絞吸挖泥船絞刀切削過程數(shù)值模擬及刀臂曲線優(yōu)化

鄭琳珠，胡京招，梁鑫，謝立全

(1.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

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絞吸挖泥船絞刀切削過程數(shù)值模擬及刀臂曲線優(yōu)化

鄭琳珠1，胡京招1，梁鑫2，謝立全2

(1.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

為了研究絞吸挖泥船切削過程土體與絞刀相互作用的功率消耗和切削產(chǎn)量情況，基于離散元理論，結(jié)合實(shí)船施工數(shù)據(jù)，采用PFC3D程序，將土體離散為有限單元，模擬絞刀切削土體過程，監(jiān)測絞刀功率消耗和切削產(chǎn)量，與實(shí)船數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有絞刀刀臂曲線進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

絞吸式挖泥船；絞刀；離散元；PFC3D；數(shù)值模擬

絞刀是絞吸挖泥船的主要挖掘部件，在疏浚施工過程中，絞刀直接與土體相接觸，通過橫移與自旋轉(zhuǎn)達(dá)到切削挖掘土體的效果，因此，其挖掘性能是影響絞吸挖泥船產(chǎn)量的主要因素。影響絞刀挖掘性能的因素非常多且復(fù)雜，包括刀臂包角、刀齒切削角、刀齒剪切角和刀齒-土體摩擦角等，以及切削過程中的橫移速度、旋轉(zhuǎn)速度，這就決定了絞刀頭理論研究的復(fù)雜性[1-2]。目前，國內(nèi)外對絞刀的研究主要是基于二維切削理論與巖土力學(xué)的巖土破壞理論，通過建立刀齒與土體切削破壞模型，用方程來簡化分析絞刀切削過程中的刀齒受力問題。這在一定程度上是可行的，但是絞刀作為三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，且與土體的切削過程也是一個三維過程，用二維模型很難全面描述整個切削過程[3]。同時，由于各個刀齒的空間位置不同，以及前后刀齒的相互影響，這就導(dǎo)致各刀齒在施工中切削過程各不相同，對產(chǎn)量的挖掘貢獻(xiàn)也各不相同，同一絞刀頭上的不同刀齒磨損以及斷裂程度各不相同。因此，為了分析絞吸挖泥船施工過程中絞刀的真實(shí)切削情況，對絞刀與土體的切削過程進(jìn)行三維描述研究就顯得很有必要了。

散體單元方法屬于一種動態(tài)分析方法，將物體假設(shè)為不連續(xù)的離散的單元體，通過定義單元顆粒與單元顆粒之間的相互作用特征，來體現(xiàn)物體的物理屬性。考慮到塊體或者顆粒受力后的運(yùn)動狀態(tài)以及由此導(dǎo)出受力狀態(tài)隨時間的變化，以不連續(xù)體(散粒體)力學(xué)的方法研究各個單元之間的相互接觸和作用，多種類型的單元適應(yīng)了不同問題的需要。這種離散單元的理論方法在土體、水流等物體的模擬和研究中得到了較廣泛的使用和認(rèn)可[4-5]。因此，考慮將離散元理論引入到絞刀與土體的切削過程研究中，在計算機(jī)的輔助下，采用PFC3D程序?qū)g刀與土體相互作用建立三維數(shù)值模型，模擬并分析絞吸挖泥船絞刀挖掘土體過程中的功率消耗、產(chǎn)量分布情況。

1 基于離散元理論的三維絞刀建模及土體細(xì)觀參數(shù)確定

1.1 采用落雨法建立海床結(jié)構(gòu)模型

由于砂土等散粒體介質(zhì)在荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜，通過現(xiàn)場或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來得到反映其真實(shí)力學(xué)規(guī)律的本構(gòu)模型相當(dāng)困難，并且耗時耗錢。土體的宏觀表現(xiàn)必然與其內(nèi)在的細(xì)、微觀特性相關(guān)。隨著計算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)，從細(xì)觀角度對土體進(jìn)行模擬研究成為可能。另外由于顆粒流理論是基于顆粒的細(xì)觀力學(xué)特征建立的，其有關(guān)屬性和參數(shù)，包括顆粒大小，可以在整個模擬過程中進(jìn)行調(diào)整，而且顆粒流理論克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的宏觀連續(xù)性假設(shè)，因此對于模擬砂土等散粒體介質(zhì)的力學(xué)問題具有其特殊的優(yōu)勢[6-7]。

土體顆粒的制備采用落雨法。所謂落雨法，就是在區(qū)域上方一定高度的位置利用GENERATE命令生成無規(guī)則排列的小球(balls)，通過重力作用使小球自由下落，通過下落高度的調(diào)整，來控制最終區(qū)域內(nèi)砂子的孔隙率等一系列參數(shù)。因?yàn)槁溆攴梢暂^為真實(shí)地擬合現(xiàn)實(shí)中沙土顆粒的沉降過程，在數(shù)值模擬中得到廣泛的使用。

1.2 三維絞刀的數(shù)值建模

以通用型絞刀為試驗(yàn)對象，絞刀配備寬型常規(guī)刀齒，對其進(jìn)行三維數(shù)值建模。為了方便計算，將絞刀齒簡化為一個矩形平面，取A、B及C點(diǎn)作為矩形的3個頂點(diǎn)，作刀齒矩形，見圖1。

圖1 絞刀刀齒及齒座安裝示意

根據(jù)設(shè)計圖紙尺寸，建立通用型絞刀PFC3D模型，見圖2。

圖2 通用型絞刀PFC3D模型

1.3 土體數(shù)值模型細(xì)觀參數(shù)的確定

土體在完成三維建模后需要通過賦予與實(shí)際土體相一致的微觀參數(shù)來確定土體的物理性質(zhì)，保證所形成的土體數(shù)值模型與實(shí)際土體具有相同的力學(xué)性質(zhì)。微觀參數(shù)在數(shù)值上并不等于宏觀參數(shù)，但是其力學(xué)性質(zhì)的表征卻可以一致。采用PFC3D三軸試驗(yàn)來調(diào)試微觀參數(shù)的選取[8-9]。

以細(xì)粉砂土質(zhì)為模擬對象，利用實(shí)驗(yàn)室土體三軸試驗(yàn)來調(diào)試數(shù)值模擬土體模型的微觀參數(shù)，達(dá)到模型在宏觀的力學(xué)性質(zhì)上符合室內(nèi)試驗(yàn)的土體模型。通過不斷調(diào)整土體數(shù)值模型微觀參數(shù)，最終形成與實(shí)驗(yàn)室物理土體三軸試驗(yàn)結(jié)果相一致的土體模型，圖3為模擬試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變對比。

圖3 模擬試驗(yàn)和室內(nèi)三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變對比

由圖3可見，數(shù)值模型土體的模擬試驗(yàn)得出的模型土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)室物理土體三軸試驗(yàn)得出的實(shí)際土體應(yīng)力應(yīng)變曲線很接近。此時所得到的一組細(xì)觀參數(shù)便可以認(rèn)為是與實(shí)際土體宏觀參數(shù)相一致的數(shù)值模擬土體參數(shù)。

最終選定的顆粒參數(shù)可見表1。表1顯示的僅僅是微觀參數(shù)，并不直接等于宏觀參數(shù)。

表1 顆粒的微觀參數(shù)

2 絞刀切削過程數(shù)值模擬及分析

將生成的“通用型絞刀”模型置入土體當(dāng)中，對土體進(jìn)行分層染色，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，在船行方向(絞刀推進(jìn)方向)存在一個斜坡，這是為了模擬真實(shí)生產(chǎn)穩(wěn)定切削過程中的絞刀推進(jìn)狀態(tài)。僅對其中的一個絞刀擺移過程進(jìn)行模擬，絞刀在向左平移過程中的豎直坐標(biāo)(z坐標(biāo))不改變。為監(jiān)測數(shù)據(jù)方便，絞刀進(jìn)入土體之前為完全懸空，絞刀從右到左移動，逐漸進(jìn)入土體。

圖4 “絞刀-土體”相互作用過程模擬

“絞刀-土體”相互作用過程參數(shù)設(shè)置為：絞刀模型前進(jìn)速度為0.26 m/s，轉(zhuǎn)速為25 r/min，與工程實(shí)際的前進(jìn)和轉(zhuǎn)動速度保持一致。切削時長為23 s，切削長度為6 m。在計算機(jī)輔助下運(yùn)行程序，絞刀模擬施工過程切削土體。在模擬過程中，疊加絞刀頭上48片刀齒的功率之和作為絞刀頭的消耗功率[10]。

其中，單個絞刀刀齒的功率計算如下。

(1)

式中:Pi為第i個絞刀刀齒的功率，kW;F為絞刀刀齒所受的切向力，kN;n為絞刀的自轉(zhuǎn)速度，r/min;di為絞刀刀齒距離絞刀中軸線的距離，m。

因此，絞刀的消耗功率計算如下。

(2)

施工過程中，吸泥管在泥泵的作用下將絞刀切削下的土體混合海水吸走。為了模擬泵吸效應(yīng)，在絞刀切削過程中將進(jìn)入絞刀刀臂外輪廓范圍內(nèi)的土體顆粒移除，統(tǒng)計移除土體顆粒的體積，以此作為計算絞刀工作時挖方量的基礎(chǔ)，記錄其體積v，作為絞刀的切削量[11-12]。總挖方量為

(3)

式中：V為總挖方量；vi為每個土體顆粒的體積；P為土體的孔隙率。

在模擬過程中，監(jiān)測“通用型絞刀”的消耗功率和產(chǎn)量，對比數(shù)值模擬結(jié)果與同樣工況下實(shí)際施工數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 “通用型”絞刀功率消耗數(shù)值模擬與實(shí)船數(shù)據(jù)對比

由圖5可見，“通用型”絞刀數(shù)值模擬中功率消耗隨時間變化與實(shí)船施工中功率消耗隨時間變化基本吻合。絞刀由開始的空轉(zhuǎn)到逐漸切削到土體；因此絞刀消耗功率從0逐漸變大。絞刀在轉(zhuǎn)動切削土體過程中，刀臂與刀臂之間存在切削間隔，且土體模型顆粒為70 mm，為均勻分布土體，因此，絞刀功率消耗曲線出現(xiàn)有規(guī)律的震蕩，且振幅較小。針對實(shí)船施工過程，在開始階段(0～1 s范圍)，絞刀從水體進(jìn)入土體，參與切削的刀臂以及刀齒最多，此時絞刀功率最大，隨著絞刀的橫移，絞刀切削逐漸穩(wěn)定，因此，最大功率從開始的630 kW逐漸降低為350 kW。在實(shí)際工程中，刀臂與刀臂之間存在間隙，刀臂切削土體為非連續(xù)性切削，且海底土體不均勻，并含有大尺寸礫石；因此，絞刀功率消耗曲線出現(xiàn)周期性震蕩的同時會在某些時刻出現(xiàn)較大的功率突變。

從功率消耗對比來看，計算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)船數(shù)據(jù)較為吻合，平均功率偏差8 kW，偏差值占實(shí)際功率的2.9%，屬于可以接受的偏差范圍，驗(yàn)證了計算機(jī)數(shù)值模擬在功率監(jiān)測和計算方面的有效性。圖6為數(shù)值模擬過程中，“通用型”絞刀切削土體的體積隨時間的變化。

圖6 “通用型”絞刀數(shù)值模擬切削量隨時間的變化

由圖6可見，從0～2 s過程中，切削量為0，從2 s以后，絞刀切削量逐漸增加，穩(wěn)定后大致成線性增長。由圖6可以計算出絞刀單位時間切削量為4 320 m3/h。在實(shí)際施工中，同樣工況下“通用型”絞刀的單位時間挖掘量平均為3 500 m3/時。數(shù)值模擬計算結(jié)果為4 320 m3/時，比實(shí)際挖方量偏差820 m3，偏差率約為23%，這是由于海上施工時實(shí)際工況較為惡劣，海底土體顆粒不均勻，含有礫石顆粒；而在數(shù)值模擬過程中，土體顆粒直徑均為70 mm小顆粒，且均勻分布，絞刀切削過程比較平穩(wěn)。因此，絞刀在數(shù)值模擬過程中計算出的產(chǎn)量偏大，偏差率達(dá)到23%。

總體來看，數(shù)值模擬的過程與實(shí)際施工過程較為吻合，偏差在可接受的范圍內(nèi)。進(jìn)而驗(yàn)證了基于離散元方法的絞刀計算機(jī)數(shù)值模擬程序?qū)Ξa(chǎn)量的計算和監(jiān)測是有效的。

3 絞刀改進(jìn)優(yōu)化

絞刀在切削土壤過程中，刀臂間隙直接影響著切削連續(xù)性，進(jìn)而影響絞刀的切削產(chǎn)量，但是，刀臂間隙過小亦會引起刀臂堵塞。因此，針對不同土質(zhì)，最優(yōu)的刀臂間隙和刀臂輪廓曲線是不同的。基于此，在原有一款典型冠形絞刀基礎(chǔ)上優(yōu)化刀臂輪廓形狀和刀臂間隙，使其刀臂輪廓形狀更傾向于錐形，更適用于細(xì)沙土質(zhì)的挖掘，形成優(yōu)化型錐形絞刀。

優(yōu)化前后絞刀刀臂的三維立體圖形如圖7、圖8。

圖8 優(yōu)化后錐形絞刀刀臂模型

根據(jù)優(yōu)化前后不同絞刀的設(shè)計數(shù)據(jù)，利用PFC軟件分別建立絞刀PFC3D模型。

以實(shí)船施工工況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在數(shù)值模擬中，設(shè)定絞刀的自轉(zhuǎn)速度為26 r/min，前進(jìn)速度為0.26 m/s，傾斜角度為27°，與實(shí)際工況保持一致。

以相同參數(shù)設(shè)置的土體模型為基礎(chǔ)，將優(yōu)化前冠形絞刀和優(yōu)化后絞刀分別與土體作用，在計算機(jī)輔助下利用PFC3D程序進(jìn)行數(shù)值模擬，切削時間均設(shè)置為20 s。監(jiān)測在整個模擬切削過程中的功率消耗情況和切削量變化情況。

將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)繪成圖9、10。

圖9 優(yōu)化前后絞刀切削過程消耗功率對比

從功率消耗來看，冠形絞刀在與土體切削作用過程中所消耗的功率大于錐形絞刀所消耗的功率值。

圖10 優(yōu)化前后絞刀切削過程土體切削量對比

對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后絞刀在前期切削過程中產(chǎn)量相差不大，曲線非常接近，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，優(yōu)化前后絞刀曲線開始出現(xiàn)分叉，產(chǎn)量相差逐漸增大。單位時間產(chǎn)量，錐形絞刀比冠形絞刀切削產(chǎn)量高大約10%。

4 結(jié)論

通過將實(shí)船施工數(shù)據(jù)與采用PFC3D的三維動態(tài)數(shù)值模擬方法所得模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了PFC3D三維動態(tài)數(shù)值模擬方法的可靠性，說明將基于離散元理論的數(shù)值模擬方法引入到絞吸挖泥船絞刀切削土體過程的研究中是可行的。這與之前采用ANSYS有限元方法對絞刀孤立的進(jìn)行靜態(tài)切削受力研究有著較大的不同，基于離散元理論的PFC3D動態(tài)數(shù)值模擬將絞刀與土體相結(jié)合進(jìn)行動態(tài)研究，實(shí)時監(jiān)測土體對刀齒產(chǎn)生的切削反作用力變化，更接近實(shí)際施工工況。將離散元理論的數(shù)值模擬方法引入到絞刀的開發(fā)研究中，有效解決了絞刀優(yōu)化研發(fā)過程中的消耗功率監(jiān)測、產(chǎn)量預(yù)報問題。同時，利用計算機(jī)輔助模擬，避免了實(shí)驗(yàn)室物模實(shí)驗(yàn)成本高、時間長的缺陷，具有較好的應(yīng)用價值。

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Numerical Simulation of Cutting Process and Optimization of Cutter Arm Curve for the Cutter Suction Dredger

ZHENG Lin-zhu1, HU Jing-zhao1, LIANG Xin2, XIE Li-quan2

(1.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd., Shanghai 201208, China;2.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092 China)

In order to research the power dissipation and cutting production in cutting process, based on distinct element method, the cutting process of cutter head was numerically simulated in PFC3D program to analyze the cutting production and the power dissipation of cutter head. Comparing the numerical results with that of the working dredger showed that the numerical simulation is valid. Based on the numerical results, the cutter arm curve of the cutter suction dredger was optimized.

cutter suction dredger; cutter head; distinct element method; PFC3D program; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.016

2016-09-27

鄭琳珠(1965—)，女，學(xué)士，高級工程師

研究方向：疏浚船舶特種設(shè)備研發(fā)

U674.31

A

1671-7953(2017)04-0072-05

修回日期：2016-10-23