挖岩绞刀的岩石切削试验及数值模拟

绞刀是绞吸挖泥船的核心部件,通过现场试验研究绞刀挖掘性能的代价巨大。针对在实船试验中难以遇到合适土质的问题,提出在实验室进行挖掘试验和数值模拟表征绞刀挖掘性能的方法。制作2 000 kW功率绞刀的缩比模型和不同单轴抗压强度的岩石模型,在实验室进行不同切削厚度、步进距离等参数的绞刀切削岩石的模型试验,建立1：1尺寸的绞刀数值模型和岩石模型,采用单元删除法模拟2 000 kW绞刀切削岩石的过程,分别模拟产量为240和500 m³/h的切削过程,并分析绞刀切削功率和横移拉力。结果表明,挖掘产量240 m³/h时的最大功率为1 884 kW、平均功率为1 088 kW,满足设计要求。     

绞吸式挖泥船光刃绞刀的切削性能

为研究光刃绞刀的切削性能,采用数值分析软件LS-DYNA分析光刃绞刀和带齿绞刀的切削动力学过程,对比这2种绞刀在不同切削工况下对土壤和岩石的切削性能.结果表明:在切削岩石时,光刃绞刀在切削力和切削能耗方面的表现均优于带齿绞刀;在切削土壤时,光刃绞刀在切削力和切削能耗方面的表现与带齿绞刀相近.由此可见,将光刃绞刀应用于含杂物的软质土壤切削作业中具有一定的可行性.     

绞吸式挖泥船光刃绞刀的切削性能

为研究光刃绞刀的切削性能,采用数值分析软件LS-DYNA分析光刃绞刀和带齿绞刀的切削动力学过程,对比这2种绞刀在不同切削工况下对土壤和岩石的切削性能。结果表明:在切削岩石时,光刃绞刀在切削力和切削能耗方面的表现均优于带齿绞刀;在切削土壤时,光刃绞刀在切削力和切削能耗方面的表现与带齿绞刀相近。由此可见,将光刃绞刀应用于含杂物的软质土壤切削作业中具有一定的可行性。     

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。     

基于三维离散元法的绞刀运转效能分析

针对不同绞刀结构下的运转效能影响机制问题,基于离散元(DEM)法,研究了锥型绞刀和冠型绞刀在切削土体过程的工作效能。结合工程实际数据,在三维离散元软件YADE中进行通用型绞刀头建模,并验证其数值模拟可靠性。优化绞刀结构形式,建立了新的锥型绞刀和冠型绞刀的三维模型并模拟分析了两者在不同工况下的切削过程。结果显示,锥型绞刀较冠型绞刀具有更优的挖掘效能。     

绞吸式挖泥船绞刀切岩数值模拟

针对挖泥船绞刀挖岩过程中绞刀切削力难以预测的问题,应用离散单元法建立了模拟绞刀切岩过程的模型。通过虚拟巴西劈裂试验和单轴压缩试验对岩石重要参数进行标定后,建立了软岩的bonding模型,结合Solidworks建立的绞刀三维模型进行切岩模拟。在绞刀切岩的离散元仿真中,得到绞刀挖岩过程中的切削受力,并研究绞刀在不同工况下对绞刀切削受力的影响。结果显示,切削形貌及绞刀受力与现实基本相符,这些结果可为新型挖泥船绞刀设计提供参考。     

大型绞吸挖泥船挖岩绞刀切削数值模拟

针对绞刀切削岩石的特点,建立了考虑步进距离和切层厚度的绞刀受力模型,然后分别建立5 000 kW绞刀物理模型和有限元模型。分析了在反刀切削岩石时绞刀的受力情况,绞刀在最大功率时的应力和变形。计算表明,5 000 kW绞刀在设计工况下,最大变形为1.84 mm,最大应力为140.5 MPa,分别满足刚度要求和强度要求,验证了绞刀设计的合理性。     

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。     

绞吸挖泥船绞刀切削过程数值模拟及刀臂曲线优化

为了研究绞吸挖泥船切削过程土体与绞刀相互作用的功率消耗和切削产量情况,基于离散元理论,结合实船施工数据,采用PFC3D程序,将土体离散为有限单元,模拟绞刀切削土体过程,监测绞刀功率消耗和切削产量,与实船数据对比分析,验证数值模拟的可靠性,在此基础上对现有绞刀刀臂曲线进行改进优化。     

绞吸式挖泥船绞刀切削受力及其影响因素分析

针对绞吸式挖泥船绞刀的磨损快和挖掘效率低等实际工程问题,对挖泥船绞刀进行切削受力分析,建立绞刀作用力计算模型,利用数值计算方法计算绞刀在不同切削角和包角条件下的作用力,得到了绞刀的切削角、包角与其受力之间的影响关系,给出绞刀切削角和包角的优化理论值范围。     

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。     

挖泥船绞刀参数化三维建模

绞刀是绞吸式挖泥船的关键机具,对提高挖掘功效具有决定性作用。根据现有土壤切削理论和疏浚施工实践,分别建立了绞刀结构形状与不同类型土质的关系,绞刀切削动力特性与土质特性关系的数学模型,以及各种绞刀刀齿模型库。在VB语言环境下对三维建模软件SolidWorks进行二次开发,实现了绞刀参数化三维建模。设计者输入土质、产量或功率等参数即可得到相应的三维绞刀。这种参数化三维建模的方法使用简便、立体感强,既缩短了设计周期,又提高了设计的精度,更便于绞刀的应力分析和优化设计。     

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...     

绞吸式挖泥船绞刀系统技术现状及发展

绞刀系统是绞吸式挖泥船的核心工作机构,其利用绞刀的切削作用将水下泥土搬离原有位置并与附近的水混合形成泥浆以便于输送,改善绞刀系统性能可显著提高挖泥船工作效率。在综合研究和分析绞刀切削理论基础上,本文归纳和总结了国内外挖泥船绞刀结构形式、驱动技术的现状和进展。针对具体疏浚工程特点,提出采用适于加工工艺、耐磨、可调环保型绞刀,可明显提高绞刀工作性能。比较和分析了液压马达、交直流电机驱动绞刀系统的特点和存在的问题,表明采用调速优良、效率高、损耗小的开关磁阻电机驱动方式将是绞刀驱动系统发展的趋势。     

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。     

基于岩石切削理论的超大型绞吸挖泥船绞刀动载荷分析

针对绞吸挖泥船疏浚岩石的工作特性,基于绞刀几何模型、运动学模型和动力学模型对绞刀疏浚岩石时的受力及其载荷波动性进行数值仿真。通过数值仿真切削功率和实际切削功率的对比进行了结果可靠性验证。利用Matlab/VB编制了研究绞刀受力以及载荷波动性的仿真系统。所得结果可为研发疏浚岩石关键设备提供参考依据。