h e e f f e c t i v ew i d t h , c u t t i n go ft r e n d s ，c o m p a r i s o nt h ec h a n g eo fc u t t i n gp a r a m e t e r s c h a n g e sc u r i n ga b i l i t y , r e a m e rd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc a l c u l a t e di d e a lp a c k a g e s h o u l db es e l e c t e da n g l e ，c u r i n ga n g l es i z e a tl a s tc h o o s et h eo p t i m u ms t r u c t u r e ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so fc u r e r , c r e a t et h eo p t i m a lc u r e rc e r t a i n c o n d i t i o n s ( n ot e e t h ) o ft h ep h y s i c a lm o d e l ( w i t h o u tt e e t h ) i nt h ep r o es o f t w a r e ； i n c r e a s et e e t ho nt h i sb a s i s ，a n di m p r o v et h ep h y s i c a lm o d e l ( 3 ) r e a l i z et h et r a n s f o r m a t i o no ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lt o o t hc u t t e rm o d e l ， i m p o r tt h es o f t w a r e , m e s h i n gl o a d i n ga n da n a l y z i n g ；a n a l y s ea n dc a l c u l a t et h el o a d s i t u a t i o nt h a tc u t t e rs t r u c t u r ew i t h s t a n d f i n a l l y , v i s u a la n a l y s i ss h o u l db ef u r t h e r h 武汉理工大学硕士学位论文 a f f e c t e db yt h e 硒r c e ；a n dt h er e s u l t st h a ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r er e a s o n a b l ea n d c r e d i b l e k e y w o r d s ：c u t t e r - s u c t i o nd r e d g e ；c u t t e rk n i f ea n n ；c u t t i n gp r o c e s s ； t w o d i m e n s i o n a lc u t t i n gt h e o r y ；l o a d l l i ， j 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景和研究意义1 1 2 疏浚概述及国内疏浚设备的发展l 1 2 1 疏浚概述l 1 2 2 国内疏浚设备的发展3 1 3 中国疏浚市场的需求5 1 3 1 沿海港口航道建设与维护5 1 3 2 内河的港口、航道建设与维护6 1 3 3 临海工业区建设与沿海城市发展6 1 3 4 河道、湖泊和库区疏浚清淤市场7 1 3 5 环境保护和改善一7 1 3 6 海洋资源开发7 1 4 国内外挖泥船绞刀研发现状8 1 5 本文研究的主要内容和研究方法9 第2 章绞刀三维造型1 1 2 1 绞刀的材料1l 2 2 绞刀的结构和分类1 1 2 2 1 绞刀的结构1 1 2 2 2 绞刀的分类1 2 2 3 绞刀选择及土质类型l3 2 4 绞刀的拆卸和养护1 4 2 4 1 绞刀的拆卸1 4 2 4 2 绞刀的养护15 2 5p r o e 软件介绍及功能l5 2 5 1p r o e 的概述15 2 5 2p r o e 的特点和优势1 6 2 5 3p r o e 软件的主要功能1 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 基于p r o e 的绞刀三维造型18 2 6 1 数学方程式方法l8 2 6 2 刀臂曲面造型2 l 2 6 3 绞刀其余部分的造型2 2 2 6 4 齿式绞刀造型2 3 2 7 本章小结2 3 第3 章二维切削理论2 4 3 1 二维切削理论简述2 4 3 1 1 水饱和沙的数学模型2 4 3 1 2 力的平衡方程2 7 3 2 绞刀切削过程分析2 9 3 2 1 切削过程2 9 3 2 2 正刀切削与反刀切削3 l 3 3 本章小结3 l 第4 章切削载荷计算与参数优化一3 2 4 1 经验值算法3 2 4 2 切削理论算法3 3 4 3 影响切削力的因素3 4 4 3 1 切削速度琢一。“。“。“。3 4 4 3 2 切削层厚度h 卜3 5 4 3 3 土质特性系数3 6 4 3 4 刀臂的有效宽度3 6 4 3 5 切削系数c l 与c 3 7 4 4 球锥形绞刀切削力计算3 9 4 4 1 对包角的计算3 9 4 4 2 切削角口的影响4 1 4 4 3 剪切角的影响4 3 4 4 4 切削力的计算4 3 4 5 绞刀片大角度切削水饱和沙的力学模型4 5 4 6 本章小结4 7 v 一 ，= 一 ( 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章绞刀应力状态与结构分析4 8 5 1a n s y s 软件的分析功能4 8 5 2 有限元模型的建立5 0 5 2 1p r o e 及a n s y s 的数据转换 5 0 5 2 2 建立绞刀模型5 l 5 3 齿式绞刀头的应力分析5 2 5 3 1 划分网格5 3 5 3 2 施加载荷一5 5 5 3 3 结果分析及优化措施5 6 5 4 本章小结5 9 第6 章总结与展望6 l 6 1 总结6 1 6 2 展望6 1 参考文献6 3 致谢6 6 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 攻读硕士学位期间参加的相关项目6 7 v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 绞刀是绞吸式挖泥船的核心挖掘部件，对切削系统乃至整船运行效率都十 分重要。绞刀是绞吸式挖泥船上专门用来绞松土壤的工具，它的主体由铸钢的 绞刀架和锰钢的螺旋型绞刀片构成。绞刀片可采用铆接或焊接的方法连接到绞 刀架上，绞刀片长期使用受到磨损后可以更换。 对于设计绞刀及受力的分析计算，一种方法是通过对切削过程进行真实分 析，其过程涉及的参数较多，受力复杂，这就不可避免采用适当的近似方法， 对计算模型进行简化：运算繁琐，很少应用于实际的生产制造中。而另一种方 法则是通过简单的经验公式，将作用在绞刀上的力预估出来，但取值都过于粗 略，且无理论依据。 目前，很多设计公司在参考国际的标准基础上依据经验公式，结合实际经验， 按照最大的强度进行设计制造绞刀。绞刀头在设计与使用的过程中主要存在的 问题有：( 1 ) 刀齿及刀臂的材料。刀臂及刀齿一般为耐磨的合金钢或锰钢等所制， 需要开发新的材料，或者优化绞刀的制作工艺。( 2 ) 绞刀头空间结构对切削效率 的影响。力求结构简单，制造、装拆方便，寿命长，磨损后修复方便。( 3 ) 绞刀 功率有待提高，降低开挖费用。然而，上述诸问题往往是互相制约的，设计中 不得不依据具体条件而有所取舍，所以应该从最主要的要素考虑起，一步步地 完善。在激烈的市场竞争条件下，目前世界各大疏浚公司及疏浚技术产品设计 开发公司，不断地建立和更换设计理念，以推出新的技术产品。 本文应用二维切削理论，借助相关的有限元工具，准确地计算出绞刀切削 角、剪切角的取值范围对受力的影响，然后选择较为合理的空间形状进行建模， 进一步分析可视化分析其受力情况，在设计绞刀时应该力求用较小的切削力获 得较高的生产率。 1 2 疏浚概述及国内疏浚设备的发展 1 2 1 疏浚概述 疏浚既是一种古老的技术，又是- 1 7 较年轻的科学。涉及人类原始疏浚技 术的遗迹已在许多地方被发现，其年代可以追溯到公元前。随着工业革命的兴 武汉理工大学硕士学位论文 起，许多工艺上升为科学，人们对疏浚作业也进行了更多的科学分析。随着大 型疏浚机械的发展，能通过疏浚来进行的工程项目在范围与复杂性上均相应地 扩大了。 疏浚业涉及沿海内河的港口航道建设与维护，临海工业区建设与沿海城 市发展，水利防洪清淤以及环境保护和改善等多方面。随着国内港口建设投入 的加大，未来国内疏浚市场容量巨大。疏浚的主要目的是挖深河流或海湾的浅 段，以提高航道通航或排洪能力；开挖港池、进港航道等以兴建码头及港区。 从狭义上讲，疏浚可定义为采用人力、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输移处理的过程。从广义上讲，疏浚本身不是一 种目的，而是为达到某种目的而实施的过程，在这个过程中，疏浚改变或改善 了作业区状况，使之更符合人们的某种期望【l 】。 今天，不同类型挖泥船的疏浚目的是为了获得下列五种结果中的某一种或某 几种结梨z 】： ( 1 ) 开挖凹槽( 或清除物料) 建筑：兴建新的港口、港池、进港航道和运河，开挖基槽和开挖铺设管道 的沟槽。 航运：加深港口、航道和河道，排除诸如顽石、石脊和暗沙之类的障碍物。 维护：挖去港口、航道及河道内淤积的泥沙，挖深淤浅的湖泊。 其他：改变海底等深线以改善波浪条件，在沉船周围挖坑使其沉入海底等。 - 一( 2 ) 填补凹坑( 或堆置物料) - 一 建筑：开拓或扩大港口、工业、农业以及道路等用地的面积，为防波堤、 沉箱和管道的基础进行回填。 海岸防护：构筑堤坝和人工滩地，人工加沙养护海滩等。 ( 3 ) 替换物料 建筑：挖去不适宜支承基础的底质，并代之以适宜的物料。 ( 4 ) 获取物料 建筑：获取混凝土或者其他用途所需的骨料、砾石和砂子。 采矿：从海底或河底挖取矿产等。 ( 5 ) 回收物料 采矿：挖掘、精选和堆置含矿物质或矿石( 金、锡等) 。 环境保护：挖掘、搬运有害物质以及将矿渣之类的物料置入堆积池和已被 污染的湖泊等处中。 2 武汉理工大学硕士学位论文 浮 图1 - 1 挖泥船结构图 1 2 2 国内疏浚设备的发展 中国疏浚设备发展是采用两条腿走路的方式，一方面向国外购买先进的大 型装备，另一方面倾力打造国产大型装备。进入新世纪以来，为积极应对国内 外疏浚市场的严峻挑战，我国着手研究开发大型耙吸船和大型绞吸船，创出了 一条“引进、消化、吸收，再创新 的高科技平台和低成本扩张相结合的装备 之路。 2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年剐2 1 ，首创“货改耙”的途径相继完成三艘1 3 0 0 0m 3 大型耙吸 船( 新海象、新海鲸、新海狮) 的改装设计；2 0 0 5 年建造了国内首艘具有自主知 识产权的大型耙吸挖泥船1 3 5 0 0m 3 “新海虎 ；2 0 0 6 年建造了装机功率1 4 4 8 5 k w 大型绞吸挖泥船；2 0 0 8 年建成目前国内舱容最大的1 6 8 8 8m 3 大型自航耙吸式 挖泥船“新海风”；2 0 0 9 年建成目前国内装机功率最大的1 9 8 0 0k w 的大型自航 绞吸挖泥船“天鲸 。 中船集团七0 八所与上海交通大学是我国疏浚设备科研、设计的主力。广州 文冲船厂承建了多艘大型的耙吸挖泥船，而南通港闸船厂承担了多艘大中型绞 吸挖泥船，其他众多船厂承建了大量中小型挖泥船。 就综合实力而言，疏浚技术相对落后，效率较低，成本较高；基础研究和 应用研究尚未形成体系，专业人才匮乏，自主创新能力还不强，自主创新的技 术和产品较少。 2 0 0 4 年前我国的2 0 0 0m 3 h 以上的大型绞吸挖泥船全依靠整船进口，价格较 3 武汉理工大学硕士学位论文 高，维修困难，严重制约了我国疏浚业的发展。2 0 0 5 年，中国自主设计建造了 2 5 0 0m 3 h 航绞2 0 0 1 ，锻炼了设计建造队伍。 2 0 0 6 年，首艘国产3 5 0 0 m v h “新海鳄交付使用，标志着国内由原先的中 小挖泥船设计建造进入了大型先进挖泥船建造的新阶段，实现了第一步跨越。 目前已设计、建造的大型绞吸挖泥船已形成由2 0 0 0 、2 5 0 0 、3 0 0 0 、3 5 0 0 、4 0 0 0 、 4 5 0 0m 3 h 等组成的完整系列，能适应不同需求。 2 0 1 0 年，随着中国绞吸船旗舰、自航绞吸挖泥船“天鲸号 的下水交付使 用，实现了第二次跨越。由中国和德国v o s t a l m g 公司联合设计的“天鲸号 船长1 2 7 5 0m ，宽2 3 0 0 m ，吃水5 5m ，最大挖深3 0m ，配备多种当前国际最先 进的疏浚设备，总装机功率超2 0 0 0 0 0k w ，绞刀功率4 2 0 0k w ，实现自动挖泥系统 及配有船岸双路无线数据传输系统实现远程监控；采用世界先进水平的中压变 频系统，无限航区的航行能力。该船的建造成功标志着中国在大先进型绞吸挖 泥船设计建造方面向世界先进水平又迈出了重大一步。 1 0 年间，我国共设计建造了先进绞吸挖泥船多达4 5 艘。新建了大量的3 5 0 0 - - 6 0 0 0m 3 h 的大型绞吸挖泥船，譬如，“天牛系列及新天牛系列”绞吸挖泥船共 计1 5 艘，产能均在3 5 0 0 - 6 0 0 0m 3 h 之间，最大装机功率达到了2 0 0 0 0 k w ；新建 了“新海豹”等1 2 艘功率配置约1 6 0 0 0 - 1 8 0 0 0 k w 的大型3 5 0 0m v h 绞吸挖泥船， 中国绞吸挖泥船总体能力提高了2 倍以上。 由上可见，中国的绞吸挖泥船的设计建造能力实现了两个跨越，进入了超 大型挖泥船的设计建造强国行列。 - - 截至2 0 0 5 年9 月，世界前5 名疏浚公司排名情况如下【4 】： 表1 1前5 名疏浚公司排名 v f g - 疏浚公司 拥有篙黼糯豸鎏器舻耙鼍鬻嚣客 2 脚1 8 础n 酊 芦蛐衙( 2 0 0 1 4 妊，4 3 4 3 4 ( 2 0 2 0 4 裟巍， 。 v 数据) 一 年数据) 中国港湾孳菩缕团) 总公司 6 91 3 6 7 0 71 7 5 6 0 0 3 廿 广州航道局 1 73 2 0 0 03 2 0 0 0 ： 上海航道局3 14 8 7 5 01 2 1 2 0 0 。 天津航道局 2 15 5 9 5 72 2 4 0 0 5 洲g 繁器炯8 1 3 46 8 0 8 59 9 6 2 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 中国疏浚市场的需求 疏浚业涉及到中国经济发展和社会进步的许多方面，如沿海、内河的港口 航道建设与维护、临海工业区建设与沿海城市发展、水利防洪清淤、环境改善 和海洋资源开发等；它的发展状况将直接影响到中国综合国力和国际竞争力的 提高【3 1 。 1 3 1 沿海港口航道建设与维护 中国今后将继续重点建设集装箱码头、大型专业化原油、铁矿石接卸码头， 使之适应货物专业化、大型化、集约化的运输要求。进港航道将基本适应到港 船舶大型化发展要求。 重点建设上海国际航运中心，加快洋山深水港和上海组合港建设。发展长 江三角洲、珠江三角洲和环渤海湾港口群，形成枢纽港、支线港布局合理的港 口集装箱运输体系。长江三角洲形成以上海港为中心，宁波、连云港、南通、 张家港、太仓港为辅助港的港口群；珠江三角洲形成以香港、深圳港口为中心， 广州、汕头、湛江为辅助港的港口群；环渤海湾形成以大连、天津、青岛为中 心港口，营口、秦皇岛、烟台为辅助港的港口群。至t j 2 0 1 0 年，长江三角洲地区 需新增港口吞吐能力7 x 1 0 8 t 以上；珠江三角洲地区需新增吞吐能力4 x 1 0 8 t ；渤海 湾地区需新增港口吞吐能力7 4 x1 0 8t 。 随着“九五”、“十五、+ 以及“十一五”j 连续3 个五年计划的实施，我 国港口供需紧张的局面逐渐缓解，预计2 0 1 0 年将实现供需平衡；至1 j 2 0 2 0 年，中 国沿海港口发展速度适当超前于国民经济的发展速度。 预计2 0 0 6 - 2 0 1 5 年国内沿海疏浚市场总需求量达到5 x 1 0 9 7 5 1 0 9 m ，其中 挖泥达到2 2 5 1 0 9 3 9 x 1 0 9 m 3 ，吹填达到2 7 x 1 0 9 3 6 x 1 0 9 m 3 。每年疏浚需求 为5 1 i o s 7 1 1 0 8 m 3 ，前五年需求高于后五年。 我国沿海港口回淤强度较大的港口主要分布在渤海湾的天津港、黄骅港， 长江口地区的上海港及长江口深水航道，其他港口回淤量相对较少，回淤周期 较长。长江口深水航道整治三期工程完工后，年维护疏浚工程量约为3 x 1 0 8 m 3 ， 天津港目前年维护疏浚工程量约为6 x1 0 7m 3 ，黄骅港目前年维护疏浚工程量约为 l 1 0 3 m 3 。 中国港口建设需要挖深大、结构坚固、抗风浪性能好、能开挖坚硬土质、 装载能力大、排距远、抗风浪性能高的大型挖泥船。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 内河的港口、航道建设与维护 内河航道、港口是内河水运最重要的基础设施，内河航道提供基础的运输 条件；内河航运的发展很大程度上是依托于内河航道的状况。中国内河水运经 过多年的建设与发展，已经是世界上运量最大、运输最为繁忙的通航河流之一。 西江航运干线已成为沟通西南与粤港澳地区的重要纽带，京杭运河已成为我国 “北煤南运”的水上运输大动脉，长江三角洲、珠江三角洲航道网已成为区域 综合运输体系的重要组成部分。目前，全国形成了以长江、珠江、京杭运河、 淮河、黑龙江和松辽水系为主体的内河水运布局。 内河航运是构筑综合运输体系的重要组成部分，大力发展内河航运就是建 设以高等级航道为主体的干支直达、通江达海、结构合理的航道体系，至1 j 2 0 2 0 年，建成1 9 x 1 0 5 公里的高等级航道。为发挥内河航运的优势，内河航道建设要 以提高等级为主，建设以千吨级航道为骨架，以3 0 0 5 0 0 t 级航道为基础，加速 长江口、珠江口等主要河口航道的整治及建设。强调航道建设和渠化应满足防 洪、生态保护的要求，并兼顾水电、水利、渔业、旅游等方面的利益，航道整 治应尽可能促进河势的稳定及生态环境的改善，航道疏浚应与河道泄洪、堤坝 加固、吹填造地相结合。 1 - 3 3 临海工业区建设与沿海城市发展 全世界经济总量的6 0 集中在沿海地区。对环境有重大影响和运输量大的重 化工、能源等产业聚集起来，集中在沿海，不仅方便运输，降低成本，而且便 于集中治污。因此，中国为优化国土开发，改善内陆的水及大气环境，在实施 节能减排、关停并转一些高耗能、高污染产业的同时；聚集起来并积极引导到 沿海发展一批现代的、有一定影响力的新型工业。国家将把临港工业区建成国 家级钢铁、石化和造船基地鼓励钢铁企业在沿海布局，带动了临港工业的兴起； 同时也从根本上改变中国内陆江河湖库的水环境状况。由于临港工业的发展需 求，带动了围海造地的建设，对吹填的需求大大增加。 近年来中国经济保持快速增长，城市化进程的加快，人口增长、产业聚集， 造成各项用地大幅增加，为保护有限的农耕地，各沿海城市通过填海造陆的方 式“向海洋要土地 的现象也就不可避免；兴起了沿海城市填海造陆的热潮， 不同的城市有着不同的造陆方式。通过围海造地已经在建设、工业、交通、旅 游等多个领域发挥了重要的作用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 4 河道、湖泊和库区疏浚清淤市场 中国河流众多，其中流域面积大于1 0 0k l n 的河流达5 万多条，流域面积在 1 0 0 0k l n 以上的河流有1 5 0 0 多条。由于特殊的自然地理环境，许多河流存在水土 流失的现象，全国水蚀水土流失面积达1 7 9 x 1 0 7 k l n ，导致中国江河含沙量较高， 河湖淤积普遍存在。 据七大江河及西南诸河、东南沿海及内陆诸河的不完全统计，多年平均输 沙量约3 2 x 1 0 9 t ，其中黄河和长江输沙量为2 1 3 x 1 0 9 t 约占7 0 。全国平均每年 约有1 4 x 1 0 9 t 泥沙淤积水库、河道、湖泊和灌渠，1 8 1 0 9 t 泥沙进入河口和海洋， 并主要淤积在各江河的下河段和入海口附近。太湖治理需要疏浚的淤泥总量达 到8 x 1 0 8m 3 ；洞庭湖每年泥沙淤积超过l x l 0 8 t ；黄河下游河床每年仍以0 1 m 的速 度在抬高；浙江内河疏浚计划年疏浚量超过6 x l o sm 3 。 水库清淤方面，中国大约有8 万多个各类型的水库。例如三峡库区，据2 0 世 纪9 0 年代末遥感调查，仅重庆市范围年土壤侵蚀量达1 8 6 x1 0 8t ，再加上重庆市 上游的泥沙量，直接进入三峡库区的泥沙每年超过l x l 0 8 t 。为减少三峡库区泥沙 淤积，确保三峡工程长久安全运行，充分发挥其防洪、发电、航运等巨大效益， 应切实加强库区周边及上游的水土流失治理工作，同时要开展库区疏浚清淤工程。 1 3 5 环境保护和改善 在疏浚中注意环保问题和利用疏浚手段改善环境成为中国疏浚业今后非常 重要的课题。环保疏浚是近年新兴的产业，环保型挖泥船及相关技术越来越受 重视。环保疏浚的疏浚量将呈上升趋势，疏浚项目的数量，分布广度都将增加。 中国改革开放以来，环保疏浚从无到有，已取得了长足的发展，在环保事业中 占有一定的地位。近几年，随着国民经济的不断发展，中国政府对环境治理的 重视程度越来越高，投资力度也越来越大。环保疏浚行业为发展和壮大中国疏 浚行业带来了无限前景。 1 3 6 海洋资源开发 海洋资源利用越来越引起重视。因此，海洋油气和采矿业、海底管缆铺设、 海岸养护及标志性海洋建筑物等世界发达国家的海洋新兴产业将逐步进入中 国，并随之形成为海洋疏浚新市场。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 国内外挖泥船绞刀研发现状 目前国内外虽对绞刀作了很多理论研究和试验，但尚欠深入，对一些参数 的选择亦无定论。大多数设计机构在参考国外标准的基础上，依据工程的具体 需要，取保险数值。对设计绞刀及其受力的计算，一种方法是利用切削理论， 对切削过程进行真实分析，考虑各个因素后得到的；另一种方法是应用简单的 经验公式，将作用在绞刀上的力预估出来。对比两种方法可以发现，切削理论 法分析过程中涉及到的参数较多，受力复杂，有时候不可避免地适当采用近似 的方法，对计算模型进行简化。而通过经验公式估算的切削力，取值太过于粗略， 且无理论依据。 根据切削理论的计算结果与按照实验得出的经验公式计算结果相比较，相 差不多，而切削理论可以更加详细地计算分析绞刀在不同角度和工况下的切削 力，这为绞刀头设计和其他相关施工设备设计提供了理论依据，有更为广阔的 应用价值。 绞刀轴 夹角 底部i 浚后 图1 2 绞刀切削示意图 铰刀头在设计以及使用的过程中有待解决的主要问题： ( 1 ) 开发设计方面，绞刀结构设计不合理。往往制造简单，寿命短，磨损 后不能及时修复方便；绞刀功率有待提高。我国早期某些研究所对绞刀、斗轮 等进行了多项卓有成效的研究试验，但终因长期没有资金投入，使得这一研究 的进展大大受阻。技术储备严重不足，缺少一批技术素质高、经验丰富的设计 队伍。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 材料的专项研究、制造工艺方面，与先进国家的差距较大，普遍存在 着工艺差周期长的问题。需要开发新的材料，或者优化绞刀是制作工艺。 在实际的使用当中，绞刀齿的磨损、断裂比较严重。考虑到以上各种情况， 设计者在设计绞刀时应选择合理的结构以及耐磨的材料，且使得较小的切削力 获得较高的生产率。本文应用二维切削理论，借助相关的有限元工具，准确地 计算出绞刀的受力，选择合理的空间形状，有着极其重要理论和现实意义。 1 5 本文研究的主要内容和研究方法 本论文在结合二维切削理论的基础上，建立绞刀的数学模型，讨论切削过 程中切削层厚度、刀齿有效宽度、切削系数的变化趋势，通过计算得出绞刀设 计制造时应选比较理想的包角、切削角大小等。然后在p r o e 软件中建立三维绞 刀模型，导入a n s y s ；定义单元属性和材料参数，划分网格，加载和分析。 ( 1 ) 研究的主要内容： 1 ) 讨论一定工况下刀臂形状对切削能力影响的因素，比较切削参数的变化 引起切削能力的变化，选择最优结构。 2 ) 依据绞吸式挖泥船绞刀的参数，建立一定工况下最优绞刀( 无齿) 的数 学模型及物理模型；在此基础上加齿完善最优物理模型。 3 ) 应用a n s y s 有限元软件对绞刀模型进行受力分析计算，分析绞刀结构 承受的载荷情况。 ( 2 ) 研究方法： 1 ) 建模：设置好笛卡儿三维坐标系和原点，由空间两曲面相交，分别向正 面和水平面投影，得出绞刀内外轮廓线空间曲线方程，确定绞刀的数学模型， 建立p r o e 软件可以识别的i b l 后缀格式的记事本文档，然后应用p r o e 相关功 能完成整个绞刀的物理模型。 2 ) 参数分析：借助m a t l a b 软件讨论切削过程中切削层厚度、刀齿的有 效宽度、切削系数的变化趋势，以及合理选择包角、切削角的大小等。 3 ) 工况设定：a n s y s 中导入绞刀模型，选择土壤的类别，定义单元属性 和材料参数。根据单元选择原则，尽量简单的单元，选择自由网格划分。a n s y s 会首先根据模型中面、体的线长估计应使用的单元的边长，同时还会进一步考 虑几何图形的曲线曲率及线之间的变化梯度，根据情况进一步细化。 4 ) 分析可行性：绞刀的整个分析过程中，加载是很重要的一步。在a n s y s 9 武汉理工大学硕士学位论文 中，可以使用多种方式对模型加载，这些都是通过分析计算模块来完成的；本 文中绞刀施加的载荷种类有d o f 约束、集中载荷和表面载荷等。并对对结果可 视化。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 绞刀的材料 第2 章绞刀三维造型 绞吸式挖泥船的绞刀是泥泵入口处搅动水底泥沙形成泥浆的机具，绞刀在搅 动泥沙的同时刀齿自身受到冲击和磨损，因此提高其抗磨性和强度是延长使用 寿命的唯一途径。 疏浚作业时，随着绞刀片刀齿高度的磨损变短，将降低挖泥船疏浚效率， 一般刀齿磨至根部时应及时更换，否则易损坏刀头。刀臂及刀齿一般用耐磨的 合金钢或锰钢等所制，目前国内普遍采用z g 3 5 s i m n 制造绞刀片，其磨损快、寿 命短；在沿海航道疏浚及吹填工程中，使用寿命仅7 天左右，而且刀齿全部磨完、 还磨去大部份刀背。若绞刀铸造质量或热处理性能达不到要求，寿命仅为3 天左 右，更换绞刀齿约需2 天时间，其间挖泥船主机处于空耗状态，且更换过程危险， 劳动强度大。因此，绞刀片的泥沙磨损问题备受国内外疏浚行业的关注。 低合金钢有较好的强度及韧性，高铬铸铁的硬度高，耐磨性好。复合铸造 能达到较理想的性能组合【l ，采取齿面抗磨复合铸造可显著提高铰刀抗磨型【1 2 1 。 在刀齿前端制备了金属基碳化钨复合耐磨堆焊层，这种特种耐磨堆焊绞刀 片可有效提高绞吸挖泥船的连续疏浚作业能力、整船设备利用率和生产效率， 质量大大减轻，除了节省材料外，可使绞刀片的更换更加安全、方便和快捷， 可发挥良好的综合经济效益和社会效益i l 引。 2 2 绞刀的结构和分类 2 2 1 绞刀的结构 绞刀是绞吸式挖泥船实际工作的核心挖掘部件，绞刀位于桥架端部吸泥管 的入口处。绞刀的作用是切削泥土，使之成为能被吸人吸管的碎块。绞刀的结 构对整个切削系统以及整条船的运行效率都非常重要。 绞刀头主体一般由绞刀座、刀臂、轮毂所组成，而齿式绞刀上还装有可以 拆卸的刀齿，直接用于切削泥土。绞刀座用来固定刀臂以及支撑整个绞刀，多 为铸钢或者铸钢焊接组合而成；起传动作用的轮毂与绞刀传动轴用键槽、螺纹 连接等方式相连接。现在一般在传动轴上加工反牙梯形螺纹，在绞刀轮毂内加 武汉理工大学硕士学位论文 工一个相当于螺帽的螺纹予以紧固。绞刀挖泥越转越紧固，拆卸时则倒旋绞刀 的原动机。分布在绞刀外围圆周上的刀臂是直接切削泥土使之变成碎块的部件， 刀臂一般为5 6 片，而齿式绞刀中，一定数量的刀齿装在刀臂上。 绞刀臂的数目影响单位切削力的大小。所谓单位切削力，是指某单一刀片 所施加的力除以该刀片的有效切削长度后所得出的值。绞刀的刀臂越多，则绞 刀的开口宽度就越小，这样就限制了在任何特定的施工中所能达到的最大切削 厚度。 图2 1 绞刀实物图 2 2 2 绞刀的分类 图2 2 绞刀结构图 绞吸式挖泥船依据外形不同，将绞刀一般可分为以下三种类型【1 4 】： ( 1 ) 开式绞刀：一般由刀臂、轮毂、臂架和大环四部分组成。开式绞刀的 刀臂前端由臂架与轮毂相连，后端与大圈相连而组成一个整体。刀片的螺旋角 较小，刀片的间距较大，比闭式绞刀的松土效率差，适用于挖砂性松散的土壤。 ( 2 ) 闭式绞刀：绞刀头前端与轮毂相联成一体，后端联接在绞刀大圈上， 形若“帽”状。刀臂螺旋角较大、刀臂间距较小，有较强的破碎性能，松土效 果相对较好，常用于挖粘性土壤，该类型的绞刀内腔没有开式的臂架，有利于泥 泵对泥浆的吸入。闭式绞刀的刀臂上一般装有切削刀刃，以便在磨损后更换。 ( 3 ) 齿型绞刀：该类型是在开式或闭式绞刀的刀臂上，另外焊装几个锰钢 刀齿。当绞刀切割泥土时，刀齿首先接触土壤，切削力全部集中在刀齿上，更 容易切碎硬质土层，大大改善了切削效果，同时也增加了绞刀挖掘土质的范围。 绞吸式挖泥船齿式绞刀上，常装用的刀齿有以下几种： 扁齿，用于砂与粘土的切削。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 凿齿，用于挖掘无渗透性的坚硬物料，如石灰石。 尖齿，用于挖掘有渗透性的坚硬物料，如珊瑚等。 闷一 ( 1 ) 尖齿( 2 ) 扁尖齿( 3 ) 凿齿 图2 3 刀齿形状 图2 - 4 不同转向的绞刀头 绞刀的类型和尺寸是由挖泥船绞刀驱动装置的功率、转速及所挖土质的类 型所决定的。很显然，绞刀直径增大，所需的驱动功率也增大。 2 3 绞刀选择及土质类型 为某已知的绞吸挖泥船来选择绞刀，在很大程度上取决于待做的工程。但 该绞吸挖泥船的详细资料十分重要，均应予以考虑，例如： 绞刀驱动机构的功率； 绞刀的速度( 旋转速度) ： 横移绞车所需的功率； 横移速度。 待挖的土质类型也相当重要：包括土的成份( 粘土、砂、砾石、泥炭、岩 石) 、土的分层、土的力学特性等。常见的土质类型有【1 5 1 ： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 坚硬土 当横移绞车的力受到限制时，绞刀的最大切削力也受到限制( 恒定的切削 功率) ，这样绞吸挖泥船不适宜挖掘十分坚硬的土类。即对于