李章超，郭志勇，張更生，徐繼濤

(1.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300457；2.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300461)

濱州港港區(qū)建設(shè)項(xiàng)目外航道疏浚施工中遇到了堅(jiān)硬難挖的回淤土。這種土質(zhì)含水量低、標(biāo)貫擊數(shù)大、堅(jiān)硬難挖，給疏浚施工帶來很大的麻煩，特別是對耙吸船的挖掘提出挑戰(zhàn)，影響了施工效率，因此有必要研究這類堅(jiān)硬的回淤粉土的挖掘機(jī)理，為制定合理的施工方案以及設(shè)計(jì)挖泥機(jī)具提供理論指導(dǎo)。

很早就有學(xué)者對土體破壞機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，1972年，美國學(xué)者R.D.Wismer等[1]在室內(nèi)土槽對平板刀具切削土體進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了刀具的受力情況，但對土體破壞的研究多集中在農(nóng)耕領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)學(xué)者對土的切削進(jìn)行了研究，應(yīng)用在盾構(gòu)機(jī)研制過程中[2]。在疏浚行業(yè)，土體的破壞更加復(fù)雜，一是由于疏浚土質(zhì)更加復(fù)雜，二是疏浚土體的破壞在水下發(fā)生。中交上海航道局做過一些關(guān)于密實(shí)粉土的切削研究[3]，取得了一些成果。需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)來研究疏浚土破壞機(jī)理，建立相對完整的的疏浚土切削破壞理論體系。

天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有設(shè)施先進(jìn)的挖掘試驗(yàn)臺(tái)，曾進(jìn)行了硬質(zhì)黏土切削機(jī)理試驗(yàn)研究[4]。采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究回淤性密實(shí)粉土的挖掘性能，具有效率高、投入少、可實(shí)施性強(qiáng)的優(yōu)勢。本文采取理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對回淤性密實(shí)粉土的挖掘性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)粉土及試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)粉土的制備

依據(jù)疏浚區(qū)域的地質(zhì)資料，研究回淤性密實(shí)粉土顆粒分布、級配、含水量、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)及密實(shí)度，將從吹填區(qū)采取的松散粉土，依據(jù)沉淀自密實(shí)和粉土動(dòng)液化的性能，采用攪拌密實(shí)、振動(dòng)液化、夯擊和排水等系列物理方法，制作標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)達(dá)到20擊以上、孔隙比小于0.75、達(dá)到密實(shí)狀態(tài)的試驗(yàn)粉土[5]，參數(shù)見表1。

表1 密實(shí)粉土參數(shù)

1.2 切削刀具與傳感器

回淤粉土切削試驗(yàn)的切削刀具由刀臂、刀架、力傳感器及刀齒組成，需要實(shí)測并記錄不同切削條件下的切削力。傳感器的形式為電阻應(yīng)變片式傳感器，通過電阻應(yīng)變片測出貼片部位的應(yīng)變來獲知外力的大小，量程為0～30 kN，采樣頻率200 Hz。數(shù)據(jù)采集界面見圖1，刀具及傳感器布置見圖2。

圖1 數(shù)據(jù)采集專用軟件界面

圖2 刀臂結(jié)構(gòu)

2 密實(shí)粉土切削試驗(yàn)

2.1 單耙齒切削試驗(yàn)

為了研究耙齒挖掘密封粉土的特性，研究不同切削角度、不同切削深度、不同切削速度、無水及水下切削對切削力的影響，進(jìn)行了單耙齒的切削試驗(yàn)研究。切削刀齒分為30°、45°和60°，切削刀齒的尺寸為200 mm×75 mm(長×寬)，切削總長度5 m，試驗(yàn)刀齒見圖3a)。疏浚工程中所用密實(shí)粉土耙頭所用耙齒型號為38DS，其中鑿齒尺寸入土長度約200 mm、齒寬平均75 mm，見圖3b)。

圖3 試驗(yàn)刀齒及耙頭原刀齒

2.1.1水下切削對耙齒切削力的影響

疏浚工程中，挖泥船需要進(jìn)行水下挖掘作業(yè)，耙齒在水下切削，對切削力會(huì)產(chǎn)生影響。為了分析水下切削對切削力的影響，進(jìn)行了單耙齒水下切削試驗(yàn)研究。

對標(biāo)貫擊數(shù)分別為19擊和23擊的兩種密實(shí)粉土進(jìn)行了無水和水下單耙齒切削試驗(yàn)研究，切削角度為45°，切削深度為90 mm，切削速度為0.8 m/s，研究水下切削條件對耙齒切削力的影響。水下切削對單耙齒水平切削力的影響見圖4，可以看出，水下切削耙齒的水平切削力會(huì)有所增加，并且標(biāo)貫擊數(shù)越大水的影響效果越大。標(biāo)貫擊數(shù)為19時(shí)，水下切削相較于無水切削，水平切削力因水下切削影響增大系數(shù)約為1.14；而標(biāo)貫擊數(shù)為23時(shí)，水下切削相較于無水切削，水平切削力因水下切削影響增大系數(shù)約為1.22。

圖4 水下切削對單耙齒水平切削力的影響

2.1.2切削速度對耙齒切削力的影響

挖泥船不同的航行速度對耙齒的切削力會(huì)產(chǎn)生影響。耙吸式挖泥船在進(jìn)行挖泥作業(yè)時(shí)航行速度在1～3 kn，為了研究切削速度對耙齒切削力的影響進(jìn)行了不同標(biāo)貫擊數(shù)密實(shí)粉土在不同切削速度下的單耙齒水下切削試驗(yàn)研究，密實(shí)粉土標(biāo)貫擊數(shù)分別為19、22、23擊，切削速度分別為0.5、0.8、1.3 m/s，切削角度為45°，切削深度為90 mm。切削速度對單耙齒水平切削力的影響見圖5，可以看出，切削速度增大則水平切削力會(huì)有所增加，并且速度越大這種增加趨勢會(huì)加大。當(dāng)切削速度由0.8 m/s增加到1.3 m/s時(shí)，水平切削力因速度影響增大系數(shù)約為1.12；當(dāng)切削速度由0.5 m/s增加到0.8 m/s時(shí)，水平切削力因速度影響增大系數(shù)約為1.02。

圖5 切削速度對單耙齒水平切削力的影響

2.1.3切削角度對耙齒切削力的影響

耙吸挖泥船在進(jìn)行挖泥作業(yè)時(shí)，耙頭切削刀齒即耙齒與土體表面成不同的角度，不同的切削角度會(huì)對耙齒的切削力產(chǎn)生影響。進(jìn)行了不同切削角度(30°、45°和60°)、90 mm切削深度、0.8 m/s切削速度條件下的密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)，研究分析切削角度對耙齒切削力的影響。切削角度對單耙齒水平切削力的影響見圖6，可以看出，切削角度增大則水平切削力有所增加。

圖6 切削角度對單耙齒水平切削力的影響

2.1.4切削深度對耙齒切削力的影響

耙吸挖泥船在進(jìn)行挖泥作業(yè)時(shí)，耙頭切削刀齒的切削深度不同對耙齒的切削力產(chǎn)生較大影響。進(jìn)行了不同標(biāo)貫擊數(shù)、不同切削深度(60、90、120、150 mm)、45°切削角度0.8 m/s切削速度條件下的密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)，研究分析切削深度對耙齒切削力的影響。不同標(biāo)貫擊數(shù)密實(shí)粉土、不同切削深度對單耙齒水平切削力的影響見圖7，可以看出，切削深度增大，水平切削力增加，同時(shí)隨著密實(shí)粉土標(biāo)貫擊數(shù)的增加，水平切削力增加。

圖7 切削深度對單耙齒水平切削力的影響

2.2 三耙齒切削試驗(yàn)

耙吸挖泥船耙頭裝有多個(gè)耙齒，在耙頭切削土體時(shí)多個(gè)耙齒同時(shí)受力，此時(shí)相鄰的兩個(gè)耙齒間破壞的土體會(huì)產(chǎn)生相互作用，該作用將影響到單個(gè)耙齒的切削刀。因此，進(jìn)行了45°切削角、0.8 m/s切削速度條件下的三耙齒密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)，將3個(gè)耙齒的受力分別與單耙齒切削力進(jìn)行對比，研究分析多個(gè)耙齒參與切削土體時(shí)對耙齒切削力的影響。每個(gè)耙齒尺寸為75 mm×200 mm，相鄰兩耙齒間齒間距為100 mm，該間距布置參考耙頭原耙齒，見圖8。

圖8 三耙齒切削刀

三耙齒切削密實(shí)粉土?xí)r兩側(cè)耙齒、中間耙齒、三耙齒平均及單耙齒的水平切削力對比見圖9，可以看出，當(dāng)進(jìn)行三耙齒切削時(shí)，由于相鄰耙齒間的作用，使得兩側(cè)齒及中間齒的切削力相比于單耙齒的切削力都有所減小。其中，中間齒切削力減小最為明顯，中間齒的切削力相比于單齒切削力的系數(shù)約為0.88，兩側(cè)齒的切削力相比于單齒切削力的系數(shù)約為0.97。即進(jìn)行多耙齒切削力計(jì)算時(shí)，中間齒乘以系數(shù)0.88，兩側(cè)齒乘以系數(shù)0.97。

圖9 多齒切削對水平切削力的影響

2.3 高壓沖水切削試驗(yàn)

耙吸挖泥船進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，開啟高壓沖水裝置可以減小耙齒的切削力、提高工作效率。為了研究高壓沖水對密實(shí)粉土切削力的影響，進(jìn)行了不同切削速度和不同切削深度條件下的密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)。其中，高壓沖水噴嘴直徑18 mm，噴嘴處速度25 m/s，高壓沖水噴嘴見圖10。

圖10 高壓沖水噴嘴

不同切削速度和不同切削深度條件下，密實(shí)粉土水下切削的水平切削力見圖11，可以看出，在開啟高壓沖水時(shí)，耙齒的切削力有明顯的減小。圖11a)為切削角度為45°、切削深度為90 mm、切削速度分別為0.8和1.3 m/s條件下，開啟和關(guān)閉高壓沖水時(shí)耙齒的水平切削力，當(dāng)開啟高壓沖水裝置后，耙齒的水平切削力分別下降到原來的77%和76%。圖11b)為切削角度為45°，切削速度為0.8 m/s，切削深度分別為90、120 mm條件下，開啟和關(guān)閉高壓沖水時(shí)耙齒的水平切削力。當(dāng)開啟高壓沖水裝置后，耙齒的水平切削力均下降到原來的77%。

圖11 高壓沖水對單耙齒水平切削力的影響

3 耙齒切削阻力的計(jì)算

耙齒在切削密實(shí)粉土?xí)r將產(chǎn)生切削阻力，該阻力的計(jì)算對耙頭的設(shè)計(jì)以及密實(shí)粉土挖掘施工工藝的制定都有重要的意義。以往采用的切削阻力計(jì)算模型多參考陸地機(jī)械切削阻力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

Px=106Bghkb

(1)

式中：Px為切削阻力(N)；Bg為切削刃總寬度(m)；h為切削深度(m)；kb為切削比阻力(MPa)。

該經(jīng)驗(yàn)公式多用于陸地機(jī)械如推土機(jī)切削阻力的計(jì)算，但是陸地機(jī)械在挖掘土體過程中的切削角度、速度變化不大，施工土質(zhì)相對單一。而在疏浚工程中，挖泥船施工時(shí)航速在1～3 kn，受到水下切削的影響，疏浚的土質(zhì)也更加復(fù)雜，需要建立新的經(jīng)驗(yàn)公式。影響耙頭等挖泥機(jī)具的切削力的主要參數(shù)包括刀具的寬度、切削深度、切削角度、切削速度以及土質(zhì)參數(shù)等，根據(jù)密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)建立耙齒切削阻力經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Px=f(Bg，h，α，v，n)

(2)

式中：Px為切削阻力(N)；Bg為切削刃總寬度(m)；h為切削深度(m)；α為切削角度(°)；v為切削速度(m/s)；n為標(biāo)貫擊數(shù)(擊)。經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算切削阻力與試驗(yàn)值的對比見圖12。

圖12 耙齒切削阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

根據(jù)密實(shí)粉土切削力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)測不同標(biāo)貫擊數(shù)的密實(shí)粉土在不同的切削工況下的切削力，為挖泥機(jī)具的設(shè)計(jì)及施工工藝的制定提供指導(dǎo)，見圖13。

注：切削角度50°時(shí)切削速度為2.5 kn。

4 結(jié)論

1)在進(jìn)行單耙齒切削時(shí)，水下切削相較于無水切削，耙齒水平切削力會(huì)增大1.1到1.2倍；在進(jìn)行不同切削速度切削時(shí)，耙齒水平切削力會(huì)增大約1.1倍；單耙齒的水平切削力隨著切削角度和切削深度的增加而增加。

2)在進(jìn)行三耙齒切削時(shí)，耙齒的水平切削力會(huì)因?yàn)橄噜彽洱X間的相互作用比單耙齒切削力有所減小。在進(jìn)行高壓沖水切削時(shí)，開啟高壓沖水后，耙齒切削力明顯減小，單耙齒的水平切削力是原來的77%左右。

3)影響耙頭等挖泥機(jī)具切削力的主要參數(shù)包括刀具的寬度、切削深度、切削角度、切削速度以及土質(zhì)參數(shù)等，根據(jù)密實(shí)粉土水下切削試驗(yàn)建立了耙齒切削阻力經(jīng)驗(yàn)公式。