大型耙吸挖泥船系列化耙头研发与应用

孙守胜，肖博，林森，李章超

（中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

目前，耙吸挖泥船施工时所面对的土质类型日趋复杂[1]，例如天津新港30万t航道施工中遇到的土质主要由粉质黏土和砂质粉土组成，该土质为5级土夹杂10级土，平均标贯击数N达到31，最高达到71。这种土质以往主要由绞吸挖泥船进行疏挖，一旦施工船舶换成耙吸挖泥船时，现场的施工效果就不太理想，具体表现为船舶进舱浓度和产量相对较低。此外，耙吸挖泥船挖掘黏性极强的土质时，耙头会频繁地发生堵塞继而严重影响船舶的生产率。为解决这些困扰企业的难题，天航局决定在以往自主设计耙头的基础上研发适用于不同施工土质的系列化耙头。

本文介绍了系列化耙头的分类，详细阐述了每种耙头的特点及适用范围。同时，利用有限元分析软件来辅助设计人员进行系列化耙头的设计工作[2-3]，并在不同的施工地点对系列化耙头进行了多次试验，获取了大量的施工数据并分析了系列化耙头的挖掘性能。

1 系列化耙头分类

根据目前国内耙吸船施工的典型土质对耙头进行了分类，即黏土型耙头、密实砂土型耙头、通用型耙头和重型耙头。这四种耙头的主要结构尺寸和特点各不相同，如活动罩内部腔体大小、高压冲水喷嘴布置、耙头总重以及固定体吸口与耙吸管面积的匹配等，以此让系列化耙头适应不同的疏浚土质要求，最大程度地发挥系列化耙头有针对性的挖掘性能。系列化耙头分类详见表1。

表1 系列化耙头分类Table1 Classification of serialdrag heads

2 耙头关键技术研究

2.1 耙头内部流场模拟与分析

1）模型的建立和简化

以通途轮黏土耙头为例，对该耙头进行了介质为清水的流场数值模拟计算。耙头的内腔流体区域模型进行了简化处理：假设流体仅从耙齿后方的空隙处和引水窗处进入内腔，耙头进口外流场区域做加大处理，并将边界设定在这块流体区域的外面，即自由出流边界，同时对耙头流体出口区域做延长处理，并给定出口处的速度边界。

2） 数学模型

计算采用RNG k-ξ模型，数值解法采用SIMPLEC解法，各离散项都采用二阶精度。

3） 计算结果分析

分析数值模拟计算结果，不难发现在活动罩内部加弧形导流板前腔体内部漩涡区较大，且漩涡区后面存在大量的低流速区域，而靠近腔体下底部的区域流速较高；加弧形导流板后，腔体内部的漩涡区消失，活动罩腔体内流体流动顺畅，固定体内流体流速均匀，整个流场的高流速区域集中在耙齿间隙处和引水窗处。后续研究表明泥沙和清水在活动罩弧形板处存在分层现象，且泥沙在下，清水在上，因此设置弧形导流板极有必要，有利于泥沙和清水的混合。利用这种方法分析了几种黏土耙头方案，最终得到了流场较优的耙头方案。

同理，系列化耙头均采用此方法对耙头方案进行优化。

2.2 耙头整体结构强度计算和分析

1） 模型的建立

根据流场分析优化后的耙头方案（还以黏土耙头为例），建立了黏土耙头结构强度计算的有限元模型。黏土耙头的主结构由薄钢板焊接而成，因此选用软件内的板壳单元对建立的黏土耙头模型进行网格划分，以保证计算模型能与实际比较接近。

2） 边界条件设定

在考虑动载系数的情况下，将船舶施加给耙头的拖拽力与耙头所承受的其他载荷进行载荷组合，并将组合后的载荷施加在所建立的模型上，通过有限元软件获取计算结果。由于耙头类似悬臂梁结构，因此在固定体法兰等处施加位移约束，以保证模型的边界条件与黏土耙头的实际工作情况一致。

3） 计算结果分析

固定体30°、活动罩0°时耙头整体变形矢量图及位移云图如图1。

从图1中可知，耙头在各种载荷的共同作用下产生了一定的变形，这种变形会影响活动罩的转动和油缸的伸缩，综合考虑各种技术参数，认为这种变形不会影响耙头各部件的使用和运转。耙头各部分的最大应力值为230 MPa，耙头主结构制造材料为Q345，在安全系数取1.3的情况下，最大应力值未超过制造材料的许用应力，则耙头的结构强度满足强度准则要求，耙头可正常施工。由于采用了有限元软件进行结构强度分析，因此能更有把握地根据计算结果对耙头的结构进行优化设计，以尽量减轻耙头的重量，节省制造成本。

图1 耙头整体变形矢量图及位移云图Fig.1 The vector diagram and displacementnephogram of drag head deformation

2.3 耙头高压冲水喷嘴性能研究

在耙头固定体水箱底部的耐磨块和活动罩耙齿等处安装有一定数量的不同直径的高压冲水喷嘴。由高压冲水泵供给一定压力的水流经冲水喷嘴后形成高速射流，该射流会冲击和破碎泥面以辅助耙破土。为使耙头高压冲水喷嘴的性能最优，通过CFD软件对喷嘴性能进行了数值模拟和计算，选取了适合4种耙头的高压冲水喷嘴的形状和直径。

1）不同形状的喷嘴

本文模拟了3种类型的喷嘴，分别为直形喷嘴、锥形喷嘴和锥-直形喷嘴，喷嘴速度矢量分布见图2。

图2 喷嘴速度矢量分布图Fig.2 Nozzle velocity vector distribution

由图2可知，锥-直形喷嘴射流流速无论在方向上还是在大小上，分布都极为均匀集中，其喷射效率最高，因此选定锥-直形喷嘴作为系列化耙头的高压冲水喷嘴类型。

2）不同长度的喷嘴

同样，建立相同直径的3种长度喷嘴的CFD模型，并进行数值模拟计算。

通过分析和对比计算结果可知，喷嘴长度越长，高速的射流会传递更远，到达泥面时的流速将越大，但射流通过较长喷嘴时的水力损失会增加。综合考虑高速射流流场分布和总压分布的情况下，选定了适合4种耙头使用的一定长度的喷嘴，以发挥耙吸船高压冲水系统的最大潜力，更好地帮助耙头破土。

3 耙头应用情况

1）通途轮海南八所航道施工

2012年1—3月，安装有系列化耙头的通途轮在海南八所开展航道施工。八所航道土质构成较复杂，有黏土夹砂、粉土、砾石、鹅卵石、珊瑚礁、花岗岩等。其中左耙为密实砂土型耙头，右耙为黏土型耙头。

现场土质情况虽比较复杂，但黏土占比较大且黏性大不易开挖，其中左耙最大进舱密度为1.52 t/m3，平均进舱密度为1.18 t/m3；右耙最大进舱密度可达到1.58 t/m3，平均进舱密度为1.2 t/m3。对比数据可知黏土型耙头挖掘效果好于密实砂土型耙头，这在一定程度上证明黏土型耙头针对黏土的挖掘能力较强。

2） 通途轮新港30万t航道施工

通途轮2012年5月开始在天津新港30万t航道开展航道施工，此时左、右耙均为密实砂土型耙头。查阅天津新港30万t航道地质勘察资料可知，通途轮施工段的土质为5级粉质黏土夹杂10级砂质粉土，平均标贯击数达到31，最高达到71，属于N值在30以上的较硬、不易开挖土质。2012年9月后，通途轮耙头更换为密实砂土改进型耙头，更换后的耙头挖泥浓度和效率明显提高。

施工数据表明，左耙最大进舱密度为1.6 t/m3，平均进舱密度为1.26 t/m3；右耙最大进舱密度为1.6 t/m3，平均进舱密度为1.25 t/m3。数据分析说明改进后的密实砂土型耙头在挖掘这种密实的粉质黏土和砂土时，挖掘性能相当优良，说明设计这种有针对性的系列化耙头是极其必要的。通途轮使用该款耙头后，平均进舱密度和产量相较以往有较大的提高。与采用国外引进耙头的国内船舶在此工地施工时平均进舱密度1.14 t/m3相比，该款耙头挖掘能力提高了1倍。同时，与国外同类型船舶在此施工时平均进舱密度1.21 t/m3相比，其挖掘能力也较强[4]。

3） 通远轮新港30万t航道施工

2012年9月，安装有通用型耙头的通远轮也参加了新港30万t航道的施工，现场土质情况与通途轮所挖掘的土质类似。

施工数据表明，左耙最大进舱密度为1.43 t/m3，平均进舱密度为1.21 t/m3；右耙最大进舱密度为1.56 t/m3，平均进舱密度为1.23 t/m3。分析数据可知，针对这种N值较大的土质，通用型耙头的挖掘能力弱于密实砂土型耙头的挖掘能力，但是船舶的平均进舱密度总体还是较高，结果甚至超出了制定通用型耙头方案的初衷，说明通用型耙头在挖掘N值在30左右的土质时挖掘能力也是比较强。通用型耙头存在的意义在于：一旦现场土质的N值在30以下，构成既有黏性不大的黏土也有密实性的砂土，施工中可免于来回更换黏土型耙头和密实砂土型耙头，而直接采用通用型耙头进行施工，避免了因土质变化多样导致选择耙头困难。

4 结语

本文提出了一种新的耙头分类方法，即根据耙吸施工中所碰到的典型土质将耙头分为4类，而这4种类型的耙头形成了系列化耙头。由于本项目的开展，耙吸船有了更多可供选择的耙头类型，耙吸施工更具针对性，而系列化耙头的实际应用情况也说明这种分类方法有其实际意义。在设计过程中，从流场、结构优化设计以及喷嘴性能研究三个方面对系列化耙头进行了大量的数值模拟计算，积累了宝贵的设计经验。与此同时，大量的实船试验表明，系列化耙头在实际使用过程中具有挖掘能力强、进舱浓度高、高压冲水喷嘴配置合理等优点，能有效提高大型耙吸挖泥船的施工效率。在实际工程应用中也将系列化耙头所表露的一些问题进行了处理和改进，进而让系列化耙头的优良性能得以更好发挥。通过系列化耙头的研发，制定了本单位耙头设计规范流程，为挖泥机具设计人员提供了一定的技术参考。

[1] 疏浚技术[M].天津：中交天津航道局有限公司.1997.Dredging technology[M].Tianjin：CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,1997.

[2] 丁勇，王忠贤.新型主动耙头的开发和应用[J].船舶，2005（1）：52-55.DINGYong,WANGZhong-xian.A new typeofactive draghead[J].Ship&Boat,2005(1)：52-55.

[3] 洪国军，王健，林风.自航耙吸挖泥船耙头模型试验研究[J].中国港湾建设，2008（4）：19-22.HONG Guo-jun,WANG Jian,LIN Feng.Model experiments of draghead on training suction hopper dredger[J].China Harbour Engineering,2008(4)：19-22.

[4] 高伟.国内外疏浚挖泥设备的对比与分析[J].中国港湾建设，2009（2）：63-67.GAOWei.Comparison and analysisofdredgingequipmentathome and abroad[J].ChinaHarbourEngineering,2009(2)：63-67.