挖岩绞刀的岩石切削试验及数值模拟

绞刀是绞吸挖泥船的核心部件,通过现场试验研究绞刀挖掘性能的代价巨大。针对在实船试验中难以遇到合适土质的问题,提出在实验室进行挖掘试验和数值模拟表征绞刀挖掘性能的方法。制作2000 kW功率绞刀的缩比模型和不同单轴抗压强度的岩石模型,在实验室进行不同切削厚度、步进距离等参数的绞刀切削岩石的模型试验,建立1:1尺寸的绞刀数值模型和岩石模型,采用单元删除法模拟2000 kW绞刀切削岩石的过程,分别模拟产量为240和500 m3/h的切削过程,并分析绞刀切削功率和横移拉力。结果表明,挖掘产量240 m3/h时的最大功率为1884 kW、平均功率为1088 kW,满足设计要求。

大型绞吸挖泥船挖岩绞刀切削数值模拟

针对绞刀切削岩石的特点,建立了考虑步进距离和切层厚度的绞刀受力模型,然后分别建立5 000 kW绞刀物理模型和有限元模型。分析了在反刀切削岩石时绞刀的受力情况,绞刀在最大功率时的应力和变形。计算表明,5 000 kW绞刀在设计工况下,最大变形为1.84 mm,最大应力为140.5 MPa,分别满足刚度要求和强度要求,验证了绞刀设计的合理性。

绞刀运动姿态的欧拉角表示

传统的绞刀运动往往被简化为横移加旋转的二维运动方式,这种运动简化方法难以准确地定义绞刀的位置和姿态。以刚体运动学为出发点,严格推导了绞刀运动的欧拉表示方法,以全新的视角描述了绞刀的运动。对绕任意轴转动的欧拉旋转进行了公式推导,能够简单而准确地描述绞刀的位置和姿态变化。使用绞刀横移偏转角度、下放角度和旋转角度定义绞刀的位置和姿态,并给出了绞刀和刀齿位置姿态的表达形式。

绞吸挖泥船大功率挖岩绞刀设计与研究

结合建造大功率绞吸挖泥船的需要,设计适用于挖掘岩石的大功率绞刀;按照相关经验公式对绞刀挖掘岩石进行受力分析;根据受力分析的结果,利用有限元分析软件对绞刀进行结构强度计算与分析,结果表明满足设计要求;利用CFD软件对绞刀流场进行模拟与分析,理论验证刀臂导送沟槽优越性;通过实验室模型试验验证绞刀各主要参数设计合理;根据各项分析及验证结果对绞刀各主要参数进行优化设计,提高绞刀的挖岩效率。大功率挖岩绞刀设计与研究的方法与流程,可为相关人员提供有益参考。

基于黏土挖掘的绞刀模型试验研究

针对我国疏浚技术基础理论研究落后,数值模拟绞刀挖掘黏土不准确等问题,通过理论研究、小规模试制的方法,制备了目标试验用黏土,并研制了一款适用于实验室使用的模型黏土绞刀。在此基础上开展了模型绞刀挖掘黏土的实验室研究,分析绞刀转速、横移速度、泥层厚度、前移距等工艺参数对挖掘试验泥浆浓度的影响规律。得出其选取原则:选择中等绞刀转速,适当降低横移速度,以及在确保桥架前端不阻碍横摆的条件下,优先选用增加前移距的方法提高挖掘断面面积。该研究成果可为黏土挖掘工艺参数的选取提供参考。

绞吸挖泥船大功率挖岩绞刀的荷载分析

针对绞吸挖泥船在挖岩施工过程中绞刀荷载难以定量确定的问题,建立刀齿的坐标模型,根据施工参数判定刀齿大圈切削状态,利用单齿切削岩石的荷载模型建立绞刀整体的荷载分析模型,计算绞刀在不同转动速度、横移速度、姿态角度和岩层厚度等工况下的横向力、竖向力、纵向力以及绞刀功率情况,每种工况以正刀和反刀两种姿态进行分析。结果表明,无论正刀还是反刀施工,绞刀的转动速度和横移速度都对绞刀的功率消耗产生正相关影响,绞刀的姿态和泥层切削厚度对绞刀荷载的影响最大。

绞吸挖泥船挖掘黏土混粗砂的绞刀齿磨损试验

针对绞吸挖泥船在疏浚工程中刀齿磨损严重的问题,对绞刀齿的硬质合金材料进行热处理,并在日照港"天凤"绞吸挖泥船上进行了刀齿磨损试验。试验土质为黏土混粗砂,布置方式为3在用刀齿+3新刀齿。利用磨损长度和磨损质量两个指标判定刀齿的耐磨性能,提出了考虑价格因素的刀齿耐磨综合性价比模型。试验结果表明:在该土质下,新型刀齿的耐磨性能约为原齿的87%。

基于三维切削理论的绞刀载荷分析

绞吸挖泥船在作业过程中,绞刀载荷对施工影响显著。由于刀具作用于岩石和土壤的过程是三维的,针对传统的二维切削理论在绞刀载荷分析上的不足,研究了适用于绞刀的三维切削理论。研究二维切削情况下绞刀齿和被切削岩土块的力学平衡方程,提出了用于绞刀载荷分析的力学模型。在绞刀齿的三维坐标矩阵的基础上,进行载荷的坐标变换,给出绞刀的横移载荷、对地载荷和顶推载荷的表达方式。实例计算表明,所提出的绞刀的力学模型可以用于绞刀载荷的计算和分析,对于绞刀的设计和绞吸挖泥船的安全施工具有一定的指导价值。

中长周期波下“天麟号”绞吸挖泥船的施工适应性

针对“天麟号”绞吸挖泥船在海外施工时遇到的中长周期波问题,建立“天麟号”的风浪流计算模型,计算不同波高、不同周期和不同浪向的船体波浪力,根据静力平衡方法得出三缆定位钢丝绳的作用荷载,根据最大荷载确定绞吸挖泥船能够施工的最大有效波高。结果表明,在中长周期范围内,随着波浪周期的增加,“天麟号”受到的波浪力逐渐减小,三缆定位钢丝绳的受力也逐步减小。波浪周期在13~16 s时,“天麟号”能够施工的最大有效波高为0.55 m,顶浪施工的最大有效波浪为0.76 m。

天津港区硬质黏土切削过程的有限元模拟

硬质黏土的挖掘存在效率低的问题,需要研究该种土质的切削机理。利用数值模拟技术,建立刀齿切削硬质黏土的三维分析模型。土体的本构模型采用非线性弹塑性模型,应用单元损伤失效准则模拟硬质黏土的切屑,并基于显式积分算法实现了硬质黏土全物理过程的数值仿真,分析不同时刻的土体变形状态,得到刀齿的切削荷载。结果表明,对于所选定的硬质黏土参数,切削厚度分别为50、100和150 mm时,数值模拟与切削试验的误差分别为27%、9%和5%。考虑到土体的不均匀性,建议用数值模拟结果的切削力峰值表达切削荷载。

深层水泥搅拌船搅拌器切削砂土过程数值模拟

针对深层水泥搅拌船在海上进行砂土地基加固时掘进难题,利用数值模拟技术,建立了深层搅拌船搅拌器切削部件切削泥土和搅拌部件搅拌泥土的三维分析模型,土体的本构模型采用Drucker-Prager模型,应用单元损伤失效准则模拟砂土的破坏过程,并基于显式积分算法实现搅拌器切削齿切削砂土的动态过程仿真,分析搅拌器的切削阻力、切削功率和搅拌功率,以及正常工况下和极限工况下搅拌器的应力状态。结果表明,在极限工作状态下,搅拌器最大应力出现在端部,为231 MPa,满足强度要求。

绞吸挖泥船环保清淤功能的研发

针对绞吸挖泥船在清淤过程中挖深不足的问题和环保施工的要求,对绞吸挖泥船进行适应性改造,具体为将绞吸挖泥船前端绞刀挖掘设备更换为环保清淤设备,实现了绞吸挖泥船的环保清淤功能。为了增加清淤设备的灵活操作性能,开发了一种新型清淤设备,位于桥架和清淤吸头之间。针对水平悬挂、36 m挖深和40 m挖深3种工况,对清淤设备关键部件进行强度分析。结果表明,关键部件最大应力为84.2 MPa、最大变形为2.5 mm,满足强度和刚度要求,优化后关键部件符合施工要求。

挖泥船绞刀挖岩的离散单元法数值模拟

对挖泥船绞刀挖岩的三维离散单元法数值仿真过程进行了研究,使用离散元软件EDEM通过虚拟休止角试验标定了颗粒及边界的摩擦系数,通过虚拟单轴压缩试验和虚拟巴西圆盘劈裂试验标定了接触模型微观参数,并完成了绞刀挖岩的离散元动态切削仿真。结果显示切削形貌与实际基本相符,扭矩平均值与实验值以及有限元仿真值基本相符,进而验证参数标定的可靠性,对预测绞刀受力具有参考意义;同时不同于有限元仿真,材料破碎后碎屑颗粒依然保持运动,为进一步研究碎屑的导送提供可能。

基于CFD-DEM方法的挖泥船绞刀导送性能研究

为了研究绞吸式挖泥船水下绞吸砂土的效率问题,结合计算流体力学和离散单元法提出了一种研究绞刀绞吸过程的三维数值模拟方法,并且建立了基于绞刀的流体计算域模型和砂土的离散元接触模型。利用这两个模型模拟了砂土被挖泥船绞刀切下以及通过管道排出的完整过程,得到了五臂绞刀和六臂绞刀在不同转动速度和横移速度下的绞刀转动功率和导送效率的变化规律,并与实船数据进行了对比。结果表明:转速恒定时,绞刀转动功率和导送效率随着横移速度的增大而逐渐上升;当横移速度恒定时,绞刀转动功率随着转速增大显著上升,而导送效率先上升然后又降低;在不同工况下两种绞刀的转动功率基本相同,但六臂绞刀的导送效率优于五臂绞刀;数值模拟获得的绞刀转动功率和导送效率与实船数据对比误差分别约为15%和25%,验证了本数值模拟方法的可行性。

绞刀齿空间位置和姿态的定位技术

绞刀在制作完成以后或者齿座在修复以后,刀齿的位置和姿态都难以被检验,主要原因是传统方法难以对绞刀齿进行准确的空间定位。从检验装置获得了定位点的坐标,然后以中间坐标系为纽带,推导刀齿在基准状态和空间状态的两个坐标系的复合变换关系,并得出变换矩阵的表达形式,建立绞刀齿空间位置和姿态的表达方法,解决了绞刀齿空间定位的问题。结果表明,该技术能够快速进行刀齿的空间定位,能够用于绞刀制作后或者齿座修复后的刀齿位置和姿态检验。

氮、磷吸附/解吸法确定环保疏浚深度方法探讨——以太原汾河示范段为例

有效疏浚深度是决定疏浚工程造价和治理效果的关键指标,目前我国现行标准规范尚未明确底泥营养盐浓度的标准,对营养盐超标河湖污染底泥的评价和有效疏浚深度确定十分不利。以太原汾河示范段为例,取其代表性柱状样0.3~0.4、0.9~1.0、1.4~1.6、1.9~2.0 m深度的底泥,分别设计Ⅰ类~劣Ⅴ类氨氮(NH4^+-N)、正磷酸盐(PO4^3-)的模拟水和柱状样实际上覆水,进行氮、磷吸附/解吸试验,并分析不同深度底泥氮、磷吸附/解吸特征。结果表明:柱状样1.6 m深度以内底泥中NH4^+-N对水体呈释放状态,1.9 m深度底泥对水体中NH4^+-N具一定吸附性;1.6 m深度以内底泥中PO4^3-对水体有释放风险,1.9 m深度底泥对水体中PO4^3-具一定吸附性;1.3 m深度底泥中总氮(TN)、NH4^+-N浓度出现较明显的拐点,1.6 m深度底泥中总磷(TP)浓度出现较明显的拐点。结合底泥对上覆水体影响及底泥中氮、磷浓度垂向变化等因素,确定太原汾河示范段有效疏浚深度为1.6 m。

绞吸挖泥船泥浆浓度的无放射源环保测量技术

泥浆浓度是绞吸挖泥船施工产量的关键参数,传统的测量技术因使用放射源而产生核辐射风险和环境污染问题。采用电学层析技术中的电阻层析成像(ERT)技术进行泥浆管道的浓度分布成像,利用电导率测算泥浆浓度,研制了一套泥浆浓度的新型无放射源测量装置,并进行了绞吸挖泥船实船应用试验。结果表明:该新型泥浆浓度测量装置与取样结果误差在3%以内;相对于传统放射源测量装置可靠性提高,环保性能更加突出。

高效黏土绞刀研制与应用

针对绞刀挖掘黏土的特点,优化了刀臂的断面形状,建立绞刀的三维模型,分析绞刀在最大功率时的应力和变形。为了满足绞刀刚度强度要求,采用高强度高韧性的合金钢材料,优化绞刀制造和焊接工艺。实船应用表明,在同等工况条件下,高效黏土绞刀相比传统黏土绞刀,绞刀功率降低约14.3%,验证了绞刀设计的合理性和先进性。

绞吸挖泥船柴油机排放性能的优化

针对绞吸挖泥船柴油机在香港国际机场第三跑道3206标段回填工程中排放性能不达标的问题,对“天滨”绞吸挖泥船的16V240ZC型柴油机排放问题进行分析,重新匹配增压器,改造冷却水系统,增加VTG(增压器可变喷嘴)电子控制系统,并进行实船应用。结果表明,改善后的柴油机的空燃比得以优化,燃烧效率提高,油耗降低3%,烟度值FSN从0.61下降到0.40以下,改善了排放性能。

开挖密实砂绞刀研制与应用

针对我国沿海港口密实砂土、回淤粉土绞吸挖泥船挖掘效率低的问题,进行密实粉土切削试验研究,得到密实粉土的切削阻力特性,并针对大功率绞刀挖掘密实砂土的特点,优化刀臂的断面形状,建立绞刀的三维模型,分析绞刀挖掘砂土的受力情况和绞刀在最危险工况下的应力与变形,研制出一款密实砂绞刀。研究成果在实船应用表明,在同等工况条件下,密实砂绞刀挖掘生产率明显提高。