耙齿切削饱和硬质土的试验研究

自航耙吸挖泥船在疏浚饱和硬质土时,耙齿贯入困难,切削阻力大,使得疏浚浓度较低,极大地影响了施工效率和经济效益。为了更好地设计和优化切削过程,提高耙头的施工效率,通过模型试验的方法,综合考虑耙齿类型、负载、航速、不同位置高压冲水等因素的影响,研究不同工况下的原型耙齿切削过程,探讨切削阻力、切削深度、切削宽度等与这些因素之间的关系。结果表明：饱和硬质土切削过程中,纯机械切削的作用有限,且切削阻力很大;只有辅以各种高压冲水,才能大幅增加切削深度,显著降低切削阻力。该模型试验的成果可直接用于指导耙头的优化设计和对现有耙头的改进,以进一步提高耙头疏浚饱和硬质土的施工效率。     

饱和密砂切削过程中的孔压发展规律

密实粉砂,以其显著的剪胀特性使得自航耙吸挖泥船耙头疏浚效率大大降低,耙齿行进阻力增大,疏浚适用土质受到了较大限制。在考虑饱和密实粉砂的剪胀特性基础上,将砂土应力应变与渗流耦合,通过有限元计算,分析丫饱和砂上在切削过程中的孔压发展规律。结果表明,饱和密砂在切削过程中有着较强的剪胀效应,随着切削速度的增加,作耙街刀尖前方产生越来越高的孔隙真空负压,致使土体有效应力显著增加,从而导致切削阻力明显提高。     

耙吸式挖泥船黏土耙头刀齿形态及排布方式

借助LS-DYNA数值模拟方法研究耙吸式挖泥船耙头刀齿的形态及刀齿的排布方式对挖掘过程的影响,分析不同结构耙齿的宏观切削效果和切削过程中的微观动态响应特性。结果表明:相比平齿刀具,尖齿刀具的切削阻力有所降低,切削土体的效果较好;多齿刀具在切割土块时,土体更易破碎,切削效率更高;在相同条件下,尖齿错排刀具的切削效率要强于平齿错排刀具。由此可见,实际工程中,进行耙头刀齿设计时遵循多尖齿错排的原则在一定程度上可提高耙吸式挖泥船对黏土的破碎效率。     

密实粉土单耙齿及三耙齿水下切削试验及耙齿切削阻力计算

滨州港分布的回淤性密实粉土含水量低、标贯击数大、坚硬难挖,给疏浚施工带来很大的麻烦,特别是对耙吸船的挖掘提出挑战,影响了施工效率。为了研究密实粉土的切削机理,进行了密实粉土的切削试验研究。对3种含水量的密实粉土在不同切削角、不同切削深度和不同切削速度的工况下进行了单耙齿和三耙齿水下切削试验,并进行了高压冲水条件下的切削试验研究。试验过程中,通过刀具上布置的切削力传感器监测切削力。通过密实粉土切削试验得到了密实粉土的破坏特性,总结了密实粉土切削的特点,并根据试验数据建立密实粉土耙齿切削阻力计算经验公式。     

基于有限元法的耙齿土壤切削仿真

针对耙吸挖泥船耙齿切削土壤的问题,提出了基于有限元的数值模拟方法。建立了耙齿和土壤的三维力学分析模型,充分考虑到土体的黏塑性并将修正的Drucker-Prager土壤模型作为土体的非线性有限元模型。利用LS-DYNA软件的动态显式算法对过程进行模拟,分析了不同切削深度以及不同切削速度下所得到的切削阻力,并通过理论方法对结果进行对比分析,验证了ALE(Arbitrary-Lagrange-Euler)算法在切削大变形问题上的可靠性,为耙齿进一步研究奠定基础。     

大型耙吸船高效挖掘黏土专用耙头的研发

针对大型耙吸挖泥船在挖掘硬质黏土时,遇到耙齿难以入土、堵耙和闷耙等问题,通过对大型耙吸挖泥船的原始耙头模型进行研究,采用为耙头配置特殊高压(最大压力为38 MPa)冲水系统的方法,增加了三道高压冲水辅助装置及设计合适喷嘴,成功开发了高效黏土型耙头,有效解决了耙头堵耙、闷耙等问题,提高了船舶施工效率,为类似问题提供参考。     

自航耙吸挖泥船耙头模型试验研究

为了提高自航耙吸挖泥船耙头疏浚饱和硬质土时的效率,根据模型相似的原理推导了耙头的局部模型试验方法,并通过该方法试验了不同位置高压冲水辅助下的挖掘效果,分析了垂直高压冲水和耙齿内高压冲水在耙齿挖掘中的作用,并根据两种高压冲水的作用机理,提出了沿齿面冲水的辅助挖掘新型式,进一步提高了耙头的挖掘能力和疏浚效率,同时降低了耙头的挖掘阻力.研究了耙齿对地压力、耙头吸腔密封度等因素的影响,并做出了调整和改进.结果表明,改进后的模型耙头疏浚坚硬的黄骅港密实砂质粉土时,泥浆密度换算到原型耙头可达1.19t/m3,相对于国内现有耙头同类土质下的施工密度1.10 t/m3已有大幅提高.     

疏浚饱和密实粉土剪胀特性及其对耙齿切削阻力的影响

针对黄骅港区饱和密实粉土,通过三轴剪切试验以及原型耙齿切削试验,研究饱和密实粉土剪胀特性及其对耙齿切削阻力的影响。三轴试验结果表明,黄骅地区饱和密实粉土在剪切过程中表现为应变软化性状,偏应力峰值与围压之间基本呈线性关系。在剪切过程中,土体先剪缩后剪胀,随着围压的增大,剪缩性状体现得越来越明显,应力应变性状可划分为4个不同阶段。原型耙齿切削试验结果表明,饱和土较非饱和土切削阻力增长得更快;饱和土切削阻力最大值为非饱和土切削阻力最大值的2.7~3.3倍;对于饱和土,切削阻力达到稳定值后,其波动幅度较非饱和土要大。上述试验结果均表明,土的剪胀性对于耙齿切削阻力的影响十分显著,须采取相应的措施来降低土的剪胀性对于耙齿切削阻力的影响。     

“新海牛”轮挖掘硬质黏土高压冲水耙头系统研制

针对挖掘硬黏土时耙头堵塞、破土能力弱等问题,对比硬质黏土与长江口土质性能,得知硬质黏土具有凝聚力大、颗粒细、抗剪强度大等特点。结合数值模拟技术,采用超高压射流技术,研制一套具有自主知识产权的高效挖掘硬质黏土耙头系统（最大压力为38 MPa）。该系统采用“高压头、低排量”的模式,减少挖掘阻力,缓解堵耙问题,增加破土能力,为航道疏浚工程提供了技术保障。     

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...     

耙吸船犁齿软格栅挖掘硬黏土新工艺应用

耙吸式挖泥船在硬黏土底质施工中,存在堵耙、闷耙等问题,生产效率较低。介绍天航局耙吸挖泥船在鲅鱼圈港25万吨级航道施工开挖硬黏土时,成功研制犁齿、软格栅的施工方法,有效解决堵耙、闷耙等问题,综合生产能力提高60%以上。     

成球黏性土水力输送阻力特性计算方法

密实黏性土在管路水力输送过程中会形成球块状,成球黏性土水力输送计算是国内外疏浚界的难题。立足浆体输送理论,以大型绞吸式挖泥船施工数据为基础,对成球黏性土的管路输送阻力特性进行研究,分析已有各种土质浆体输送理论用于成球黏性土管路阻力特性计算可能产生的偏差,并根据分析结果对成球黏性土输送计算公式进行研究,进而提出可用于成球黏性土输送的计算公式,供工程界与理论界参考。     

淹没高压射流垂直切削硬质黏土数值与试验研究

针对淹没高压水射流对硬质黏土进行切削的问题,基于耦合的欧拉-拉格朗日方法,引入射流经过淹没水域发生速度衰减规律,建立有限元模型对切削效果进行分析研究,最后通过室内试验加以验证。该方法集合了欧拉算法和拉格朗日算法的优点,适用于射流和土体之间流固耦合的分析计算,其中,水体采用欧拉算法,土体采用拉格朗日算法,水土的接触面可被精确捕捉。数值结果显示,高压射流作用下,硬质黏土切削深度随切削速度的增大而减小,随射流压力的增大而增大。并与试验结果进行定量对比,两者较为吻合。该模型较好地模拟了淹没条件下高压射流对硬质黏土的切削过程,为解决这一问题提供了新的思路。     

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。     

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。     

耙头高压冲水改进技术

耙头高压冲水的水力破土效率远远超过机械破土效率,因此改进高压冲水设计是有效提高疏浚效率的最佳途径。采取理论分析和现场试验相结合的方法,对耙头高压冲水破土深度和改进设计进行专题研究,并提出新型高效疏浚耙头的设计构想。