挖泥船绞刀挖岩过程的数值模拟

绞吸挖泥船绞刀长轴系轴承支反力计算方法研究林挺【摘要】绞吸挖泥船作为世界疏浚行业中应用较广的一种挖泥船,其技术复杂性和先进性更多的体现在挖泥机具及疏浚系统方面.为适应疏浚技术发展,开展对绞刀轴系相关技术研究成为行业的常态.本文主要对绞吸挖泥船绞刀架及绞刀轴系在工作状态下的受力情况进行分析,并通过建立有限元模型,尝试寻找可应用于绞刀轴校中的轴承受力的计算方法.目标是为绞刀轴系的校中安装计算提供参考依据,也可用于指导绞刀轴系的设计和优化.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4页(P115-118)【关键词】绞吸挖泥船;绞刀架;绞刀;绞刀轴系;轴承受力分析计算;轴系校中【作者】林挺【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200030【正文语种】中文【中图分类】U615.350 前言在近十几年中，通过学习分析国外先进疏浚船舶的相关动态与资料，结合研究成果及应用经验，国内高校及科研机构、船厂合作研发了一系列大型绞吸挖泥船，使我国在绞吸挖泥船及配套设备的研发上取得明显进步，正逐步打破外国的技术垄断。

配套疏浚装备研制，是绞吸挖泥船制造的核心技术，而绞刀轴系作为绞吸挖泥船挖掘系统的核心装备之一，其技术的重要性不言而喻[1]，必然成为行业技术研究的主要对象。

在实际应用中，由于恶劣的施工环境及复杂的工况，为绞刀提供直接动力的绞刀轴系承受着巨大的工作载荷，其运行状态决定绞刀的工作效率，最终影响工程成本，因此，对绞刀轴系的研究成为绞吸挖泥船制造、使用、管理的主要课题之一。

本文主要对绞吸挖泥船绞刀架及安装在绞刀架上的绞刀长轴系进行系统性分析，研究如何计算绞刀长轴系轴承的受力，为绞刀长轴系的校中计算、安装调试提供依据。

1 绞刀架和绞刀轴系绞刀架位于绞吸挖泥船船体凹槽内，一端铰接在主船体上，另一端通过起桥滑轮和起桥钢丝绳悬挂在龙门架上。

由于有横向力的作用，所以绞吸挖泥船的绞刀架必须具有一定的刚度，大型绞吸挖泥船往往使用双箱梁结构，并通过纵向与横向的连接予以加固。

绞吸挖泥船水流作用力数值模拟张盼盼，徐立群，倪福生【摘要】摘要:基于雷诺时均Navier－Stokes方程对绞吸挖泥船周边流场进行三维数值模拟计算，采用重整化群RNG k－湍流模型，运用Fluent软件针对绞吸挖泥船在不同来流角度及速度下的水流阻力特性进行定常数值计算，获得了不同来流角度及速度下的水流作用力及阻力系数变化规律，为绞吸挖泥船的设计及施工提供了依据。

【期刊名称】机械制造与自动化【年(卷),期】2013(042)003【总页数】5【关键词】关键词:绞吸挖泥船;k－湍流模型;水流阻力;阻力系数;数值计算绞吸挖泥船是目前世界上在疏浚工程中使用较广泛的一种挖泥船，其左右横移是挖掘水下土壤的主要工艺过程。

在横移过程中，船舶受到的阻碍，主要来自于绞刀切削土壤的阻力，此外，水流对船体的作用力也不容忽视。

挖泥船施工作业时，变化的水流作用力会影响船舶的操控甚至有可能危及船舶的安全［1］。

所以，研究水流对船体作用力特性至关重要［2］。

关于系泊船舶受水流作用力的影响，目前已有不少成果［3-4］，针对绞吸挖泥船近海作业时受水流作用力的影响进行了详尽计算分析。

利用Fluent软件，采用雷诺N－S方程和RNG k－湍流模型，对船体在不同来流角度及速度下水流作用的流场进行数值模拟，得到了各情况下水流对船体的阻力及阻力系数，可供绞吸挖泥船设计及施工时参考。

1 数值计算模型1.1 控制方程和湍流模型本文将流体视为不可压缩流体，流动为定常流动，其控制方程为三维连续性方程和三维不可压缩的N－S方程。

方程描述如下。

连续性方程:动量方程:式中:ρ——流体密度;ui——流体速度;fi——流体质量力;p——压强;——雷诺应力张量;——雷诺应力;i，j——坐标。

目前，使用广泛的湍流模型有标准k－两方程模型和重整化群RNG k－模型，两者的k方程和方程是相同的，不同的是后者采用的系数不是根据试验而是由理论推导所得。

相比较标准k－模型，RNG k－模型应用更为广泛。

绞吸式挖泥船绞刀的流场数值模拟周栋彬; 熊庭; 张新卓; 江攀【期刊名称】《《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》》【年(卷),期】2019(043)006【总页数】5页(P1017-1021)【关键词】绞刀; 流场分析; 下倾角; 入口流速【作者】周栋彬; 熊庭; 张新卓; 江攀【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】U674.310 引言绞吸式挖泥船在港湾建设、航道湖泊清淤、填海造地、水域环保等领域有重要应用，安装于其桥架前端的绞刀是绞吸式挖泥船的主要工作部件，绞刀旋转时由刀臂带动刀齿进行破碎切削工作.切削得到的疏浚泥浆的主要成分以淤泥和黏土为主，具有固体颗粒粒度小，分布范围宽，含水量高的特点[1].绞刀的流场特性对挖掘性能有重要影响，而绞刀的挖掘性能是影响挖泥船挖泥效率的关键因素.在绞刀工作时，刀齿及刀臂和介质直接接触，刀齿安装于齿座上，当刀齿出现磨损时可即时更换，刀臂则无法更换，而刀臂为绞刀的主要连接及支撑结构，以往的相关研究对刀臂上的压力变化情况的关注较少[2-3]，对绞刀的流场分析一般以转速为主要研究对象且多为简化的清水流场[4-5]. 鉴于此，文中采用流场仿真软件fluent建立了绞刀的三维有限元模型，将绞刀工作时的下倾角及入口流速作为研究对象，采用数值模拟方法研究绞刀在最佳转速工况下，不同下倾角和所处水域流速对绞刀流场的压力分布和出口泥沙体积分数的影响，得到减小绞刀所受压力并提高出口泥沙体积分数的工况参数.1 绞刀流场的数值仿真模型1.1 绞刀三维造型绞刀主体结构由大环、轮毂、刀臂、刀齿组成，轮毂与绞刀轴连接，传递力和力矩，刀齿附着在刀臂上，大环和轮毂把刀臂连接起来，实现连续切削过程.绞刀的设计尺寸对切削性能有重要影响，而刀臂的几何形状是绞刀设计中的关键参数[6].数值仿真中使用的铰刀三维模型包括六个刀臂，48个刀齿，刀臂由内外轮廓曲线及截面生成空间曲面.绞刀尺寸见表1,三维模型见图1.刀臂的内外轮廓曲线为(1)(2)式中：d1为轮毂外径；Ω1为刀臂外轮廓线包角；Ω2为刀臂内轮廓线包角；D为绞刀直径；k为绞刀形状系数，与刀臂外展角有关；N为土质的标准贯入击数；H 为刀臂外轮廓线顶点高度；h为刀臂内轮廓线顶点高度；φ为刀臂安装角.表1 绞刀尺寸参数绞刀外径/mmD1 750大环外径/mmD1 1 750大环内径/mmD21 430大环壁厚/mmδ90刀臂数z6刀臂外轮廓线顶点高度/mmH1 125刀臂宽度/mmB315刀臂内轮廓线顶点高度/mmh1 025刀臂安装角/(°)φ50刀臂外轮廓线包角/(°)Ω175刀臂内轮廓线包角/(°)Ω257轮毂外径/mmd1550轮毂内径/mmD2400轮毂高/mmh13401-大环；2-刀臂；3-刀齿；4-轮毂图1 绞刀三维造型1.2 绞刀流场分析的数学模型绞吸式挖泥船在进行切削工作时，桥架将绞刀下放至待挖土层，由电机驱动绞刀对土质进行挤压破碎，并随着桥架绕定位桩旋转，由于绞刀直径相比绕定位桩旋转的直径较小，因此，可以近似于直线横移运动.土质剥离破碎后一部分扩散至周围水域或者沉积在水底，另一部分在泵吸作用下经由吸口进入吸泥管，这部分的土质就是挖泥船的最终产量，绞刀的切削原理见图2.图2 绞刀切削原理图计算使用的Mixture模型是由离散型和连续相构成的多相流模型，允许相之间互相渗透，它求解的是各相的连续方程和混合相的动量方程，与拉格朗日模型相比，mixture模型考虑的变量更少，计算更有优势.其控制方程描述如下.连续方程：(3)式中：ρm为第m相密度，kg/m3；vm为第m相矢量速度；φm为m相的体积分数.Mixture模型的动量方程为(4)式中：F为体积力；μm为混合黏性，为第二相k的飘移速度，vdrk=vk-vm. Mixture模型的能量方程为·(keffT)+SE(5)式中：keff为有效热传导率；SE为所有的体积热源；T为温度；Ek为k相的能量，计算的湍流模型使用k-ε方程：(6)(7)式中：ρ为水的密度；ui为速度矢量；μt为湍流黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍流k的生产项；sk=1.0，sε=1.3，s1ε=1.44，s2ε=1.92.2 绞刀流场数值模拟2.1 流场计算域的设置和网格划分计算中使用的铰刀直径为1 750 mm、高度为1 125 mm，在geometry中将铰刀所在流场域划分为旋转域和静止域.旋转域设置为包围铰刀的圆柱，直径1.85 m、高1.325 m，实际施工中下倾角的一般大于20°[7]，因此，将下倾角分别设为20°，25°，30°，35°，40°；静止域设置为长方体，长5.85 m、宽5.325 m、高4.15 m，设置完成后使用布尔运算去除固体设备.绞刀计算域设置见图3.图3 绞刀流场计算域的划分铰刀在旋转过程中，越靠近铰刀附近的流场所受影响越大，网格需进行局部加密，对旋转域及旋转域和静止域交界面上的网格进行加密，对静止域的网格进行适当的稀疏化.在mesh中不同下倾角的划分网格数分别为：20°网格数2 571 225，25°网格数2 573 376,30°网格数2 573 340，35°网格数2 574 386，40°网格数2 579 742.经过网格修改和优化，计算中99%以上的网格质量在0.5以上，符合计算要求.2.2 边界条件的设定将5组下倾角不同的mesh文件分别导入fluent中，对模型进行边界条件的设置.1) 材料的设置计算中液固两相分别为水和泥沙颗粒，具体参数设置见表2.2) 边界的设置将入口设置为速度入口，泥沙和水的流入速度分别取2，5，8 m/s，方向垂直于入口面，出口设置为自由出口.3) 壁面的设置将绞刀轴与静止域的接触面设置为无滑移壁面，其他壁面设置为开放式壁面.4) 旋转域的设置有研究显示，泥沙吸入百分比及颗粒分布均匀度随绞刀转速呈先升后降的现象，合理转速范围在30～40 r/min之间[8-9]，计算中设置旋转域的转速为35 r/min,方向为顺时针方向旋转.5) 模型采用mixture模型，湍流方程采用k-ε方程[10-11].表2 泥沙参数材料相态直径/mm密度/(kg·m-3)体积分数/%水连续相1 00088泥沙颗粒离散相0.132 500123 结果分析下倾角α分别为20°，30°，40°时绞刀刀臂的压力分布云图见图4，由图4可知，绞刀上最大压力的位置在刀臂上接近轮毂的地方，此处是刀臂延轮廓线发展时外径最大的位置，也是刀臂与泥沙接触最充分的地方，比较三种下倾角的压力云图发现，随着下倾角的增大，最大压力的范围向大环处发展，因此角度越小最大压力的扩散范围也就越小.图4 不同下倾角刀臂压力云图为了分析不同工况组合下绞刀上的压力变化情况，在流场分析后处理中从绞刀上取三个位置进行分析，分别是绞刀最大压力处、刀臂与轮毂连接处、刀臂与大环连接处.这三处是绞刀的主要承力处及结构支撑点，对绞刀的结构强度有重要影响，将这三个点标记为①，②，③，三点的具体位置见图5.图5 压力分析所取三点位置在绞刀流场分析的后处理中不同下倾角、不同进口速度工况下的绞刀上三处位置压强的变化情况见图6.图6 不同入口速度下绞刀压力随下倾角变化趋势绞刀上的压力变化对绞刀的使用寿命和结构强度有较大影响，进而影响绞刀的切削性能.由图6可知，当下倾角较小时，绞刀上的压力较大，随着下倾角增加，压力持续降低，在角度为35°时压力达到最小值，继续增大下倾角，压力反而出现增大的情况.当下倾角一定时，随着流体的入口速度增加，绞刀上的压力会增大，且幅度很明显.因此，流体的入口速度对绞刀压力的影响比下倾角大，入口速度越小，铰刀所处流域就越稳定，泥沙对绞刀的冲击越小，绞刀所承受的载荷也就越小.下倾角过小时，绞刀所承受的载荷很大，且此时的挖泥深度很小，对实际工况及地形的要求比较严格；下倾角过大时，由于吸泥管布置于桥架内，吸管的下倾角也会很大，此时泥沙比小角度更易沉降，使泥泵的功耗增加，导致工作效率降低.综合分析可以得出，在绞吸式挖泥船实际施工过程中，需要在较平缓的海况中设置合理的下倾角来降低绞刀所承受的载荷，以优化其挖掘受力性能.不同下倾角出口泥沙的平均体积分数变化情况见图7.由图7可知，随着下倾角的增大，出口泥沙的平均体积分数逐渐增大，当下倾角增加到35°时平均体积分数达到较大值，角度继续增大，平均体积分数会继续增加，但是幅度趋于平稳，且随着入口流速的增大，出口泥沙平均体积分数逐渐降低，在入口流速为2 m/s时出口泥沙平均体积分数最大且随着下倾角的变化波动较大，因此，挖泥船施工时所处流域越稳定，产量就会越大，挖掘效率也就越高.图7 出口泥沙平均体积分数4 结论1) 在绞刀流场的数值模拟过程中，旋转域尺寸小，是流场分析的主要研究对象，网格需加密.对于10%以下体积分数的泥沙颗粒，适合使用双欧拉模型计算，而对于较高体积分数，应采用mixture模型.2) 绞刀刀臂为绞刀的连接及支撑结构，其载荷变化对绞刀的受力性能影响较大，当绞刀下倾角在20°～40°范围内时，刀臂的主要连接和支撑处的压力及最大压力随下倾角的增加有先增后降的趋势，且当入口流速在2～8 m/s范围内时，随着入口流速的增大，压力升高幅度很大，最大压力的范围也随下倾角的增大向大环扩散；出口泥沙体积分数会随着下倾角的增大而增大，且随着入口流速的增大而降低，因此，合适的下倾角及入口流速较低的工况会有利改善绞刀的受力性能，并提高工作效率.3) 影响绞刀压力及速度分布的影响因素除了下倾角和入口流速，还有绞刀的横移速度、前进步距、泥沙粒径范围等因素，本文的数值模拟简化了工况，忽略了这些因素的影响，进一步的研究需考虑这些因素的影响.参考文献【相关文献】[1]孙磊,余龙,谭家华.新型结构的疏浚泥分离用水力旋流器的研究[J].流体机械,2008(2):31-35.[2]林森,苏召斌,李章超,等.绞吸挖泥船大功率挖岩绞刀设计与研究[J].中国港湾建设,2017(11):46-48.[3]张凌博,蔡宗熙,李瑞祥,等.挖泥船绞刀挖岩过程的数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报,2018(2):371-376.[4]刘恒序.挖泥船环保绞刀装置设计与流体性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2011.[5]DEKKER M A, KRUYT N P, Burger M D, et al. Experimental and numerical investigationof cutter head dredging flows[J]. Journal of Waterway Port Coastal & Ocean Engineering,2003,129(5):203-209.[6]杨啸轶,杨启,刘丹.绞吸式挖泥船绞刀臂轮廓线和刀齿安装角的确定方法[J].港工技术,2013(4):31-34.[7]中华人民共和国交通部.疏浚工程技术规范:JTJ 319—1999[S].北京：人民交通出版社，1999.[8]李超.基于CFD的环保绞刀装置流场性能分析研究[D].武汉：武汉理工大学,2014.[9]刘永杰,朱汉华,吴楹,等.绞吸式挖泥船泥沙吸入量影响因素的数值模拟分析[J].船海工程,2016(4):166-169.[10]胡佳,高岚,范世东,等.绞吸式挖泥船电力驱动系统建模与仿真研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(5):875-880.[11]熊庭,杨文,邓勇,等.绞吸挖泥船泥浆管道输送模型构建[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2015,(2):254-258,263.。

挖泥船绞刀二维清水流场数值模拟方园，倪福生（河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏常州213022）摘要：基于时均N-S 方程对绞刀内部及周边流场进行二维数值模拟分析，采用标准k -ε湍流模型与多参考系模型对绞刀进行动静耦合的定常数值计算，获得不同绞刀转速与泵吸流量组合时的流场状态。

以定常湍流计算作为初始条件应用RNG k -ε模型和滑移网格技术进行了绞刀流场的非定常数值计算，得到了流场参数随时间变化及动静区域间的影响与干涉。

研究成果有助于初步认识绞刀内部及周边流场，可供绞刀设计及挖泥船施工参考。

关键词：挖泥船；绞刀；流场；数值计算中图分类号：U615.351文献标志码：A文章编号：1003-3688（2011）02-0004-04Numerical Simulation of 2-D Water Flow in andaround Cutter of a DredgerFANG Yuan ，NI Fu-sheng（Engineering Research Center of Dredging Technology of Ministry of Education ，National Engineering Research Center of Efficient Utilization of Water Resources and Engineering Safety,Hohai University ，Changzhou ，Jiangsu 213022，China ）Abstract ：Numerical simulation of 2-D water flow in and around a cutter based on the Reynolds averaged Navier-Stokes equations was conducted in this paper.The dynamic-static coupling simulation of the steady turbulent flow was calculated with the stand k-εmodel and M RF model ，the whole flow fields in different combinations of the cutter rotation speed and suction velocity were obtained.The simulation of the unsteady flow was conducted on the RNG k -εmodel.The steady flow fields simulated were used as the initial conditions of the unsteady simulation ，in which the moving mesh technique was employed and reasonable conclusion of the flow parameters change over time was acquired.The results are helpful to understand the flow fields in and around the cutter ，and also can give some suggestions on cutter design and dredger construction.Key words ：dredger ；cutter ；flow field ；numerical simulation收稿日期：2010-10-30修回日期：2010-11-23基金项目：水利部公益性项目（200801010）作者简介：方园（1986—），女，陕西人，硕士研究生，从事绞吸式挖泥船绞刀流场数值模拟方面的研究。

大型绞吸式挖泥船绞刀轴校中与振动计算分析研究的开题报告一、研究背景及意义大型绞吸式挖泥船是一种专业的水下工程船舶，通常用于深水区、浅水区和内陆河口等挖泥作业。

挖泥船的关键部件是绞刀，它通过良好的旋转和吸附作用将海底泥沙聚集起来，以清理海底障碍物、深挖淤泥和沉积在航道上的泥沙。

然而，由于挖泥船频繁的作业和长时间的使用，挖泥船的绞刀轴存在着一些问题，如绞刀轴的偏心度和振动等，会导致绞刀的不稳定运行，降低船舶的工作效率、增加能源消耗，同时也会对绞刀轴的使用寿命造成不良的影响。

因此，开展大型绞吸式挖泥船绞刀轴校中与振动的计算分析研究，对于提高挖泥船的作业效率、降低运营成本和扩大其服务范围都有着重要的实际意义。

二、研究内容及方法本研究主要针对大型绞吸式挖泥船绞刀轴存在的偏心度和振动问题展开深入的研究分析。

具体的研究内容包括：1. 绞刀轴的校中分析。

校中意味着绞刀的轴心与船舶的引导孔中心一致，可通过制定适当的方案，调整绞刀轴的位置，改善绞刀轴与引导孔之间的对中情况。

2. 绞刀轴振动的分析。

在航行过程中，由于各种因素所致，绞刀轴容易产生振动，对船舶的正常运行和绞刀轴的安全使用带来风险。

因此，通过振动计算和分析，确定绞刀轴的振动频率和振幅等参数，为后续的振动控制措施提供依据。

本研究采用理论分析和数值模拟相结合的方法，以大型绞吸式挖泥船绞刀轴为研究对象，通过建立数学模型和计算分析等手段，深入探究绞刀轴的校中和振动问题，并提出相应的技术控制措施。

三、预期成果及意义本研究旨在探究大型绞吸式挖泥船绞刀轴的校中和振动问题，通过数值模拟和理论分析的方法，实现挖泥船绞刀轴的优化设计和技术改进。

具体预期成果如下：1. 提供一种可行的绞刀轴校中方案。

通过校中分析和设计，确定合理的绞刀轴位置和方向，实现绞刀轴与引导孔的对中，保证船舶的正常运行。

2. 确定绞刀轴振动的特征参数。

通过振动分析和计算，确定绞刀轴的振动频率、振幅和共振状态等参数，为后续的振动控制提供依据。