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河海大学硕士学位论文 摘要 我国幅员辽阔，水资源尤为丰富，但是很多江河湖库泥沙淤积严重，迫切需 要进行清淤疏浚，以提高防洪、灌溉、通航能力，改善生态环境。 绞吸式挖泥船是一种常用的清淤疏浚工具，其核心部件之一是挖掘水下土质 的绞刀。本文从绞刀的p r o e 三维造型入手，在分析绞刀切削土壤过程的基础上， 将m i e d e m a 博士关于水饱和沙的二维平板切削理论应用于绞刀的受力分析，并以 圆柱状绞刀为例，详细计算分析了绞刀刀臂的包角大小对绞刀切削过程及切削载 荷的影响，最后在受力分析的基础上，应用a n s y s 有限元软件对绞刀应变应力 状态进行了初步计算分析。 国内绞刀设计目前还处在经验设计及仿制阶段。本文工作对于自主研发高效 绞刀是有帮助的，研究成果可供绞刀设计人员参考。 关键词：疏浚，绞刀，p r o e ，二维切削理论，切削力计算，a n s y s ，应力 河海大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ah a sa 、航d et e r r i t o r yw i t ha b u n d a n tw a t e rr e s o u r c e s b u tal a r g ea m o u n to f s e d i m e n td e p o s i t e di n r i v e r s ，l a k e sa n dr e s e r v o i r sh a sc a u s e du r g e n td e m a n do f d r e d g i n gw h i c hi so n eo ft h ee f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e st oc o n t r o lf l o o d sa n d i m p r o v en a v i g a t i o n ，i r r i g a t i o nc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t a c u r e rs u c t i o nd r e d g e ri sak i n do f d r e d g e rc o m m o n l yu s e di nd r e d g i n g o n eo f 趣k e y d e v i c e si st h e c u t t e r h e a du s e dt oc u ts o i l su n d e rw a t e r , sp a p e rs t a r t sw i t ht h e t l l e r e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fc u r e r h c a dw i t hp f o ，e o nt h eb a s i so fa r l a l y z i n gt h e p r o c e s so fc u t t i n gs o i l s ，w ea p p l yt h et w o d i m e n s i o n a ls o i l - c u r i n gt h e o r ye s t a b l i s h e d b yd r m i e d e m at ot h ea n a l y s i so ft h ec u t t i n gf o r c e so fc u t t e r h e a d a n db yt a k i n ga c i r c u l a rc y l i n d r i c a lc u t t e r h e a da sa l le x a m p l e t h ec u r i n gp r o c e s s e sa n dc u r i n gf o r c e s f o rt h ee a s e sw i t hd i 虢r e n te n v e l o p ea n g l e so ft h ec u r i n ga r ma r ea n a l y z e da n d c a l c u l a t e di nd e t a i l f i n a l l yt h es t r a i n sa n ds t r e s s e so ft h ee u r e r h e a da r ec a l c u l a t e db y u s i n ga n s y s c h i n as t i l ll a g sb e h i n di nt h ed e s i g no fae u t t e r h e a d t h er e s e a r c ho f t h i sp a p e ri s h e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fe f f i c i e n te u t t e r h e a d sw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t a n d c a n b e u s e d a s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n e r o f a c u t t e r h e a d k e yw o r d s ：d r e d g i n g ，c u t t e r h e a d ，p r o e ，t w o - d i m e n s i o n a lc u t t i n gt h c o z y ，c a l c u l a t i o n o f c u t t i n gf o r c e ，a n s y s ，s t r e s s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：，逝堋 年弓月z 拍 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：害甾髦辜午一 年；月嘶 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 第一章绪论 我国水资源总量丰富，河流、湖泊、水库星罗棋布，是世界上陆地水域面积 最大的国家之一【l 】：但我国河流湖库含沙量大，随着人口剧增、不合理开发自然 资源，尤其是江河流域上游森林植被遭破坏，地表失去植被保护，造成水土流失， 导致江河泥沙淤积严重，河床湖底抬高，河流航道堵塞，行洪泄洪和通航能力降 低，生态环境恶化田。有关资料【3 4 l 调查表明：2 3 6 座有实测资料的水库，总淤积量 达1 1 5 x1 0 8 0 ，占这些水库总库客8 0 4 x1 0 8 m 3 的1 4 3 ，平均每年约淤积 8 0 x1 0 8 m 3 ，平均年淤积率为2 3 。以上海港为例，据来自航运交易公报的 资料，2 0 0 2 年世界十大集装箱港口排名中，上海港位于荷兰鹿特丹港、美国洛杉 矶港、德国汉堡港和比利时安特惠普港之前，然而与荷兰鹿特丹港2 3 米水深相比， 上海港水深仅达1 2 5 米。所以我国疏浚事业仍然任重而道远【5 l 。 1 1 疏浚概述 疏浚是人类发展史上出现较早的一项生产活动，早在几千年前，埃及尼罗河 泛滥的治理就是采用疏浚方法进行的。我国隋朝大运河的开挖无疑是一项巨大的 疏浚工程。特别是中世纪以后挖泥船作为一种专门的挖掘机具出现，使得疏浚作 为一种工艺技术受到人们的重视。近百年来，随着人们对疏浚需求的不断增大， 以及冶金、造船、柴油机、仪器仪表等行业发展提供的技术和物质条件，使疏浚 业面临一次又一次的飞跃发展1 6 j 。 从狭义上讲，疏浚是指采用人力、水力或机械的方法，为拓宽、加深水域而 进行的水下土石方开挖并进行输移处理的过程。但从广义上讲，疏浚本身不是一 种目的，而是为达到某种目的而实施的过程，在这个过程中，疏浚改变或改善了 作业区状况，使之更符合于人们的某种期望【6 j 。 1 1 1 巯浚的作用 为了饮水、灌溉、排洪和航行的目的，人类很早就会用简单的工具疏通沟渠、 开挖河道，所以疏浚在人们生活一直中扮演着非常重要的角色，而且有史已久， 图1 - 1 所示为一艘多功能挖泥船在施工。随着时代的发展，疏浚已经不仅仅用于 河道的清淤，它早己活跃在人类生产与生活的许多领域中。具体说来，疏浚工程 主要用于河道的疏通、港口航道的开挖与维护、海滩游览区的吹填、人工岛的填 筑、建筑材料的开采，河道、湖泊、水库等水域的清淤，水底污染物的清除和覆 盖，农田水利的建设，大江大堤的防护等等。总而言之，疏浚已成为人们必不可 少的生产活动之一【6 j 。 河海人学砍士学位论文第一章绪论 图卜1 施工中的挖泥船 1 1 2 疏浚的分类 疏浚活动同人类的其他生产活动一样，经历了一个从简单到复杂，从落后到 先进，从单- - 至i j 多样化逐步发展的过程，疏浚种类也在这个发展过程中不断丰富。 根据动力方式可将疏浚分为人力、机械和水力等。 古代的疏浚是以人力为主的，人们用简单的铲、锹之类的挖掘工具辅助以手 搬肩挑来开挖河渠，这样的疏浚劳动强度大，效率很低；人们将机械用于疏浚就 形成了后来的机械疏浚，最早类型的挖泥船可能就是在木船上装有末端带有容器 的长杆，长杆伸入到河底掏挖泥土，再将挖起的泥土倒入船舱内；十九世纪法国 水力学家巴京首次应用离心泵输送泥土，开拓了水力疏浚的新纪元。吸扬式挖泥 船就是在此基础上不断更新驱动方式，出现了蒸气机、柴油机两类现代挖泥船 6 - 7 1 。 此外，随着科学技术发展和人们对环境的要求日益提高，尤其是近2 0 年来， 先后出现了不少有别于传统概念或目的的疏浚，如利用高速射流冲刷河床，并借 助水流将泥沙输送到下游的射流疏浚等，此外现在常见的还有开采疏浚和环保疏 浚等，其中环保疏浚是针对污染物的挖掘行为，是为了保护自然环境而进行的疏 浚活动，它对疏浚的要求更加严格，典型的有中南海的湖底清淤工程、天津市中 心城区的海河清淤工程、云南滇池的环保清淤工程等等嘲。 1 2 疏浚业的发展 说到某行业发展，其实最主要就是该行业的设备发展情况，疏浚业当然也是 如此，随着整个工业界和疏浚自身的发展，疏浚设备有了很大进步，纵观疏浚技 术发展动向，目前主要是向着大型化、高效化和自动化发展( 9 】。 1 2 1 国外疏浚业发展 同造船业一样，疏浚源于欧美。1 6 6 0 年链斗式挖泥船的雏形“泥碾船”在荷 兰首创获得成功。1 8 5 5 年美国人制成莫尔茨将军号吸扬式挖泥船，用于开挖南卡 罗来纳州查尔斯顿港的拦门沙。1 8 6 9 年荷兰制成吸扬式挖泥船，用于苏伊士运河 工程【m 1 1 】。随着西方国家工业化和世界经济的发展，石油运输、集装箱输运、海 2 基于二维切削理论的绞刀切削孰荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 河联运等推动了世界港口和航道的建设，疏浚设备也因此得到快速发展。 如果把2 0 世纪的疏浚划分为3 个时期，那么第1 个时期应是2 0 世纪初巴拿 马运河的开通；第2 个时期是2 0 世纪7 0 年代苏伊士运河的扩建和中东地区深水 港口的建设；第3 时期则是2 0 世纪9 0 年代至今在东南亚出现的大型填海造地工 程【协1 3 】。如澳门国际机场( 人工岛清淤抛填沙量o 6 l 亿m 3 ) 、香港国际机场( 疏 浚土方量2 4 亿m 3 ) 、新加坡裕廊岛吹填工程( 分4 期，总土方量约8 亿m 3 ) 等， 新加坡现已成为国际疏浚市场的大热点。正是这些具有世界影响力的大型基建项 目，不断地推动着世界疏浚业向前发展。 耙吸式挖泥船是具有自航能力的一种挖泥船，调遣费用低，挖深大，输泥距 离不受限制，故特别适合于远距离取沙的填海造地、大型港口航道的建设与维护 等工程，耙吸式挖泥船如图1 2 所示。 图1 - - 2 耙吸式挖泥船 据世界传媒杂志( d r e d g i n ga n d p o r t c o n s t r u c t i o n s ( d p c ) 2 0 0 3 年8 月号统计， 舱容在8 0 0 0 m 3 以上大型自航耙吸式挖泥船，全世界共有4 7 艘( 包括扩建和重建) ， 其中1 7 0 0 0n 1 3 以上超大型有1 3 艘，数量增长是惊人的。 2 0 0 0 年6 月2 2 日，德国k r u u p 公司和t h y s e e n 公司为比利时j a n d e n u l 公司 建造的“v a s e od ag a m a ”号超大型自航耙吸式挖泥船成为世界“疏浚舰队的旗舰”。 她的舱容一举突破3 万立方米，达到3 3 0 0 0m 3 ，总装机容量3 7 0 6 0 k w ，堪称挖泥 船世界的巨无霸。然而，仅时隔三年，舱容量世界记录就被另一个疏浚巨头荷兰 r o y f lb o s k a l i s 公司的“f df a i r w a y ”号刷新。“w df a i r w a y ”号舱容2 3 3 5 0 岔， 1 9 9 6 年建造，7 年后在新加坡扩建，舱容量升至3 5 5 0 8m 3 。不过扩建后的最大挖 深维持在1 2 0 m ，因此，“v a s c od ag a r n a ”号仍保持最大挖深1 3 1 米的世界记录。 据2 0 0 3 年底上海疏浚国际会议上得到的信息，j a nd en l l l 公司计划将“v a s c od a g a m a ”号扩建，舱容量将达到创纪录的4 4 0 0 0m 3 ，最大挖深达到1 6 0 m 。这一宏 伟计戈l j 何时实现，国际疏浚界正拭目以待【l “。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 绞吸式挖泥船是疏浚施工中的另一主力船型，其核心部件绞刀就是本文研究 的对象，关于它的发展及简介将在下节单独叙述。 1 2 2 国内疏浚业发展 我国江河湖库众多，长江、黄河、淮河、海河、钱塘江等水系发达，内河航 道总里程约1 2 00 0 0 k r n ，还拥有60 0 0 多个岛屿，1 80 0 0 k i n 大陆海岸线和1 40 0 0 k i n 岛屿岸线，这些资源既为水利和水运建设提供了有利条件，也为疏浚业发展提供 了巨大的市场需求。除了海军系统，目前概貌是：交通系统拥有大中型的疏浚设 备，以耙吸式和绞吸式挖泥船为主，数量不多但分布相对集中，疏浚能力强大； 水利系统则以中小型挖泥船居多，且各种类型应有尽有，数量庞大，分布在全国 各地。据统计，我国现有生产率在8 0 m 3 h 以上的各类挖泥船共有6 0 0 多艘，年疏 浚能力3 亿m 3 ，列世界第6 位 1 5 - 1 6 1 。 如果从清政府1 8 9 5 年向荷兰订购第一艘链斗式挖泥船算起，中国疏浚业已整 整跨过一个多世纪的历程。但是和世界疏浚工业相比，我国起步足足晚了一百余 年。1 8 9 7 年我国成立了海河疏浚工程局即今天的中交集团天津航道局，1 9 0 2 年海 河工程局从荷兰进1 ：31 艘1 8 0 m 3 h 链斗式“北河”号，同年从英国进1 2 12 艘抓斗 挖泥船；1 9 1 0 年进口5 0 0 m 3 h 链斗式“新河”号和5 0 0 m 3 1 挖泥船及5 艘泥驳。 到1 9 1 0 年，我国的疏浚能力才仅仅只有大约3 0 0 万m 3 。可见，在新中国诞生之 前的5 0 年间。我国疏浚工业可谓风雨萧条，旧中国残留下来的疏浚设备更是寥寥 无几，几乎都是舶来品。因此，可以这样说，解放前的5 0 年，中国没有自己的疏 浚制造业【1 4 捧1 9 1 。 上个世纪5 0 年代初至8 0 年代末是我国疏浚工业的创业阶段。解放初期，百 废待兴，在这种财力、物力及技术力量都缺乏的历史条件下，民族疏浚工业大多 只能依靠对若干进口小型绞吸、链斗船进行测绘仿造，如“水工一号”、“洞庭号” 等。1 9 5 3 年交通部将海河工程处与上海港务局疏浚工程公司、张华浜船厂、天津 新河船厂合并成立交通部航务工程总局疏浚公司。这是一个全国性的专业疏浚公 司，负责全国港1 2 ：1 航道的和水利工程的疏浚，以此为基础，逐步发展成为天津、 上海、广州、长江、黑龙江等5 个航道局 2 02 ”。这些专业疏浚公司组建以后，国 内挖泥船才开始走上专业化设计阶段。到了6 0 年代末期，尽管产品技术粗糙、规 模小、可靠性差、耗能高，但毕竟有了自己设计制造的挖泥船。7 0 至8 0 年代期 间，为满足国内治水工程的需要，陆续开发一大批具有一定技术水准的新船型， 较具代表性的有8 0 m 3 h 全液压绞吸船等。这期间国内具有所建造的挖泥船无论在 数量、品种以及数量上都较7 0 年代以前有了明显进步，并在一些重要的航道、水 利建筑工程中发挥了较好的效益。尽管如此，由于多种因素的影响，这个进程与 同期国民经济建设发展的需要仍相距甚远。7 0 年代，为实现“三年改变港口面貌” 的目标 1 8 , 2 2 】，中国政府先后两次向荷兰i h c 公司订购了3 9 艘各类大中型挖泥船， 4 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 这批进口的大中型挖泥船在我国其后的疏浚工程中一直发挥着主干作用。很显然， 在建国之后的将近4 0 年的漫长时间里，我国疏浚装备依赖进口的局面十分明显， 我们自己的民族疏浚工业还依然处于艰难的创业阶段。 虽然我国的疏浚工业与世界同期水平比较，存在着不小的差距，但4 0 年的艰 辛创业，毕竟为我国疏浚工业进入高速发展的轨道奠定了坚实的基础。从9 0 年代 初期起，我国疏浚工业开始进入了一个以高新技术为目标的快速发展时期。在这 个期间，一大批高技术含量的创新产品相继问世，其中比较具有代表性的产品有： 独立研制的多功能1 2 5 0 m 3 h 吸盘挖泥船( 关键装备进口，用于葛洲坝大江航道) ， 采用德国k r u p p 泥船装卸系统新技术的1 5 0 0 m 3 耙吸挖泥船( 关键装备进口) 等 等。这些产品的问世，不仅填补了多项国内空白，而且部分产品的技术性能接近 了国外水平，且经济实用，已经形成批量生产，如长航型1 5 0 0 m 3 耙吸船批量建造 6 艘，5 0 0 m 3 耙吸船批量4 艘( 以上两船型已经明显优于7 0 年代荷兰、日本进口 的同船型) 。近1 0 年国内的疏浚设备无论整体技术的先进性、建造规模、品种的 多样性等方面都是建国以来所未达到的。而且在此期间，许多疏浚公司还结合自 身的经验和需要，成功进行了多项技术改造，使得不少旧的装备在节能增效方面 作出了新的贡献。进入9 0 年代以后，大批进口国外挖泥船的势头开始受阻于国内 疏浚工业的崛起。同时，在进口规模受抑制的情况下，中国设计制造的挖泥船开 始跨出国门，走向世界，我们先后向东南亚、西亚的一些国家出口了我们自己的 挖泥船。这一方面显示出我国疏浚工业的不凡业绩，同样也是我国疏浚业发展的 一个里程碑。1 9 9 9 年底正式启动的“百船”工程，成为我国疏浚工业发展的一个 新亮点伽。这给国内产品与国外同行竞技提供了很好的机会，同时也促进了产 品技术质量的提高，有利于拉近同国外先进水平的差距。百船工程不仅拉动了内 需，锻炼了队伍，还集中展示和检阅了我国疏浚工业的进步，对加大地方水利整 治力度起到了有力的推动作用。 作为国内疏浚界的龙头老大，拥有总装机功率约1 7 万千瓦、4 0 余艘各类挖泥 船的上海航道局，2 0 0 1 年将一艘由日本进口的6 5 0 0 m 3 耙吸船成功地改造为9 0 0 0 m 3 耙吸船，使我国终于有了第一艘进入世界级大型耙吸船行列地挖泥船。面对上海 航道局地厉兵秣马以及长江口航道局地异军突起，其他疏浚公司也积极采取相应 地措施，近年来，江苏、安徽、湖南等地疏浚部门，在自主发展地方疏浚工业方 面表现出极大地热忱和创造力，成绩斐然【1 4 ，1 8 】。 近l o 年来我国疏浚工业所发生的变化是前4 0 年所不及的。但是如果没有4 0 年的摸索和积淀，没有疏浚界几代人的执着追求，也就没有今天的成就。另一个 重大因素就是改革开放。1 0 多年的改革开放，为9 0 年代疏浚工业的迅猛发展打 下了充实的物质与经济基础，同时也营造了一个良好的外部环境，有了更多与国 外同行进行技术切磋、学习和消化吸收国外先进经验的机会。 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 绞吸式挖泥船的发展 1 3 1 绞吸式挖泥船的发展 绞吸式挖泥船源于美国并获得及其广泛的应用，1 9 世纪末2 0 世纪初绞吸式 挖泥船迅速发展，仞j 如1 8 9 6 年芝加哥美洲疏浚公司建造的“b e t a ”号绞吸式挖泥 船，吃水深度1 9 5 m ，有2 个独立泥泵，吸管直径8 5 0 m ，是当时最大的挖泥船。 后来，1 9 7 7 年第1 艘自航绞吸式挖泥船诞生；1 9 8 6 年比利时杨德鲁公司研制成功 了“l e o n a r d od av i a c i ”号自航绞吸挖泥船，总装机容量2 02 5 0 k w ，计算机控 制的自动化系统可使挖泥船操控达到最佳状态；十年后，被挖泥船制造业巨人荷 兰i h c 公司建造的“k l a s h o u r ”号取代，总功率达到2 27 9 5 k w , 2 0 0 3 年7 月，i h c 公司建造的自航绞吸式挖泥船“j f j d e n u l ”号总装机容量为2 71 9 0 k w ，绞刀 功率达到60 0 0 k w ，水下泵为38 0 0 k w ，总长1 2 4 4 m ，宽2 7 8 m ，吃水6 5 m ，最 大挖深3 5 m ，吸泥管直径10 0 0 m ，一系列数字鲜明的表示出绞吸式挖泥船的世界 水平不断提高，记录不断被刷新1 1 4 j 。 图1 3 绞吸式挖泥船 世界上著名的绞吸式挖泥船生产商当首推荷兰m c 公司。该公司生产的挖泥 船占世界挖泥船市场5 0 的份额。i h c 公司1 9 6 3 年推出海狸系列标准型绞吸式和 斗轮式挖泥船，已有6 0 0 多艘交付使用。1 9 9 7 年该公司又推出新一代绞吸式和斗 轮式挖泥船，其主要的特点是在绞刀桥架上设置泥泵，以提高疏浚深度和吸泥浓 度，改善泥泵汽蚀性能。除了i h c 公司外，世界著名的绞吸式挖泥船制造商还有 德国的k r u p p 公司、荷兰的d a m e n 公司、美国的e u i c o t t 公司、日本的三菱重工、 澳大利亚的n e m n a n n 公司等。 6 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀戍力状态的a n s y s 分析 1 3 2 绞吸式挖泥船的优势 能达到如此广泛的应用，这很大原因得益于她具有的以下优点： ( 1 ) 绞吸式挖泥船用途广泛，可以在江河湖海中作业，用以清淤，航道挖掘， 吹填造地。在特殊情况下绞吸式挖泥船上安装大功率绞刀设备，不需爆破即可挖 掘玄武岩和石灰石等岩石地层； ( 2 ) 绞吸式挖泥船工作效率高，产量大，泵距远。大型的绞吸式挖泥船每小 时产量可达几千立方米；把泥沙或碎岩物料依靠强大动力通过泥泵和排泥管线， 可送出几千米之外； ( 3 ) 绞吸式挖泥船操作简单，易于控制。挖泥船依靠船艉的台车使钢桩定位 和步迸，利用绞刀臂架两测钢缆与固定于挖槽两测的锚，靠铰车牵引，两厢摆动 绞切泥沙物料，在一定的控制摆角下工作，将绞动的物料，经过输泥管泵到堆积 场。挖泥船的步进是由两根桩交替运动，迈步向前； ( 4 ) 大型绞吸式挖泥船带有自航系统迁移时可以自航到位。中小型挖泥船 多为无自航系统，靠拖船拖行。中小型挖泥船可设计建造成组装式，通过陆路运 输到现场，经组装后即可使用； ( 5 ) 绞吸式挖泥船经济性好。物料的挖掘和输送一次性完成，不需要其它舶 船配合，几次搬运，相对工程成本较低； 1 3 3 绞吸式挖泥船的工作原理和组成 绞吸式挖泥船的工作原理一般可作如下概括：挖掘机具将水下土层经过机械 切割使之松动，使泥沙与水相混合，形成一定浓度的泥水混合体( 泥浆) ，然后通 过泥泵产生的真空吸出、再经过输泥管道输送到排泥场馋】。 绞吸式挖泥船一般是一种非自航式的挖泥船，无论是大型还是中小型，绞吸 式挖泥船主要都是由船体、柴油机动力装置、泥泵系统、绞刀系统、定位桩系统 等组成，如图1 3 所示。其中从功能上可作如下概括【8 ，2 5 之6 】： ( 1 ) 船体：对于大多数大型绞吸式挖泥船和由许多浮箱组成的可拆绞吸式挖 泥船，其漂浮能力主要取决于作为单元的h 型浮箱。在挖泥船的船体中布置一个 独立的泵室是很关键的。泵与主机房应分开，否则一旦检修泵时发生错误或是泄 漏，则会造成机房的淹没，甚至使整个挖泥船沉没。 ( 2 ) 柴油机动力装置：是绞吸式挖泥船的主要设备，工程上绞吸式挖泥船上 的柴油机通常通过直接驱动或减速箱驱动方式驱动泥泵工作。在选择与泥泵匹配 的柴油机时要求有两点：功率匹配、转速匹配。功率匹配就是指柴油机的输出功 率要符合泥泵所需要的功率。一般来说柴油机的功率应等于工作机械所需要的功 率乘以1 1 1 1 5 ，以防工作中可能发生的超负荷，以及长期使用后泥泵工作阻力 可能增大和柴油机的功率可能下降；而转速匹配是指柴油机在标定转速下运转时， 7 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 配用的泥泵也要达到标定转速。泥泵的标定转速与柴油机的标定转速相等或接近 相等( 相差不超过2 ) 时，可以采用连轴器直接连接，转速不等时，可以采用 离合器通过齿轮箱传动。 ( 3 ) 泥泵系统：泥泵是一种将原动力杌的机械能转换成被输送液体的压力能 和动能的水力机械一它是绞吸式挖泥船水力输送泥浆的关键设备，泥浆运行工况 的好坏直接影响到施工效率。在绞吸式挖泥船上普遍采用离心式泥泵，性能参数 主要有：扬程、流量、功率、转速、效率、泥浆浓度与泥浆比重等，他们之间相 互影响、互相制约。泥泵各性能参数变化是随着泵的工作条件的变化而变化的， 但各参数变化的范围与相互关系不是任意的而是服从泥浆本身的特性规律。 ( 4 ) 绞刀系统：就是绞吸式挖泥船的挖掘系统，主要包括绞刀、绞刀桥架、 吸泥管、绞刀桥架起落装置、绞刀驱动装置、驱动装置。其中绞刀是该系统的核 心部件，是本文探讨研究的重点，将在下一章中作详细介绍。 ( 5 ) 定位桩系统：。挖泥船在疏浚作业工程中，挖泥船的定位、横移和前移依 靠定位桩系统来完成的。绞吸式挖泥船的定位桩系统有定位桩台车、固定定位桩、 倾斜的定位桩及旋转定位桩系统。定位桩系统的选择是很重要的，定位桩系统必 须能够在回转中心保持固定，提供简单和有效的前移方式，足以承受施工作业时 对该系统施加的作用力具有很强的强度。 1 4 本文结构 绞刀是绞吸式挖泥船的关键部件，绞刀切削水下土壤时的受力特性及绞刀应 力状态分析，是绞刀设计制造的重要依据。鉴于绞刀切削水下土壤的的复杂性， 目前有关理论研究成果很少，绞刀设计制造还处在依靠经验和仿制的阶段。本文 首先从绞刀的p r o f e 三维造型入手，在分析绞刀切削土壤过程的基础上，将 m i e d e m a 博士关于水饱和沙的二维切削理论应用于绞刀的受力分析，并以圆柱状 绞刀为例，详细计算分析了绞刀刀臂的包角大小对绞刀切削过程及切削力的影响， 最后在受力分析的基础上，应用a n s y s 有限元软件对绞刀应力应变进行了初步 的计算分析具体内容如下； 第一章对疏浚行业和国内外疏浚业发展作了简单概述，重点介绍绞吸式挖泥 船及其发展，指出绞刀研究的意义和紧迫性。 第二章首先详细介绍绞刀，然后进行绞刀的数字化三维造型，为后续的受力 分析和a n s y s 应力应变计算打下基础。 第三章在简要介绍二维切削理论之后，对直立刀臂的圆柱绞刀进行计算，接 下来分析包角变化对螺旋圆柱绞刀切削及切削力计算的影响。 第四章是以上述载荷计算为基础，借助有限元软件a n s y s 对绞刀进行应力应 变的计算。 第五章对本文工作进行总结。 8 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 第二章绞刀三维造型 绞刀三维造型是绞刀设计理论的开端，是后续工作的基础。在进行造型之前， 首先来介绍一下绞刀。 2 1 绞刀 绞刀是绞吸式挖泥船的核心挖掘部件，对绞刀切削系统乃至整船运行效率都 十分重要，下面就从绞刀的结构、分类、选择等方面来具体介绍一下绞刀。 2 1 1 绞刀的结构 绞刀一般由绞刀座、刀臂、轮毂组成，在齿式绞刀上还有可拆卸的“牙齿”。 绞刀座也称大环、加强圈，如图2 1 中的红色底座。用来固定连接刀臂、支撑整 个绞刀，多为铸钢或铸钢焊接组合而成；轮毂与绞刀传动轴相连，起到传动作用， 有键槽连接、螺纹连接等方式，现在一般为反牙梯形螺纹连接，即在传动轴上加 工梯形螺纹，绞刀轮毂内加工的螺纹相当于一个螺帽予以紧固。挖泥时越转越紧， 拆卸时利用绞刀原动机的倒旋转来进行；刀臂是绞刀中直接切削泥土使之成为能 被吸入吸管的碎块的部件，均匀的分布在外围圆周上，一般为4 6 片，在旋转时 轮流接触并切削泥土，齿式绞刀中在刀臂上还安装有一定数量的刀齿。刀臂及刀 齿一般为耐磨的合金钢或锰钢等所制，成螺旋状安装在轮毂与大环之间，如图2 一l 所示1 2 ”。 图2 一l 绞刀 2 1 2 绞刀的类型 绞吸式挖泥船使用的绞刀类型根据外形不同分为开式、闭式和齿式三种。如 图2 2 所示嘲 9 河海大学顾七学位论文第二章绞刀三维造型 豳吟 t t )l # l 曲 神期筏辍l 舶脊戎靛霹钰豢藏黼式娩刀l 棚麝戴弹麓整茹 l 艏l 舢曩 知抽羹一l 奉警囊l 垂牙孽 图2 2 绞刀外形图 ( 1 ) 开式绞刀：其外形如图2 2 ( b ) 、( d ) 所示，一般由刀臂、轮缎、臂 架和大环四部分组成。开式绞刀刀臂前端由臂架与轮毂相连，后与加强圈相连而 组成一个整体。绞刀刀臂前端形成一个开口，当绞刀挖深较大，绞刀最前端接触 开挖泥土时，此开口切削泥土效果较差。图2 3 所示的圆柱型绞刀是开式绞刀的 一种。 图2 - - 3 圆柱型绞刀图2 4 皇冠式绞刀 ( 2 ) 闭式绞刀：其外形如图2 2 ( a ) 、( c ) 所示，如同“皇冠”、“篮球”， 又称皇冠式绞刀、篮球式绞刀。其结构由轮毂、大环和刀臂组成，各部分作用类 似开式绞刀，刀臂呈螺旋状，前端与轮毂相连，后端与大环相连，如图2 4 所 示。相比开式绞刀，由于前端有刀臂，破碎性能较强，且内腔没有开式的臂架， 因此有利于泥泵对泥浆的吸入。闭式绞刀刀臂上一般镶有切削刃，以便在磨损后 更换。 ( 3 ) 齿式绞刀：其外形如图2 - - 2 ( c ) 、( d ) 所示，刀齿在开式、闭式绞刀 刀臂上加工、焊接而成。当绞刀切割泥土时，首先由刀齿接触土层，切削力都集 中在牙齿上，更容易的切碎比较坚硬的土层，可以改善切削效果，同时也增大了 1 0 基于二维切削理论的绞刀切削载荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 绞刀开挖土质的范围。在施工生产中尤其是开挖粉沙。硬质土时刀齿磨损较为严 重，更换绞刀比较麻烦而且提高成本，现代新型挖泥船采用可换齿尖的新型绞刀， 通过更换不同形状的齿尖适应挖掘不同的土质，如镐形齿尖适合开挖岩石，凿形 齿尖适合开挖硬质土，宽凿形齿尖适合开挖砂和软质土，不对称宽凿形齿尖适合 开挖粘土。当绞刀磨损到一定程度时，只需撤换齿尖。对施工现场缺少起重设备 给绞刀盼维修、恢复切削力带来了极大便利。绞刀对泥土的切削属于强力切削， 并与泥土摩擦接触，所以多采用耐磨、高强度的合金材料，以改善切削效果并延 长绞刀使用寿命。 图2 5 不同螺旋方向的齿式绞刀 绞刀依其刀臂旋转方向为顺时针转或逆时针转有顺向刀臂和逆向刀臂之分 ( 见图2 - - 5 ) 。 2 1 3 绞刀类型的比较 ( 1 ) 适用土质方面：开式绞刀由于最前端具有开口，开挖粘性土时可能被 堵塞，因此这静绞刀适用与开挖淤泥及砂质土，如细砂、砂壤土、粉砂等。闭式 绞刀则可开挖粘性土以及较硬的土质。齿式绞刀则适用于各类土质，但开挖较软 土质时存在着浪费磨损的现象。 ( 2 ) 工况方面：由于开式绞刀的刀臂呈直线状，刀臂切削泥土为不连续作 业，因而对绞刀原动机产生一定的冲击作业。而闭式绞刀由于刀臂呈螺旋状可以 保证刀臂连续切削泥土，即每一周期内至少有一个刀臂在工作；当这个刀臂要脱 离土层式，下一个刀臂则已经接触到并开始切削泥土，所以闭式绞刀对绞刀原动 机而言，受力比较稳定。 ( 3 ) 进桩方面：开式绞刀的长度与直径之比一般为1 1 ：1 1 2 ：1 ，而 闭式绞刀由于受力所限一般为1 ：i ，这样开式绞刀对进桩前移比较有利。 绞刀转速视切削土层的软硬程度、土层厚度而定，一般控制在1 0 3 0r r a i n 之问。当绞刀转速较高时，绞刀切削下的泥土因旋转产生较大的离心力，不利于 切削下的土层被吸入进泥管【矾。 河晦大学硕士学位论文 第二章绞刀三维造型 2 1 4 绞刀的选择 为某己知绞吸式挖泥船选择绞刀，很大程度上取决于待作的工程。例如绞刀 驱动机构的功率、绞刀的转速、横移速度及横移绞车所需的功率等等；待挖的土 质类型也相当重要，土的成分( 粘土、砂、砾石、泥炭、岩石) 、土的分层、土 的力学特性等等；绞刀的尺度是由绞刀驱动装置的功率及其转速决定的，很显然， 绞刀直径增大，所需的驱动功率也增大，大多数绞刀系统的最大转速可达 3 0 r m i n ，其转速还可在o 3 0r m i n 之间连续变化。对于任意一个绞刀转速，都 可以借助有效功率计算出所产生的切削力。当考虑到最大容许绞车拉力时，也可 以计算出切削力的最大值1 2 6 1 。 2 1 5 国外关于绞刀的研究 绞刀的研发是世界各大疏浚公司及产品开发商重点研究的课题之一，具有代 表性的公司有美国的e s c o 公司和荷兰的v o s t a - - l m g 公司。 v o s t a - - l m g 公司在挖掘机具技术领域有着悠久的历史( 7 0 年代公司名称 s t a p e l ) ，从7 0 年代起，生产s 1 0 $ 2 0d 2 0 d 3 5 系列，作为第一代产品在当时疏 浚业发挥重要作用，但在日后的使用和对事物认识的提高，第一代切削系统的缺 陷暴露出来，比如绞刀切削系统的切削比能大、磨损空间小( 几何) 、齿与座的 制作工艺差、齿的安装劳动强度大、由于设计的缺陷齿座经常发生断裂；针对这 些问题v o s t a - - l m g 公司在8 0 年代推出了第二代切削系统，较好的解决了上述 问题，并且系列众多，当中各种齿型、齿座相配合，共有1 6 种齿型、5 种齿座， 较好的满足了不同生产的需求。 而美国e s c o 公司是世界上最著名绞刀设计和生产企业。目前世界各疏浚公 司大都使用e s c o 公司提供的产品和技术，比如我国主要大型绞吸式挖泥船 ( 7 5 0 k w 以上) 大都使用e s c o 技术产品，当然这都是7 0 年代的产品，已被e s c o 新一代产品所代替；在市场的需求下，新型绞吸式挖泥船绞刀功率逐渐加大 ( 8 0 0 0 h p ) ，追求疏浚成本的降低和提高船员生产的安全性是企业和研发机构的 重要课题之一。v o s t a l m g 公司研发部门用7 年时间开发出第三代切削系统即 t - - s y s t e m ，该系统延续自由切割的设计理念，追求最小切削比能、提升各种性 能要求，由齿、齿座、齿与座安装后的锁紧装置。此系统还包括以下设计要求： ( 1 ) 更换刀齿操作安全性，( 2 ) 齿与座安装的可靠性并要降低制造要求，( 3 ) 齿的有效使用性提高，( 4 ) 适合大功率绞刀的使用( 8 0 0 0 h p ) ，( 5 ) 开挖每方的 费用最低。v o s t a l m g 与“国际疏浚公司d i ”“b a s k a i l s ”公司合作，在巴拿 马及中东的项目进行试验，所有参数表现良好，齿的更换时间比二代减少3 0 ， 通过增加效率节省1 0 的费用，减少刀齿的使用数量减少挖掘费用2 0 ，而由 于齿座减少维护可节省2 0 费用在同等挖掘现场( 软或硬岩) 条件下比二代系 1 2 基于二维切削理论的绞刀切削裁荷计算及绞刀应力状态的a n s y s 分析 统节省1 3 费用。 纵观世界各大疏浚公司及疏浚技术产品设计开发公司，为了最大限度的满足 市场需求。在疏浚市场中占有份额，必须有强有力的技术支持，必须不断建立和 更换设计理念，及时推出新的技术产品和对未来的市场竞争取得先手进行必要的 技术储备1 27 1 。 2 2 三维造型软件选择及p r o e 软件介绍 自第一台计算机( e n i a c ) 和网络问世至今已有半个多世纪的历史，无论其硬 件还是软件，网络或是协作，都有世人瞩目的成绩，其发展速度之快几乎超越了 其他任何行业，应用范围之广也是其他行业所不能比拟的，可以说已经渗透到各 行各业、各个领域：教育、医药、检测、通信等无一例外，作为国家核心的加工 制造业更不会例外，无论是设计还是修改，正确表达图形或是零件自动化生产都 离不开计算机及相应软件，数字化设计和生产已成为不可阻挡的发展趋势，并且 在此基础上引发的其他数字化革命也在蓬勃发展，其中本文的大部分工作也都是 依赖计算机及相关软件来完成的：最主要的绞刀三维造型及应力应变分析等等。 2 2 1 三维造型软件的选择 绞刀设计制造离不开绞刀的三维造型。绞刀造型中最复杂的就是刀臂，刀臂 是复杂的空间扭曲体，传统方式一般用木模图来表示其形状，不仅费时费力、精 度有限，而且不便于后续的固体力学和流体力学计算。只有在精确的三维数字化 模型上才能进行数字化设计与制造中的流体动力学分析( c f d ) 和性能预测、刚 强度计算分析( c a e ) 以及数控加工( c a m ) 等。而绞刀三维造型就是实现其 数字化设计与制造的关键。 本文因后面要使用a n s y s 软件来进行应力应变分析，所以在一开始曾考虑 用该软件迸行三维造型。经过一段时间学习和对三维造型软件了解的加深，发现 a n s y s 自身虽带有建模功能，但是该功能非常有限，只能处理一些相对简单的 模型，如果要用a n s y s 来进行此项研究可能会消耗大量的时间，而且近年来一 些高端三维造型软件如p r o e 、u g 一、s o l i d w o r k s 等陆续在我国登陆，关于三 维造型的研究报道已屡见不鲜，其造型方法多种多样，软件层出不穷，功能的完 备与日俱增，各种软件之间的通讯与兼容也越来越方便。本文就试图用强大的 p r o e 造型功能探讨具有空间扭曲刀臂的绞刀进行三维造型的方法，后来证明这 个方向是可行的，强大的建模功能满足了模型建立，与a n s y s 通讯也非常顺利 2 8 - 2 9 1 。 2 2 2p r o e 软件介绍 p r o e ( 全称p r o 刀玳g i n e e r ) 是p t c 公司( 美国参数技术公司p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 为工业产品设计提供完整解决方案而推出的参数化、基 河簿大学硕士学位论文 第二章绞刀三维造型 于特征的c a d 实体造型系统。p r o e 功能强大，是一套可以应用于工业设计、机 械设计、功能仿真、制造和数据管理等领域的工程自动化软件包，它涉及从设计 到生产的全过程，其中的单一数据库、参数化、基于特征和完全关联等概念从根 本上改变了c a d c a e c a m 的传统概念，已成为当今世界机械c a d c a e c a m 领域的新标准。p t c 公司在1 9 8 9 年提出了p r o e n g i n e e r v l 0 版本，历经十多 个年头，操作的直观性和设计理念的优越性也深入人心，经过公司员工的长期不 懈努力，2 0 0 3 年6 月1 0 日，p t c 正式发布了代号为“野火( w i l d f i r e ) ”的版本， 该版本不仅在功能上有了很大的提高，在界面和使用风格上也非常注重与 w i n d o w s 操作系统平台的良好融合，不过无论怎么发展，核心理念始终不变，所 以总的来说p m ，e 软件的特点可总结如下几点： ( 1 ) 完全关联性：p r o e 中所有模块都是完全关联的。用户在产品开发过程 中任一环节进行的修改都将被传送到整个设计中，同时自动将模型装配、平面工 程图、模型加工数据等工程文档进行更新。这种修改不仅仅限于几何尺寸修改， 也包括非几何特征的修改，用户在整个开发过程中可以随意更改设计而不会造成 先期工作丢失。 ( 2 ) 尺寸参数化：p r o e 产品设计从三维实体模型开始，最后转化为二维平 面工程图，并自动标注尺寸。而尺寸在p r o e 中是可变的参数( 即形状随着尺寸 的修改而变化) ，所以用户无论在三维或二维修改尺寸，与其相关的模型尺寸多 将随之改变并立刻生成，从而使设计更改便捷。 ( 3 ) 单一数据库管理：p r o e 软件具有管理并发进程、实现并行工程的能力， 开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。大型复杂部件的设计和市场效益的 要求，使得同一产品的开发不再使个人行为，而不同学科的工程师同时对同一产 品的开发就成为需要。整个p r o e 系统使用统一的数据库，使并行工程设计成为 现实。通过一系列完全相关的模块它们能够表达产品的外形、装配及其功能 _ p m 愿能够把多个部门同时致力于同一产品模型中。这包括在工业设计和机 械设计方面的多项功能，包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据 管理等等。 ( 4 ) 基于特征的参数化建模：p r o e 系统是基于特征来完成产品模型建立和 数据存取的。所谓特征，就是一般的机械对象，例如：圆角、倒角、抽壳、钻孔 等等。以最基本的思考方式完成产品开发，通过