典型疏浚土耙齿切削机理研究与应用

主要完成单位：中交天津航道局有限公司、中交(天津)生态环保设计研究院有限公司、

         中交(天津) 疏浚 工程有限公司、天津市疏浚工程技术企业重点实验室

1、项目基本情况

针对疏浚工程中遇到的含水量低、坚硬难挖的硬质土，生产效率较低的问题，该项目采用理论分析、室内实验、数值模拟及现场试验相结合的方法，对疏浚工程中遇到的挖掘难度较大的土质，硬质黏土、密实粉土的切削机理进行了研究；开展了硬质黏土单耙齿低高速切削、多耙齿高速切削，密实粉土单耙齿及多耙齿高速切削、高压冲水破土、耙齿入土压力等实验研究；建立了硬质黏土、密实粉土切削阻力计算模型；应用提出的切削力计算模型优化了硬质粘土、密实粉土耙头设计及施工工艺。形成了典型疏浚土耙齿切削实验、力学模型和数值仿真系列研究方法，并应用于挖泥机具的设计及疏浚施工工艺的优化中。

2、技术难点和特点

该项目针对硬质黏土、密实粉土典型疏浚土的挖掘机理，进行了不同切削工况的室内实验，包括不同切削角度、深度、速度以及单耙齿、多耙齿、入土压力及高压冲水实验。与国内外现有研究对比，该项目进行的切削实验覆盖工况广，研究更加深入，取得了系列化研究成果。

该项目采用理论分析及实验方法，建立了耙齿切削硬质黏土、密实粉土切削阻力计算模型，并用于优化挖泥机具设计及施工工艺。与国内外现有的土体切削阻力计算模型比较，该项目建立的切削阻力计算模型，考虑了高速切削、水下切削及多耙齿切削等因素的影响，更加符合疏浚工程特点，对耙齿阻力的计算更加精确。

3、主要成果和创新点

（1） 开展了硬质黏土单耙齿低高速切削、多耙齿高速切削，密实粉土单耙齿及多耙齿高速切削、高压冲水破土、耙齿入土压力等实验研究，提出了硬质黏土、密实粉土切削深度、切削角度、切削速度及多耙齿切削等因素对耙齿切削力的影响规律，揭示了耙齿切削典型硬质疏浚土的机理。

（2）建立了硬质黏土二维、三维耙齿切削阻力计算模型和三维有限元数值仿真模型；首次引入了切削速度系数及多耙齿切削影响系数，提高了模型的计算精度。

（3）基于陆地机械土体切削力计算模型，首次引入了水、切削速度、切削角度及多齿切削等影响因素，建立了适合于疏浚工程特点的密实粉土耙齿切削阻力计算模型。

（4）提出了切削力计算模型和实验成果，优化了硬质粘土、密实粉土耙头设计及施工工艺，增强了耙齿入土能力，降低了耙头挖掘阻力。

4、成果应用

该项研究成果已成功应用于唐山港京唐港区25万吨级航道工程和盘锦港荣兴港区10万吨级航道工程，解决了大型耙吸船通途轮及通远轮施工过程中遇到了硬质粘土、密实粉土挖掘受限的难题；优化设计了适用于硬质黏土、密实粉土新型耙头，提升了入土能力，使得同等船舶拖曳力条件下耙吸船的挖掘生产率分别提高了13%和20%。

5、经济和社会效益

该项研究成果已成功应用于唐山港京唐港区25万吨级航道工程和盘锦港荣兴港区10万吨级航道工程，为我国港口航道建设做出了重要贡献，为企业创造利润2265万元，经济和社会效益显著，推广应用前景广阔。