吸盤挖泥船吸盤試驗研究

馮峰 孫雪 孫原 李曉姣

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

0 引 言

吸盤挖泥船最早出現在美國，是繼鏈斗挖泥船、絞吸挖泥船、耙吸挖泥船之后發展起來的一種新型挖泥船，主要用于密西西比河的維護和疏浚。除美國外，俄羅斯的西伯利亞以及中國長江航道等上游河段也有此類挖泥船進行作業。

隨著疏浚行業的繁榮發展，吸盤挖泥船越來越受到重視，美國、日本、芬蘭、捷克斯洛伐克等國都相繼自行設計、制造了這種船舶。我國由中國船舶及海洋工程設計研究院設計的第一艘吸盤挖泥船“吸盤1號”于1993年在東海船廠建造成功，然而當時吸盤挖泥船的關鍵設備——吸盤頭仍從國外進口，有關吸盤型式、特性對挖泥船挖泥效果的理論研究也比較匱乏［1］。

本文依托于黑瞎子島航道疏浚工程船，針對黑龍江水運規劃設計院自行設計的吸盤進行模型試驗，以驗證該設計吸盤能否滿足實際工程需要。

1 試驗設備及儀器綜述

吸盤試驗是在黑龍江水運規劃設計院的泥漿試驗室完成的。黑龍江水運規劃設計院的泥漿試驗池尺度（長×寬×深）為 8 m×2 m×1 m。

（1）實船的相關設備參數

泥泵：清水流量5 000 m3，揚程46 m；

吸盤口尺寸：7.2 m×0.18 m，分為左右兩腔；

土質：Ⅲ類土，中細砂（平均粒徑d50=0.245 mm）；

（2）試驗泥漿池的主要設備參數

主機：三相異步電動機，額定電壓380 V；

泥漿泵：流量40 m3/h，揚程15 m；

高壓沖水泵：流量12 m3/h，揚程30 m；

X、Y方向臺車：X方向最大移動距離為1.5 m，Y方向最大移動距離為5.5 m；

臺車上配備有變頻測量儀，能夠調節控制臺車行進速度以及高壓沖水泵揚程等；

電磁流量變送器：用來測量瞬時流量，額定電壓220 V，頻率 50 Hz；

計量筒：最大容積為1.3 L。

圖1 泥漿試驗室概貌

2 模型概述

2.1 模型幾何比尺

在模型吸盤的設計上，為了滿足高壓噴水孔的布置，吸盤模型需要具有一定尺寸。因為吸盤模型較小，加大了布置高壓沖水噴射孔的難度，且減小噴水孔尺寸會使懸浮的泥沙堵塞其中，降低高壓沖水的噴射力，從而導致挖掘效率的變化，泥面平整度也會受影響。因此，為了減小比尺效應的影響，應選擇較大比尺的模型。但是大比尺的模型吸盤較重且會增加泥漿流量，所需要的泥泵和高壓沖水泵的功率也會相應增大，臺車的拖曳阻力也加大，因而吸盤模型比尺的選擇將受到試驗室采用的泥泵功率、高壓沖水泵的功率、行進臺車功率及泥漿池大小等條件的限制［2］。通過試算并綜合考慮各方面因素，確定試驗室允許條件下的吸盤縮尺比為8（主要尺寸查表1）。

需要注意的是，試驗用泥沙的粒徑與實際情況完全一致，無法做到縮放，從而影響高壓沖水的噴射效果。為了盡量減少泥沙對噴射孔的堵塞、提高試驗的精度，故噴射孔的縮放比會與整個實體的縮放比不一致（實際孔的直徑為20 mm，試驗孔直徑為 5 mm）。

表1 吸盤和模型主要參數（λ=8）

2.2 模型建立與加工

根據黑龍江水運規劃設計院設計的吸盤裝配總圖，在SolidWorks2010軟件建立吸盤整體模型，包括吸盤主體和高壓沖水系統，如圖2所示。在SolidWorks軟件里導出各板的工程圖，按照1∶8比例進行放樣，并依據吸盤裝配總圖進行裝配焊接，得出試驗模型，如圖3所示。

圖2 SolidWorks軟件里面的吸盤模型

圖3 吸盤模型實體

將加工好的吸盤模型通過法蘭盤固定在支架上（可通過調節支架改變吸盤的下放角度和深度），高壓沖水泵通過兩根軟管分別與吸盤高壓沖水的側入流進口、直入流進口相連，如圖4所示。

3 吸盤模型試驗

試驗根據吸盤的結構特性及工作原理分四部分進行，包括無高壓沖水系統下各變量對泥漿濃度的影響、高壓沖水系統開啟條件下雙排噴嘴工作變量對泥漿濃度的影響、僅上排噴嘴工作各變量對泥漿濃度的影響、僅下排噴嘴工作各變量對泥漿濃度的影響。試驗流程圖如圖5所示。

圖4 吸盤模型安裝圖

圖5 吸盤試驗流程圖

3.1 試驗數據

試驗的最終目的是測量排泥管排出的泥漿濃度，以判斷所設計吸盤能否滿足工程需要。測量濃度有以下幾種方法：

（1）試驗設備計量筒和電子秤。

（2）工程測量法：測量吸盤完成固定挖泥距離所用的時間t，待完成后將泥漿池內的水排出，通過測量泥溝的深度h、寬度B以及長度L進行計算，公式為：濃度

（3）直接在排泥管口處用量杯接取溶液。

由于高壓沖水未開啟，故當臺車靜止時，吸盤只是依靠泥漿泵的吸力吸入清水或者摻雜表層浮泥的泥漿，濃度很小。臺車以一定速度前進時，吸盤則依靠吸盤頭的機械切削作用及泥漿泵吸水的沖刷作用，吸入的溶液濃度比靜止時稍高，但仍然達不到要求。因此本試驗主要是在高壓沖水開啟時，通過測量不同工況的濃度來進行分析判斷。

3.1.1 吸盤上部沖水系統（直入流）

打開高壓沖水泵控制上排噴嘴的閥門進行測量，得到如表2所示數據。

表2 開啟上排高壓沖水的試驗數據

3.1.2 吸盤下部沖水系統（側入流）

打開高壓沖水泵控制下排噴嘴的閥門進行測量、得到如表3所示數據。

3.1.3 吸盤兩排高壓沖水

打開高壓沖水泵控制上、下排噴嘴的閥門進行測量，得到如表4所示數據。

表3 開啟下排高壓沖水的試驗數據

表4 開啟高壓沖水的試驗數據

3.2 試驗數據分析

本試驗主要有三個變量：高壓沖水系統、吸盤下放的深度及吸盤工作的角度。根據表2～4，可以看出：

（1）高壓沖水打開，在吸盤下放深度一致的前提下，排泥管排出泥漿的濃度隨著吸盤工作角度的增加而升高；而在吸盤工作角度一致的前提下，泥漿濃度隨著吸盤下放深度的增加而升高。

（2）單排高壓沖水開啟的情況下，比較表2和表3的試驗數據，可看出開啟上排噴水系統（直入流）得到的泥漿濃度較開啟下排噴水系統（側入流）高。究其原因：高壓沖水系統中，主要能耗是局部水頭損失和水箱內部紊動造成的損失。側入流的射流一致性較直入流要稍好一些，但在流場的穩定性方面要差很多，能耗比較大，直接影響到射流的平均速度。如果條件允許，使用直入流效果更好。

（3）兩排高壓沖水開啟的情況下，測量得到的泥漿濃度較單排高壓沖水高很多，效果最好。

（4）吸盤試驗環境雖然盡量模擬實際流域條件，但與實際不同：吸盤模型為1∶8，固體物料顆粒（泥沙）直徑為1∶1。雖然對噴射孔進行擴大，但仍會有泥沙堵塞噴射孔，直接導致高壓噴射沖擊力的降低，降低泥漿濃度；泥漿池內水流為靜止，而實際工況有一定的流速；泥漿池里的泥由于常年未使用，硬度也相對較高，高壓沖水時會影響沖擊效果。綜合以上不利因素，實際進行疏浚工作時排出的泥漿濃度會高于試驗測得的濃度5%～10%，即實際泥漿濃度應該能達到20%～30%，符合工程需要，證明所設計吸盤合理。

4 模型數值模擬

為了判斷試驗數據的準確性，我們在SolidWorks軟件里對模型進行1∶8縮放，導入FLUENT中進行數值模擬并比對試驗數據和數值模擬結果。數值模擬是根據已測濃度和出口流量值計算進、出口的速度，無法考慮高壓沖水和工況變量，而試驗所需比對的數據是根據出口流量計算進、出口速度。由于在前一章節試驗中，兩排高壓沖水開啟情況下測得的泥漿濃度較符合實際工程需要，故本節數值模擬只取第三組數據，表5為數值模擬吸盤1∶8模型得到的進出口速度。

表5 試驗與數值模擬結果比對

根據試驗過程中電子流量計測得的流量可以粗略計算出吸盤進出口的速度，如表6所示。計算得到的出口速度實際為排泥管的出口速度，由于泥漿從吸盤口到排泥管出口有約3 m長的管路，存在沿程損失，所以吸盤出口的速度比表6中的數值偏大，根據誤差公式計算得到的誤差比表6中的數值偏小。由表6可以看出，誤差大部分在5%以內，由此可以推斷實際吸盤出口速度誤差更小，試驗與數值模擬相吻合。

表6 試驗與數值模擬結果比對

5 結 論

本文模型試驗旨在獲得多組數據以便進行定量研究，總結設計吸盤的相關經驗。不過，由于試驗室設備陳舊，導致試驗數據的采集量與精度大大降低。試驗時由于泥漿渾濁，故無法觀察到水下高壓沖水噴射后泥漿流的流動情況。

我們建議試驗室能盡快添加高速攝像儀等設備，為深入的后續研究作準備。

［1］袁威.吸盤式挖泥船吸盤特性研究［D］.哈爾濱工程大學碩士學位論文.2010.

［2］洪國軍，王健，林風.自航耙吸挖泥船耙頭模型試驗研究［J］.中國港灣建設.2008（04）：19-20.