適用于超高密實泥質砂底質的小功率絞刀設計

程旭東

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著經濟社會發(fā)展和國防建設的需要，對絞吸船在復雜工況條件下作業(yè)的需求越來越高，新造絞吸船正朝著大功率、長吹距、自動化方向邁進。絞吸船施工能力主要體現在絞刀挖掘切削能力和泥泵管道輸送能力兩個方面，其中硬土及巖石的挖掘成為其施工能力的一個重要指標。絞刀作為絞吸船的“神兵利器”，其挖掘能力直接影響船舶的施工效率與經濟效益。針對國內大批尚處于黃金船齡期的絞吸挖泥船，其絞刀功率普遍偏小，土質適應能力有限，動力系統(tǒng)升級困難且技改費用高，因此，優(yōu)化并提升絞刀挖掘性能就顯得尤為重要[1]。

絞吸船生產效率取決于流量和泥漿濃度[2]。流量主要取決于泥泵功率的大小，泥漿濃度主要取決于土質及絞刀頭性能、挖掘深度、排距等。在絞吸船泥泵系統(tǒng)、絞刀頭動力系統(tǒng)等已設定的情況下，如何提高絞刀挖掘能力，實現特殊地質工況下最佳泥漿濃度，提高生產效率，是本文探討的主題。

2 工程概況與目標船簡介

泰國林查班港位于泰國灣東北部沿海，曼谷東南130 km與芭提雅正北20 km之間。項目主要工程量:疏浚面積640萬m2，設計底標高-18.5 m，其中清淤1 640萬m3、挖硬底質土4 200萬m3，符合要求的疏浚土全部用于造陸，最大吹距3 km。

經地質復勘，按疏浚巖土的分類指標判別，疏浚區(qū)表層為淤泥，下部土質顆粒呈細中粗分布，主要有三類:CL(低塑限黏土)、SM(粉土質砂)、SC(黏土質砂)，其中CL為局部層狀土，占比較小，絕大部分為SC土質。按疏浚巖土工程特性和分級劃分[3]，三種土質標貫擊數介于15～75，平均標貫擊數約45，其中CL呈“堅硬”狀態(tài)，SM、SC狀態(tài)為“密實”，標貫值＞30的砂性土或＞15的黏性土定義為硬底質。本工程土質屬于硬底質，分別劃歸5級和8級工況，現場實測標貫值見表1。

表1 工程標貫值

根據《疏浚與吹填工程設計規(guī)范》中疏浚巖土的可挖性表分析，絞刀功率≥1 000 kW的絞吸船對應以上土質的可挖性分別為“較難”和“尚可”；結合《疏浚與吹填工程技術規(guī)范》中挖泥船適應性能表對比分析[4]，絞刀功率1 200～4 600馬力的絞吸船對應以上土質的可挖性為“宜”和“尚可”。

疏浚設備應根據工程規(guī)模、巖土可挖性、管道輸送適宜性、現場自然環(huán)境條件等因素進行選擇。目標絞吸船屬承包方自有資產，共2艘，2010年建造，絞刀軸功率1 470 kW，設計清水流量14 400 m3/h、額定生產能力3 500 m3/h，最大挖深25 m、吹距7.5 km。根據項目情況與目標船參數判斷，該工程采用目標船施工，理論上可行，且對比其他類型的疏浚裝備還具有產能和成本優(yōu)勢。

根據行業(yè)施工經驗，標貫值達到30的密實土，疏浚比較困難，產能較低，而對于局部標貫擊數達到75的堅硬密實土質，國內可借鑒的成熟案例少，通常會直接選用大功率挖巖絞吸船來完成。鑒于目標船絞刀功率偏小，挖掘切削能力偏低，受景區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)環(huán)保要求限制，屬地政府不允許采用水下爆破預處理等技術措施，而外租大功率絞吸船存在成本高、管控風險大等較多不確定因素，為充分利用資源，提高創(chuàng)效水平，確立了對目標船絞刀頭進行適應性設計制造的思路。項目開工后，利用原配絞刀頭疏浚表層淤泥及軟弱土層，遇硬底質快速換裝新設計絞刀頭進行開挖，對于局部特硬底質采取船載機械預裂輔助完成，實現目標船各類土質全覆蓋。

3 絞刀改進設計要求

目標船絞刀軸功率為1 470 kW，絞刀實物見圖1，該絞刀系統(tǒng)為液壓驅動，適用于挖掘淤泥及較為松散的砂類等土質。

圖1 原絞刀實物

通過分析，該絞刀目前存在以下問題:

(1)絞刀齒尖較寬，施工硬底質土層時會出現切削不動的現象；

(2)絞刀切削角較大，減弱了破土能力；

(3)絞刀外徑及高度偏大；

(4)刀齒更換費時，影響絞吸船連續(xù)作業(yè)時間。

為適應硬底質挖掘，在不改變目標船絞刀軸功率和絞刀頭安裝尺寸的基礎上，設計一種能快速換裝的挖硬土絞刀，通過提高絞刀刀齒切削力，滿足目前工況的使用要求，達到提升絞吸船施工效率的目的。

4 硬底質土專用絞刀設計

絞刀主要由大圈、輪轂、刀臂及刀齒組合而成，輪轂與大圈設計時只需考慮與絞刀臂連接的尺寸位置及強度要求，絞刀的設計開發(fā)主要圍繞刀臂輪廓線的選擇及刀齒的選配分析進行。

4.1 整體參數設計

針對硬底質土砂，選擇偏巖石挖掘類絞刀[5]，參照國內外已有絞吸船絞刀相關資料，通過對一些主要功能參數進行分析優(yōu)化及合理匹配，初步確定了絞刀設計的相關參數(見表2)。

表2 絞刀設計的主要參數

4.2 刀齒系統(tǒng)選型

挖巖絞刀的工作原理為:從刀齒尖部接觸巖石開始，在切削力作用下齒尖接觸巖石部位產生塑性變形，通過往復的沖擊，巖石內部產生裂紋并不斷向表層擴展延伸，直至巖石成塊的剝落[6]。本工程硬底質土結合強度高，粘附性一般，需要較大的切削力，破碎后以二相混液狀存在，泵吸效果較好，因此絞刀齒應選擇“尖齒”，見表3。

表3 絞吸挖泥船各類絞刀適用土質

參照國外現有的尖齒類型，結合絞刀功率等設計參數[7]，設計絞刀齒結合方式為“齒包座”，鎖緊方式為“插銷式”。該結構可有效保護絞刀座，減少刀座磨損，延長絞刀壽命，而且此鎖緊機構更便于絞刀齒拆裝更換。刀齒系統(tǒng)主要參數見表4。

表4 刀齒系統(tǒng)設計參數

4.3 絞刀齒排布輪廓及安放角度確定

根據IHC提出的絞刀設計理論，圖2為IHC幾種形式的絞刀齒尖掃掠面軸向截面示意圖。實際刀臂輪廓線是一條復雜的空間螺旋曲線，該曲線是通過坐標的參數方程進行描述[8]，絞刀齒布置也以空間螺旋線進行。根據挖掘土質不同，絞刀的外形可分為 A、B、C、D 四種規(guī)格，A、B直徑較大，不易堵塞，適于挖掘粉砂、淤泥、黏土等土質，C、D直徑較小，切削力大，適于挖掘硬土、巖石等堅硬的土質。因此，挖巖絞刀的刀齒側向輪廓線排布為D形式。

圖2 絞刀外形輪廓線

絞刀齒的安裝位置位于圖2外輪廓線上，設計過程中，需要考慮挖泥船橋架下放角度及實際工作中絞刀的幾何位置[9]。徑向截面視圖下刀齒的安放角度如圖3，其安放角度K的大小直接影響刀齒的受力，選擇一個合適的角度將使得絞刀齒的受力均勻，不易發(fā)生折斷。

圖3 刀齒徑向截面安裝角度

絞刀在挖掘堅硬的土質時受到的沖擊力較大，為了避免單一絞刀齒受到過度沖擊，減少對絞刀軸的沖擊，減少震動，防止絞刀齒斷裂，挖硬土絞刀的包角一般比挖砂絞刀的大，比挖巖絞刀的小，軸向截面視圖下挖硬土絞刀的包角設計為94°，如圖4所示。

圖4 刀齒軸向截面安裝角度

刃前角是絞刀齒在切削過程中一個重要的空間位置參數[10]，絞刀齒刃前角在挖掘較硬的土質時不易過大，最佳范圍為15°～30°，根據施工經驗，選擇26°作為絞刀齒的刃前角為宜。

每條絞刀臂上的刀齒數量為7個，均按一定距離間隔布置，形成6臂交錯形式，可有效提高挖掘效率，減少漏挖，也可對下一條絞刀臂及絞刀座提供一定的保護，減輕磨損。絞刀圈上也相應布置有3個絞刀齒參與挖掘，對絞刀圈起到一定的保護作用。

4.4 結構強度分析

絞刀齒材料選擇低合金耐磨鋼，其抗拉強度不低于1 200 MPa，根據已經確定的絞刀參數與齒座空間安裝位置，對齒系統(tǒng)進行強度分析，刀齒最大應力為240.52 MPa，強度滿足設計要求。

為保證計算精度并提高效率，對絞刀的三維模型進行適當簡化，將絞刀轂設置為固定接觸約束，建立絞刀整體結構強度的有限元模型[11]，根據已獲得的數據對絞刀臂進行強度分析，刀臂與絞刀轂以及絞刀圈連接處扭曲程度最大，最大應力137 MPa，而絞刀臂材料抗拉強度不低于450 MPa，強度滿足設計要求。

4.5 絞刀配套裝置優(yōu)化

鴨嘴形吸入口作為破碎泥塊收集設施，與絞刀尺寸和水下泵吸入端管徑關聯，需匹配加工過渡板，減少漏泥量，防止堵塞水下泵吸口。由于絞刀切削力增強，對橋架的反作用力加大，橋架重量可能會顯不足，出現彈跳現象[12]，視試挖效果在橋架中前端焊裝可調水壓載艙解決，或者采取正刀空擺、反刀挖掘。

4.6 新設計的絞刀

綜上，針對超高密實泥質砂硬底質疏浚設計的新型小功率絞刀結構如圖5所示，實物見圖6。

圖5 新絞刀2D示意

圖6 新絞刀實物

5 結束語

為適應林查班港項目硬底質疏浚，提高挖掘效率，更好地匹配泥泵系統(tǒng)輸送能力，在不改變目標船動力裝置等系統(tǒng)的前提下，通過絞刀參數設計、齒系統(tǒng)優(yōu)化、絞刀齒排布輪廓及安放角度確定、絞刀結構強度校核等，設計出了適應硬底質土施工的新型絞刀。本絞刀結構強度明顯增加，刀齒切削力提高約18%，換齒速度提高1倍以上，對擴展類似船舶性能、提升綜合生產效率和施工效益具有重要借鑒意義。