非均勻復雜混合土絞刀研制與應用

文武，陳旭

（1.中交上海航道裝備工業有限公司，上海 201208；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

黏土、砂礫、卵石等非均勻復雜混合土在我國北方沿海分布較為廣泛，土質呈多樣混合性。針對其不均勻的分布特點和復雜的土質工程特性，國內外均采用抓斗挖泥船挖掘的常規施工工藝，施工效率較低，成本較高，且施工質量難以控制，對較大規模的混合土質疏浚工程適應性較差。

1 絞吸船挖掘難點分析

絞吸船具有施工效率高、挖掘輸送一體化的優勢，適用于大面積疏浚吹填施工。絞刀是絞吸式挖泥船的核心裝備[1]，上航局3 500 m3/h絞吸船使用的常規絞刀為通用型絞刀和挖巖絞刀，本文以秦皇島港山海關港區起步工程疏浚工程中的3 500 m3/h絞吸船為平臺，分別試驗了通用型絞刀和挖巖絞刀在典型非均勻復雜混合土土質工況下的挖掘情況。

1）通用型絞刀

通用型絞刀采用6臂結構，絞刀外廓線呈冠形半圓狀，刀臂長度較長，在挖掘混合土時主要存在以下不利現象：淤選配的扁齒或鑿形齒，在挖掘混合土時，刀齒與土體接觸面積較大，摩擦阻力較大，且遇較大塊石易受沖擊折斷；于絞刀軸轂處刀臂間流道距吸口較遠，流速低、真空小，不利于絞刀頭部切削的土塊與水有效混合與流動，易堆積在絞刀頭部導致絞刀切削阻力增加；盂絞刀刀臂數量較多，刀臂間距較小，卵石、硬黏土塊易卡滯于刀臂間，在挖掘過程中自絞刀頭部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最終導致絞刀完全包裹和吸口堵塞，絞刀挖掘能力喪失；榆含有黏土的混合土最易導致絞刀包裹現象，并且經絞刀旋轉擠壓后的黏土塊質地堅硬，清理極為困難，單次清理需耗時3~4 h；虞絞刀外形飽滿，刀齒距軸線距離較遠，力臂較長，絞刀額定功率下的切削力無法滿足混合土高效切削要求，需采用較薄的泥層厚度和較慢的橫移速度，挖掘效率較低，僅為1 000 m3/h左右。

2）挖巖絞刀

挖巖絞刀為提高整體強度，刀臂寬、長度小且間距狹窄，絞刀腔內空間亦較小，在挖掘混合土時主要存在以下不利現象：淤刀齒為尖齒，齒尖部分磨損過快，鈍化現象嚴重導致貫入力下降，絞刀切削阻力大；于切削的土塊難以在較小的絞刀腔室內與水均勻混合，吸口堵塞現象嚴重，水下泵吸入性能難以充分發揮，土方遺留量較大；盂狹窄的刀臂間距更易導致堵塞現象，絞刀包裹頻率更高；榆平均挖掘效率較通用型絞刀低200 m3/h左右，僅約800 m3/h。綜合現場試驗情況，挖巖絞刀對非均勻復雜混合土的適應性較通用型絞刀更差。

綜上，常規絞刀對非均勻復雜混合土的適應性均較差。

2 新型絞刀研制

針對常規絞刀在挖掘非均勻復雜混合土時易出現切削阻力大、易堵塞和效率低等不利現象，需根據混合土土質工程特性，研制一種適用性良好的專用型絞刀，以最大程度上兼顧混合土中各類土質的不同混合狀態，達到安全、高效挖掘施工的目的。

2.1 確定刀臂數量

常規絞刀在挖掘混合土時的堵塞規律為自絞刀頭部向后部逐漸堵塞，由1~2個刀臂間通道堵塞逐步向全部通道堵塞，由絞刀外部逐漸向內部擠壓型堵塞，泥土以絞刀臂、絞刀軸為框架構成穩定的球狀結構，最終導致絞刀挖掘能力喪失。因此，常規6臂絞刀軸轂處刀臂間距較小，易導致泥土塊卡滯，是造成絞刀堵塞現象的主要因素之一，需合理減少刀臂數量，使絞刀軸轂處刀臂間通道更為開敞，提高泥土塊的通過能力。當刀臂數量為5臂時，可有效增加軸轂處刀臂間距20%左右，并可通過刀臂線型優化，使同時參與切削的刀臂數量達2.5個，將絞刀震動和沖擊負荷控制在可接受范圍內，因此，本項目采用5臂結構新型絞刀形式。

2.2 刀臂外輪廓線形設計

2.2.1 刀臂外輪廓線在絞刀軸面上投影曲線

經過幾十年的發展，絞刀結構形式基本趨近于一致，都由刀圈、刀臂、軸轂、齒座與刀齒組成[2]。絞刀主要設計參數為絞刀外徑D、刀臂寬度B、刀臂外輪廓線包角贅1、刀臂內輪廓線包角贅2[3]、絞刀外輪廓線高度H、絞刀內輪廓線高度h、泥土標準貫入擊數N和刀臂輪廓線外展系數k=tan 茁[4]，見圖 1。

圖1 絞刀主要設計參數示意圖Fig.1 Diagram of main design parameters of cutter

目前國內外主要采用絞刀外徑D、絞刀外輪廓線高度H、泥土標準貫入擊數N和刀臂輪廓線外展系數k=tan茁為主要因子對刀臂外輪廓線在絞刀軸面上的投影曲線進行數學描述[5]，其方程如下：

式中：z，y為刀臂外輪廓曲線Z、Y坐標；H為絞刀外輪廓線高度；k為刀臂輪廓線外展系數；D為絞刀外徑；N為泥土標準貫入擊數；茲為描述外輪廓線形狀的角度參數，其值需確保輪廓線與軸轂面相交，一般取值 0毅~150毅。

絞刀外形尺寸、重量以及動力傳動方式等受現有挖泥船的制約[6]，為確保新型絞刀與3 500 m3/h絞吸船適配，本項目設計的新型5臂尺寸與常規6臂絞刀相同，即：

1）絞刀外徑D取2700mm（內圈直徑2330mm，大圈寬度 185 mm）[7]；

2）軸轂頂部高度取1 450 mm，軸轂半徑取300 mm；

3）為避免軸轂部位堵塞現象，絞刀采用冠狀外形，刀臂輪廓線外展系數k取-0.05，絞刀外輪廓線高度H取1 500 mm。

非均勻復雜混合土標準貫入擊數為2~36不等，主要土質標準貫入擊數平均值約為30，故泥土標準貫入擊數N取30。

由以上參數可知，刀臂外輪廓曲線Z、Y坐標取值范圍為：0臆z臆1 500；0臆y臆1 350。

將以上各參數值代入式（1）并求解，可得描述外輪廓線形狀的角度茲取值范圍為0毅~85.36毅；由此可繪制刀臂外輪廓線在絞刀軸面上投影曲線。

2.2.2 刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線

為確保絞刀頭部刀齒先入泥以提供最大切削力，新型絞刀采用前移式刀臂形式，匹配較小前移量和泥層厚度進行挖掘施工，可在最大程度上提高絞刀的破土能力。5刀臂外輪廓線沿軸轂外沿均等對稱分布，夾角為72毅，刀臂頭部切線在軸轂內部組成內切于軸轂的等五邊形，刀臂尾部與絞刀大圈外沿相交，形成的刀臂外輪廓線包角贅1為 71毅。

本項目采用絞刀外徑D、絞刀外輪廓線高度H、泥土標準貫入擊數N、刀臂輪廓線外展系數k=tan茁以及刀臂外輪廓線包角贅1為主要因子對刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線進行數學描述，有關水平坐標系設置及相關參數圖解見圖2。

刀臂外輪廓線在絞刀平面上投影曲線方程如式（2）：

式中：x、y為刀臂外輪廓曲線X、Y坐標；H為絞刀內輪廓線高度，H=1 500 mm；k為刀臂輪廓線外展系數，k=tan茁=-0.05；D為絞刀外徑，D=2 700 mm；N為泥土標準貫入擊數，N=30；茲為描述外輪廓線形狀的角度參數，取值0毅~85.36毅；d1、d2見圖2，d1=885 mm，d2=93 mm；贅1為刀臂外輪廓線包角，贅1=71毅。

2.2.3 刀臂內輪廓線形設計

新型絞刀采用45毅螺旋角設計，即刀臂與水平方向夾角為45毅，有利于絞刀受力平穩增加，且刀臂間距較為合理；同時采用該螺旋角，有利于切削時黏性土發生剪切變形和向絞刀腔內輸送，避免發生絞刀堵塞現象。

類似于刀臂外輪廓線投影方程，對于內輪廓線，亦采用相似參數對平面投影曲線進行數學描述，如式（3）及圖3。

式中：x、y、z為刀臂內輪廓曲線X、Y、Z坐標；h為軸轂頂端高度，h=1 240 mm；d3、d4見圖3，d3=490 mm，d4=93 mm；贅2為刀臂內輪廓線包角，贅2=61毅；B為刀臂寬度，B=370 mm；準為絞刀螺旋角，準=45毅。

圖3 刀臂內輪廓線水平坐標系設置及相關參數圖解Fig.3 Setting of horizontal coordinate system of inner contour line of cutter arm and illustration of related parameters

2.2.4 新型絞刀三維模型構建及強度分析

根據新型絞刀刀臂內、外輪廓空間曲線方程和絞刀設計參數，構建絞刀三維模型，采用三維建模軟件構建絞刀三維模型，采用有限元分析軟件對新型絞刀進行受力分析[8]，校核其強度是否滿足挖掘施工要求。

1）計算方法

絞刀在挖掘時，各刀臂間受力相互獨立，且刀臂主要受力為切向力；參與切削的刀臂數量視切層厚度為2.0~2.5根，為模擬最不利工況絞刀受力情況，采用額定功率下2根刀臂參與切削的工況進行受力分析，其計算條件如下：

物性條件：絞刀底圈材料為25鍛鋼，絞刀臂材料為ZG20Mn，絞刀軸轂材料為ZG230-450。

負荷條件：根據目標船舶性能，其絞刀額定功率為1 200 kW，因2根刀臂參與切削，故單個刀臂最大切削功率可簡化為600 kW。

式中：F為刀齒所受切向力，kN；n為絞刀轉速，取25 r/min；di為刀齒距絞刀中軸線的距離，m；m為每刀臂安裝刀齒數量，取8個，刀齒為等間距分布。

2）計算結果及分析

根據應力分布計算結果，最大應力為71.41MPa，發生在刀臂與軸轂連接部位，絞刀臂材料ZG20Mn許用應力207 MPa，軸轂材料ZG230-450許用應力167 MPa，均大于絞刀最大應力，可認為強度滿足要求。

2.2.5 新型絞刀主要特點綜述

經絞刀刀臂數量優化、刀臂輪廓線形重新設計、三維建模模擬和受力分析，采用5臂結構的新型絞刀結構強度滿足要求；刀臂軸轂位置間隙達190 mm，刀臂整體間隙達650 mm，較通用6臂絞刀提高約34%，切削土通過能力更好，滿足非均勻復雜混合土挖掘施工要求。

2.3 刀齒安裝角度優化

刀齒在刀臂上的安裝角度對泥土切削厚度、破碎度和刀齒受力、磨損情況均有直接影響，安裝角度可用刀齒螺旋角和外傾角進行表述，其中螺旋角為刀齒中心線與絞刀大圈平面的夾角，外傾角為齒的中心線在大圈平面上投影與齒尖旋轉圓切線所構成的夾角。刀齒安裝角度與刀臂線形相關，隨刀齒在刀臂位置不同而不同，進而影響切削時的刀齒姿態，即傾角、切削角和間隙角[9]。

在設計刀齒安裝角度時，應綜合考慮刀齒傾角、間隙角相互關系及對刀齒切削的影響。針對非均勻復雜混合土質，刀齒傾角應滿足切削時受力較小，切削厚度較薄，且具有足夠的間隙角；因刀齒在刀臂上安裝位置不同，旋轉半徑由絞刀大圈至頂端逐步減小，刀齒合成線速度亦由大圈至頂端逐步減小，且方向偏向于水平，導致間隙角隨之減小，因此最小間隙角在絞刀軸高端出現。根據以上要求和刀齒外形尺寸，刀齒間隙角標準值采用12毅，傾角應控制在40毅~70毅之間，由絞刀頂部至大圈逐漸增加，即對應的刀齒安裝外傾角由絞刀頂部至大圈逐步減小。間隙角和傾角的關系見圖4所示。

圖4 絞刀齒的間隙角和傾角關系Fig.4 Relationship between clearance angle and inclination angle of cutter teeth

有關新型5臂絞刀安裝刀齒后模型及實物見圖5。

圖5 新型5臂絞刀模型及實物圖Fig.5 Model and picture of new type 5-arm cutter

3 施工效果

大型3 500 m3/h絞吸船新海鷗輪在秦皇島港山海關港區起步工程疏浚工程施工，施工土質為典型非均勻復雜混合土，由淤泥質粉質黏土、中砂、粗砂、圓礫、粉質黏土、卵石組成，卵石平均粒徑為80 mm左右，最大300 mm。通過新型絞刀的有效應用，解決了絞刀易包裹的難題，有效提高挖掘效率和時間利用率。根據現場施工數據統計，船舶平均施工時間利用率提高約37%，平均施工效率提高了約29%，達到1 600 m3/h，每月增加施工工程量31.26萬m3。

4 結語

本文主要解決了大型絞吸船在非均勻復雜混合土質工程施工項目中的挖掘施工難題，項目研究成果已在秦皇島港山海關港區起步工程疏浚工程非均勻混合土質工程中得到了成功應用，參與施工的大型絞吸船生產效率和施工質量均得到了有效提升，滿足了工程建設需求，得到如下結論：

1）大型3 500 m3/h絞吸船在非均勻混合土質施工中，通用型絞刀和挖巖絞刀均存在絞刀包裹現象，包裹自絞刀頭部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最終導致絞刀完全包裹和吸口堵塞。

2）采用5臂結構的新型絞刀；刀臂軸轂位置間隙達190 mm，刀臂整體間隙達650 mm，較通用6臂絞刀提高約34%，切削土通過能力更好。

3）大型3 500 m3/h絞吸船新海鷗應用新型絞刀后，船舶平均施工時間利用率提高了約37%，平均施工效率提高了約29%，達到1 600 m3/h，滿足非均勻復雜混合土挖掘施工要求。