絞吸式挖泥船絞刀切削受力及其影響因素分析

(長江航道局機務處，武漢 430014)

絞吸式挖泥船是航道維護疏浚中的主力船型，但在疏浚作業中挖泥船的絞刀常出現易磨損、易掉落和低切削效率等工程問題，如何讓絞刀高效可靠地工作一直是值得關注的技術問題。有多種因素影響絞刀的可靠性和高效性，其中關鍵因素有絞刀材料、切削受力和絞刀幾何形狀等。在絞刀材料的耐磨性方面，絞吸式挖泥船的絞刀一般選用耐磨的合金鋼或錳鋼等材料制造，并通過調整絞刀材料的微量耐磨合金元素和后熱處理工藝方法，有效地提高絞刀的強度和抗磨性，延長絞刀的使用壽命，這是目前使用較多的一種方法。同時，絞刀的受力情況和幾何形狀對絞刀的影響也很重要。分析絞刀載荷、優化絞刀結構形狀同樣可以改善絞刀耐磨性可靠性，提高絞刀切削效率。近年來一些研究學者分別從切削理論[1]、受力計算[2-4]、疏浚介質作用載荷特性[5-6]等方面開展了研究，在此基礎上，本文依據挖泥船的絞刀切削理論建立絞刀切削受力分析模型，分析絞刀受力狀況與絞刀幾何參數之間的影響關系，并將研究結論用于絞刀結構設計及改進刀型和改善絞刀切削受力等方面。

1 受力分析模型

1.1 切削分析

絞吸挖泥船的刀架是空間曲線的螺旋形，絞刀以一定的角度安裝在刀架上，在挖泥船的疏浚作業中這種螺旋的刀架可以使得整個切削過程能連續地進行，有效地避免了瞬時沖擊力的產生。

對絞刀作一系列垂至于絞刀軸的截面，它們相對絞刀軸心轉過的角度形成不同的刀臂截面，即螺旋絞刀在橫移切削時同一刀臂上不同位置絞刀的切削狀態不同，不同的刀臂不是同時進入、同時離開切削層，而是先進先出、后進后出。因此每個刀臂不是整個都參與切削，而只是其中某段參與切削，多個刀臂的不同段在不同位置參入切削。

1.2 受力分析模型

以挖泥船的單個絞刀處于挖掘狀態為例，依據絞刀切削理論建立切削受力分析模型，絞刀和切削層的受力分布與各力作用位置見圖1、2。

圖2 切削層受力分析

在圖1和圖2中，N2為作用在刀片上的法向力；S2為泥土與刀片的摩擦力N2tanδ引起的剪切力；A2為泥土和刀片之間的粘性剪切力；W2為作用在刀片上的水下壓力引起的力；W3為刀片后面的水下壓力引起的力；W1為剪切區域由水壓力引起的作用力；N1為作用在剪切面上的法向力；S1為內摩擦力引起的剪切力；C為沙土的內聚力引起的作用力；G為沙土的重力；T為泥土加速度引起的慣性力；W4為水阻力。

這些力在不同的位置和方向上作用在絞刀和被切削泥層上，構成復雜的力系。

分別對圖上不同的參數設定變量，其中設刀片橫移速度為vc、切削角為α、切削土層厚度為hi、刀片高度為hb、剪切角為β、刀片寬度為b，將作用在絞刀上的總壓力分解力沿切削速度反向的切向力Fh和沿切削速度垂向的法向力Fv。

根據絞刀和切削層的受力平衡條件，分別建立切向和法向上的力平衡方程，經推導和簡化得

(1)

(2)

式中：

km=0.5ki+0.5kmax。

上式中：ρw為水的密度;g為重力加速度;無因次切削系數c1、c2的值與內摩擦角φ、泥土表面摩擦角δ、切削角α以及刀片高度與層厚度的比例hb/hi有關。

2 切削力影響因素分析

2.1 模型參數取值

以長江某型絞吸式挖泥船為例進行計算分析。參數分別為：絞刀轉速n=240 r/min，刀架橫移速度v=0.3 m/s，絞刀切削角α=0°～80°，表面摩擦角δ=20°，內摩擦角φ=37.5°，絞刀功率P=100 kW，絞刀材料的彈性模量E=175 GPa，泊松比μ=0.25。疏浚土質為細砂，密實度為中密，滲透系數Ki=6×10-5m/s，孔隙度為ni=45%，土層的彈性模量E=1.3 GPa，泊松比為μ=0.35。

2.2 切削角α的影響

用數值計算方法，通過Matlab編程計算，結果見圖3、4。

圖3 切向力隨切削角和轉角的變化趨勢

圖4 法向力隨切削角和轉角的變化趨勢

如圖3所示，當切削角在0°～80°范圍內變化時，絞刀的切向力逐漸變化，絞刀在15°～60°范圍內切向力平穩，有利于絞刀平穩工作，所以絞刀的切削角應小于60°。

如圖4所示，當切削角在0°～80°范圍內變化時，絞刀在15°～60°范圍內法向力平穩，利于絞刀的運行。

計算結果表明，為了保證絞刀有效平穩地切削，避免產生沖擊力和振動，切削角應該在15°～60°之間，較理想的切削角應該是35°～40°之間。

2.3 剪切角β的影響

當取切削角α=37°，內摩擦角φ=34°時，計算得到c1=0.314 7，c2=0.204 3，就可以計算得到剪切角β對切削力的影響，見圖5。

圖5 剪切角β對切削力的影響

由圖5可見，剪切角與切向力和法向力均成正比例關系，但剪切角對切向力的影響更為明顯。

2.4 包角的影響

在工程挖泥船上，常用絞刀刀臂與大環平面的夾角(螺旋升角)描述絞刀刀臂的傾斜程度。由于該角度為空間夾角，難以直接準確地測量，因此引入包角λ，見圖6。假設刀臂包角為λ，高為h，則單位包角的高為h/λ。當絞刀高度不變化時，包角λ就決定了刀臂螺旋上升的程度。

圖6 包角75°時絞刀處于15°時刻的切削范圍

螺旋絞刀在做橫移切削時，同一刀臂上不同的位置切削狀態不同，刀臂不是同時進入或離開切削層，而是先進先出，后進后出，是其中某段刀臂參與切削。

當刀刃開始切削瞬間的切向速度與橫移速度方向一致時，垂直于速度方向且通過軸心的平面設為基準面，圖6所示為A刀臂基準面處在15°時刻的切削范圍扇形示意圖。

A刀臂切削范圍為15°～90°，把15°～90°之間各個作用力累加起來，就是A刀臂的合力。由圖6可知，該切削范圍內還有前一刀臂B、后一刀臂F在土層中切削。對于6刀臂絞刀的整個切削過程而言，切削的周期為60°，相應地可列出包角45°、包角60°、包角75°臨界時刻的切削范圍分布情況。通過計算，可以求出不同包角時的刀臂受力的對比情況，見圖7。

圖7 不同包角的受力對比

圖7表示了一個周期內不同包角的絞刀受力變化，由分析可得：從減小受力的波動性因素考慮，比較合理的絞刀包角度應該在60°左右。

2.5 切削系數c1與c2的影響

絞刀頭上的刀片切削沙土的切削角是不斷變化的，泥土的斷裂面角也不固定，因此模型中角α、β以及其它的參數不是常量。為了分析系數c1與c2的值的變化趨勢，假定剪切角β=45°，取α在0°～80°內變化，依據S.A.Miedema的研究[5]，給定p1m=0.215 6，p2m=0.034 8，p3m=0.043 0。其中：p1m為剪切面上壓強的量綱一的量的平均值;p2m為刀面上壓強的量綱一的量的平均值，p3m為刀背面壓強的量綱一的量的平均值。通過計算分析系數c1、c2隨α的變化情況，見圖8。

圖8 系數C1、C2隨α的變化情況

由圖8可見，系數c1隨著切削角α的增大而增大，系數c2隨著切削角α的增大而減小。通過比較兩條曲線，可以發現c1與c2在15°～60°之間變化平緩。并將c1與c2的值代入切削力的計算公式，可以知道α在15°～60°之間變化時絞刀的受力比較平穩，所以在設計絞刀結構時，切削角選在15°～60°之間較為合適。

2.6 切削力分析

經過切削角分析，選取切削角中間值α=37°，用Matlab繼續求出一個周期內作用在單個刀臂上的瞬時切削力和平均切削力的合力，見圖9。

圖9 平均切削力的合力

當選取刀臂為60°包角時，隨著轉角增大，刀臂的受力分布也增加。但由于刀臂呈現扭曲狀，使得切削力的瞬時值沒有太大的波動(見圖10)，有效地保證了絞刀頭所受沖擊的相對平穩，這對絞刀和刀架的耐磨性和可靠性都是有利的。

圖10 一個周期內的瞬時切削力

3 結論

1)切削角影響絞刀的切向力和法向力，為了保證絞刀有效平穩地切削，避免產生沖擊力和振動，切削角應該在15°～60°之間，較理想的切削角應該是35°～40°之間，此時絞刀受力平穩，且負荷較小，利于絞刀耐磨性的提高；

2)在一個切削周期內，包角與絞刀受力呈曲線變化關系，為了減小切削力的波動性，較合理的絞刀包角度應該是60°左右。

[1] 潘英杰,楊 啟,湯 晶.基于二維切削理論的絞吸式挖泥船絞刀頭載荷分析[J].船海工程，2009(2):13-16.

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