文武，陈旭

（1.中交上海航道装备工业有限公司，上海 201208；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

黏土、砂砾、卵石等非均匀复杂混合土在我国北方沿海分布较为广泛，土质呈多样混合性。针对其不均匀的分布特点和复杂的土质工程特性，国内外均采用抓斗挖泥船挖掘的常规施工工艺，施工效率较低，成本较高，且施工质量难以控制，对较大规模的混合土质疏浚工程适应性较差。

1 绞吸船挖掘难点分析

绞吸船具有施工效率高、挖掘输送一体化的优势，适用于大面积疏浚吹填施工。绞刀是绞吸式挖泥船的核心装备[1]，上航局3 500 m3/h绞吸船使用的常规绞刀为通用型绞刀和挖岩绞刀，本文以秦皇岛港山海关港区起步工程疏浚工程中的3 500 m3/h绞吸船为平台，分别试验了通用型绞刀和挖岩绞刀在典型非均匀复杂混合土土质工况下的挖掘情况。

1）通用型绞刀

通用型绞刀采用6臂结构，绞刀外廓线呈冠形半圆状，刀臂长度较长，在挖掘混合土时主要存在以下不利现象：淤选配的扁齿或凿形齿，在挖掘混合土时，刀齿与土体接触面积较大，摩擦阻力较大，且遇较大块石易受冲击折断；于绞刀轴毂处刀臂间流道距吸口较远，流速低、真空小，不利于绞刀头部切削的土块与水有效混合与流动，易堆积在绞刀头部导致绞刀切削阻力增加；盂绞刀刀臂数量较多，刀臂间距较小，卵石、硬黏土块易卡滞于刀臂间，在挖掘过程中自绞刀头部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最终导致绞刀完全包裹和吸口堵塞，绞刀挖掘能力丧失；榆含有黏土的混合土最易导致绞刀包裹现象，并且经绞刀旋转挤压后的黏土块质地坚硬，清理极为困难，单次清理需耗时3~4 h；虞绞刀外形饱满，刀齿距轴线距离较远，力臂较长，绞刀额定功率下的切削力无法满足混合土高效切削要求，需采用较薄的泥层厚度和较慢的横移速度，挖掘效率较低，仅为1 000 m3/h左右。

2）挖岩绞刀

挖岩绞刀为提高整体强度，刀臂宽、长度小且间距狭窄，绞刀腔内空间亦较小，在挖掘混合土时主要存在以下不利现象：淤刀齿为尖齿，齿尖部分磨损过快，钝化现象严重导致贯入力下降，绞刀切削阻力大；于切削的土块难以在较小的绞刀腔室内与水均匀混合，吸口堵塞现象严重，水下泵吸入性能难以充分发挥，土方遗留量较大；盂狭窄的刀臂间距更易导致堵塞现象，绞刀包裹频率更高；榆平均挖掘效率较通用型绞刀低200 m3/h左右，仅约800 m3/h。综合现场试验情况，挖岩绞刀对非均匀复杂混合土的适应性较通用型绞刀更差。

综上，常规绞刀对非均匀复杂混合土的适应性均较差。

2 新型绞刀研制

针对常规绞刀在挖掘非均匀复杂混合土时易出现切削阻力大、易堵塞和效率低等不利现象，需根据混合土土质工程特性，研制一种适用性良好的专用型绞刀，以最大程度上兼顾混合土中各类土质的不同混合状态，达到安全、高效挖掘施工的目的。

2.1 确定刀臂数量

常规绞刀在挖掘混合土时的堵塞规律为自绞刀头部向后部逐渐堵塞，由1~2个刀臂间通道堵塞逐步向全部通道堵塞，由绞刀外部逐渐向内部挤压型堵塞，泥土以绞刀臂、绞刀轴为框架构成稳定的球状结构，最终导致绞刀挖掘能力丧失。因此，常规6臂绞刀轴毂处刀臂间距较小，易导致泥土块卡滞，是造成绞刀堵塞现象的主要因素之一，需合理减少刀臂数量，使绞刀轴毂处刀臂间通道更为开敞，提高泥土块的通过能力。当刀臂数量为5臂时，可有效增加轴毂处刀臂间距20%左右，并可通过刀臂线型优化，使同时参与切削的刀臂数量达2.5个，将绞刀震动和冲击负荷控制在可接受范围内，因此，本项目采用5臂结构新型绞刀形式。

2.2 刀臂外轮廓线形设计

2.2.1 刀臂外轮廓线在绞刀轴面上投影曲线

经过几十年的发展，绞刀结构形式基本趋近于一致，都由刀圈、刀臂、轴毂、齿座与刀齿组成[2]。绞刀主要设计参数为绞刀外径D、刀臂宽度B、刀臂外轮廓线包角赘1、刀臂内轮廓线包角赘2[3]、绞刀外轮廓线高度H、绞刀内轮廓线高度h、泥土标准贯入击数N和刀臂轮廓线外展系数k=tan 茁[4]，见图 1。

图1 绞刀主要设计参数示意图Fig.1 Diagram of main design parameters of cutter

目前国内外主要采用绞刀外径D、绞刀外轮廓线高度H、泥土标准贯入击数N和刀臂轮廓线外展系数k=tan茁为主要因子对刀臂外轮廓线在绞刀轴面上的投影曲线进行数学描述[5]，其方程如下：

式中：z，y为刀臂外轮廓曲线Z、Y坐标；H为绞刀外轮廓线高度；k为刀臂轮廓线外展系数；D为绞刀外径；N为泥土标准贯入击数；兹为描述外轮廓线形状的角度参数，其值需确保轮廓线与轴毂面相交，一般取值 0毅~150毅。

绞刀外形尺寸、重量以及动力传动方式等受现有挖泥船的制约[6]，为确保新型绞刀与3 500 m3/h绞吸船适配，本项目设计的新型5臂尺寸与常规6臂绞刀相同，即：

1）绞刀外径D取2700mm（内圈直径2330mm，大圈宽度 185 mm）[7]；

2）轴毂顶部高度取1 450 mm，轴毂半径取300 mm；

3）为避免轴毂部位堵塞现象，绞刀采用冠状外形，刀臂轮廓线外展系数k取-0.05，绞刀外轮廓线高度H取1 500 mm。

非均匀复杂混合土标准贯入击数为2~36不等，主要土质标准贯入击数平均值约为30，故泥土标准贯入击数N取30。

由以上参数可知，刀臂外轮廓曲线Z、Y坐标取值范围为：0臆z臆1 500；0臆y臆1 350。

将以上各参数值代入式（1）并求解，可得描述外轮廓线形状的角度兹取值范围为0毅~85.36毅；由此可绘制刀臂外轮廓线在绞刀轴面上投影曲线。

2.2.2 刀臂外轮廓线在绞刀平面上投影曲线

为确保绞刀头部刀齿先入泥以提供最大切削力，新型绞刀采用前移式刀臂形式，匹配较小前移量和泥层厚度进行挖掘施工，可在最大程度上提高绞刀的破土能力。5刀臂外轮廓线沿轴毂外沿均等对称分布，夹角为72毅，刀臂头部切线在轴毂内部组成内切于轴毂的等五边形，刀臂尾部与绞刀大圈外沿相交，形成的刀臂外轮廓线包角赘1为 71毅。

本项目采用绞刀外径D、绞刀外轮廓线高度H、泥土标准贯入击数N、刀臂轮廓线外展系数k=tan茁以及刀臂外轮廓线包角赘1为主要因子对刀臂外轮廓线在绞刀平面上投影曲线进行数学描述，有关水平坐标系设置及相关参数图解见图2。

刀臂外轮廓线在绞刀平面上投影曲线方程如式（2）：

式中：x、y为刀臂外轮廓曲线X、Y坐标；H为绞刀内轮廓线高度，H=1 500 mm；k为刀臂轮廓线外展系数，k=tan茁=-0.05；D为绞刀外径，D=2 700 mm；N为泥土标准贯入击数，N=30；兹为描述外轮廓线形状的角度参数，取值0毅~85.36毅；d1、d2见图2，d1=885 mm，d2=93 mm；赘1为刀臂外轮廓线包角，赘1=71毅。

2.2.3 刀臂内轮廓线形设计

新型绞刀采用45毅螺旋角设计，即刀臂与水平方向夹角为45毅，有利于绞刀受力平稳增加，且刀臂间距较为合理；同时采用该螺旋角，有利于切削时黏性土发生剪切变形和向绞刀腔内输送，避免发生绞刀堵塞现象。

类似于刀臂外轮廓线投影方程，对于内轮廓线，亦采用相似参数对平面投影曲线进行数学描述，如式（3）及图3。

式中：x、y、z为刀臂内轮廓曲线X、Y、Z坐标；h为轴毂顶端高度，h=1 240 mm；d3、d4见图3，d3=490 mm，d4=93 mm；赘2为刀臂内轮廓线包角，赘2=61毅；B为刀臂宽度，B=370 mm；准为绞刀螺旋角，准=45毅。

图3 刀臂内轮廓线水平坐标系设置及相关参数图解Fig.3 Setting of horizontal coordinate system of inner contour line of cutter arm and illustration of related parameters

2.2.4 新型绞刀三维模型构建及强度分析

根据新型绞刀刀臂内、外轮廓空间曲线方程和绞刀设计参数，构建绞刀三维模型，采用三维建模软件构建绞刀三维模型，采用有限元分析软件对新型绞刀进行受力分析[8]，校核其强度是否满足挖掘施工要求。

1）计算方法

绞刀在挖掘时，各刀臂间受力相互独立，且刀臂主要受力为切向力；参与切削的刀臂数量视切层厚度为2.0~2.5根，为模拟最不利工况绞刀受力情况，采用额定功率下2根刀臂参与切削的工况进行受力分析，其计算条件如下：

物性条件：绞刀底圈材料为25锻钢，绞刀臂材料为ZG20Mn，绞刀轴毂材料为ZG230-450。

负荷条件：根据目标船舶性能，其绞刀额定功率为1 200 kW，因2根刀臂参与切削，故单个刀臂最大切削功率可简化为600 kW。

式中：F为刀齿所受切向力，kN；n为绞刀转速，取25 r/min；di为刀齿距绞刀中轴线的距离，m；m为每刀臂安装刀齿数量，取8个，刀齿为等间距分布。

2）计算结果及分析

根据应力分布计算结果，最大应力为71.41MPa，发生在刀臂与轴毂连接部位，绞刀臂材料ZG20Mn许用应力207 MPa，轴毂材料ZG230-450许用应力167 MPa，均大于绞刀最大应力，可认为强度满足要求。

2.2.5 新型绞刀主要特点综述

经绞刀刀臂数量优化、刀臂轮廓线形重新设计、三维建模模拟和受力分析，采用5臂结构的新型绞刀结构强度满足要求；刀臂轴毂位置间隙达190 mm，刀臂整体间隙达650 mm，较通用6臂绞刀提高约34%，切削土通过能力更好，满足非均匀复杂混合土挖掘施工要求。

2.3 刀齿安装角度优化

刀齿在刀臂上的安装角度对泥土切削厚度、破碎度和刀齿受力、磨损情况均有直接影响，安装角度可用刀齿螺旋角和外倾角进行表述，其中螺旋角为刀齿中心线与绞刀大圈平面的夹角，外倾角为齿的中心线在大圈平面上投影与齿尖旋转圆切线所构成的夹角。刀齿安装角度与刀臂线形相关，随刀齿在刀臂位置不同而不同，进而影响切削时的刀齿姿态，即倾角、切削角和间隙角[9]。

在设计刀齿安装角度时，应综合考虑刀齿倾角、间隙角相互关系及对刀齿切削的影响。针对非均匀复杂混合土质，刀齿倾角应满足切削时受力较小，切削厚度较薄，且具有足够的间隙角；因刀齿在刀臂上安装位置不同，旋转半径由绞刀大圈至顶端逐步减小，刀齿合成线速度亦由大圈至顶端逐步减小，且方向偏向于水平，导致间隙角随之减小，因此最小间隙角在绞刀轴高端出现。根据以上要求和刀齿外形尺寸，刀齿间隙角标准值采用12毅，倾角应控制在40毅~70毅之间，由绞刀顶部至大圈逐渐增加，即对应的刀齿安装外倾角由绞刀顶部至大圈逐步减小。间隙角和倾角的关系见图4所示。

图4 绞刀齿的间隙角和倾角关系Fig.4 Relationship between clearance angle and inclination angle of cutter teeth

有关新型5臂绞刀安装刀齿后模型及实物见图5。

图5 新型5臂绞刀模型及实物图Fig.5 Model and picture of new type 5-arm cutter

3 施工效果

大型3 500 m3/h绞吸船新海鸥轮在秦皇岛港山海关港区起步工程疏浚工程施工，施工土质为典型非均匀复杂混合土，由淤泥质粉质黏土、中砂、粗砂、圆砾、粉质黏土、卵石组成，卵石平均粒径为80 mm左右，最大300 mm。通过新型绞刀的有效应用，解决了绞刀易包裹的难题，有效提高挖掘效率和时间利用率。根据现场施工数据统计，船舶平均施工时间利用率提高约37%，平均施工效率提高了约29%，达到1 600 m3/h，每月增加施工工程量31.26万m3。

4 结语

本文主要解决了大型绞吸船在非均匀复杂混合土质工程施工项目中的挖掘施工难题，项目研究成果已在秦皇岛港山海关港区起步工程疏浚工程非均匀混合土质工程中得到了成功应用，参与施工的大型绞吸船生产效率和施工质量均得到了有效提升，满足了工程建设需求，得到如下结论：

1）大型3 500 m3/h绞吸船在非均匀混合土质施工中，通用型绞刀和挖岩绞刀均存在绞刀包裹现象，包裹自绞刀头部逐步堵塞并向大圈端蔓延，最终导致绞刀完全包裹和吸口堵塞。

2）采用5臂结构的新型绞刀；刀臂轴毂位置间隙达190 mm，刀臂整体间隙达650 mm，较通用6臂绞刀提高约34%，切削土通过能力更好。

3）大型3 500 m3/h绞吸船新海鸥应用新型绞刀后，船舶平均施工时间利用率提高了约37%，平均施工效率提高了约29%，达到1 600 m3/h，满足非均匀复杂混合土挖掘施工要求。