主动耙头关键技术研究

主要完成单位：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司、中交上海航道局有限公司、中交上海航道 勘察设计研究院有限公司、中交上海航道装备工业有限公司、中交天津航道局有限公司、中交广州航道局有限公司

1、项目基本情况

耙吸挖泥船作为疏浚行业主力船舶，在各类航道疏浚、港口建设、吹填造地工程项目中发挥着重要作用。然而，位于漫长海岸线上的主要港口与进港航道的底质复杂多变，经常会遇到密实板结粉土、细砂和硬质黏土的情况，这些难挖的土质直接影响耙吸挖泥船的生产效率和施工进度。而耙头作为耙吸挖泥船主要疏浚设备之一，其性能的好坏直接影响到耙吸挖泥船生产效率，国内外高校、设计公司以及挖泥船制造商不断对此进行研制和开发。由于技术保密和封锁，我们只能了解国外耙头先进技术的概况，并不能获得核心的设计参数和设计方法，使得目前我国大型耙吸挖泥船耙头的设计与建造水平与国外存在一定的差距，在耙头设计与制造过程中仍然处于“知其然，而不知其所以然”的状态。因此，有必要大力开展大型耙吸挖泥船高效耙头的研制和开发，来提高我国疏浚水平与核心竞争力。

基于以上背景和现状，该项研究采用理论分析、数值模拟计算以及物理模型试验等方法，进行主动耙头关键技术研究，优化耙头结构形式，确定相关设计参数，构建新型高效主动耙头设计方法，形成系统性的设计文件，基于相关研究成果编制国家标准。

2、技术难点和特点

该项研究旨在有效解决耙头挖掘复杂土质效率低、能耗高、易磨损的难题。由于存在土质变化以及流体和土体相互耦合作用等诸多复杂关系的叠加，使得相关的理论分析、机理模型的建立和试验研究存在诸多难点。整个项目的研发和应用需要多学科技术的融合和多专业协作，对跨公司、跨部门协调合作也有较高的要求。

3、主要成果和创新点

（1）发明了模拟耙吸船耙齿作业并进行参数分析和测力的装置，利用研制的模拟耙吸船耙齿切削试验平台，系统研究了切削参数与切削阻力的关系，建立了切削参数与切削阻力的关系式，为新型耙齿的研制以及耙头系统的设计提供技术支撑。

（2）通过数值模拟结合物理模型试验，掌握了耙齿切削密实细砂过程中孔隙水压力发生发展以及沿耙齿齿面规律，建立了孔隙水压力与切削阻力的相关关系，首次全面系统地揭示了耙齿切削密实细砂剪胀机理。基于耙齿切削土体机理研究以及刀齿与土体粘附力测定方法相关成果，研制出适用于不同土质的各类耙齿。

（3）基于 CFD 数值模拟方法，首次建立了主动耙头三维全流场模型，掌握了耙头内部压力场与速度场分布规律，根据速度矢量和迹线图，确定出耙头内部低流速涡流区域，对耙头内部结构进行了优化， 最大程度减少了耙头内部涡流。

（4）研发与优化了主动耙头的主要部件和控制系统，集成并构建了具有自主知识产权的新型高效主动耙头设计方法，形成了系统性的设计文件，编制了国家标准《主动耙头技术要求》。

4、成果应用

该项研究成果已成功应用于国内多家疏浚企业耙吸挖泥船耙头的设计制作与升级改造。中港疏浚有限公司的众多万方级以上安装并升级改造了主动耙头的耙吸挖泥船，如“新海马”轮、“新海虎 4”轮、“新海虎8”轮、“新海牛”轮、“航浚 4019”轮等，参与了长江黄金水道深水航道整治维护工程、黄骅港航道建设和维护工程、洋山深水港区航道维护疏浚项目、滨州港海港港区 3 万吨级航道工程以及斯里兰卡科伦坡港口城建设工程等国内外众多大型港口与航道建设。中交广航疏浚有限公司与中交（天津）疏浚工程有限公司利用“万顷沙”轮、“浚海 1”轮、“浚洋 1”轮、“通程”轮、“通途”轮以及“通远”轮等装有主动耙头的大型耙吸挖泥船，参与了包括广州港深水航道拓宽工程、湛江港 30 万吨级航道改扩建工程、连云港 30 万吨级航道工程、京唐港 25 万吨级航道疏浚工程、坦桑尼亚达港疏浚工程等国内外众多疏浚工程建设。其中，最具代表性的当属“浚洋 1”轮与“通程” 轮等多艘大型耙吸挖泥船共同参建的粤港澳大湾区实现互联互通、广州市建设国际航运枢纽的“头号工程”——广州港深水航道拓宽工程，日均疏浚工程量超 10万立方米。

5、经济和社会效益

目前国内外所使用的疏浚耙头基本上都是主动耙头。在我国，从事疏浚施工的中交疏浚集团所属航道局以及长江航道局等企业，每年改造或新造的主动耙头达到几十个，尤其是近几年随着疏浚行业经济的复苏，新型高效主动耙头的设计制作量更是稳步增加。以中交上海航道装备工业有限公司为例，每年改造或者新制作的新型主动耙头就有将近 20 个，耙头设计加工的产值超过千万元。工程应用结果表明，安装了新型高效主动耙头的耙吸挖泥船，平均施工效率提升了 10%以上，平均能耗降低了 5%以上，2018 年-2022 年期间， 产生的经济效益总额超过 10 亿元。

该项研究成果有力推动和提升了我国在耙齿切削机理研究以及主动耙头优化设计方面的技术积累和研发水平，为我国耙吸挖泥船耙头性能发挥和智能化控制奠定了基础，对提高我国疏浚创新能力和核心竞争力，适应“一带一路”及国际化战略要求，支持疏浚行业全球化经营，以及实现经济的高质量发展具有十分重要的意义。