新型特殊硬质土质挖掘绞刀研发与应用

实施单位:中交上海航道局有限公司

时间:2018-11-27 19:23:07

  一、项目概况
 
  中交上海航道局有限公司隶属于中国交通建设集团(中交股份有限公司),是国内规模最大的航道施工企业。具有港口与航道工程施工总承包一级、航道勘察设计甲级、测绘甲级等资质。公司多次荣获全国优秀施工企业和中交集团优秀企业称号,被评为“企业合同信用3A”和“企业信誉3A”单位。公司属于交通运输部“车、船、路、港”千家企业低碳交通运输专项行动参加企业,有责任抓好节能减排工作,为完成行业节能减排目标贡献力量。本项目实施主体为上航局东方疏浚工程分公司,专事各类港航疏浚、围堰吹填、陆域形成、管线铺设、拖带运输等业务,为中国500家最大经营规模建筑企业和全国交通系统25家最大经营规模建筑企业之一。
 
  目前,国内在大型疏浚工程方面,对于淤泥和沙质底床的疏浚,已经有比较成熟的工艺,但对于礁、岩类底质,尚缺乏系统的研究。公司旗下绞吸挖泥船在珊瑚礁和海底硬质岩石的施工中发现,绞刀齿座、刀齿及刀臂经常发生损坏或其他故障,造成了施工中需要不断停工修理,同时由于绞刀破岩挖掘性能不足,使得施工效率较低,万方能耗增加。因此,有必要针对该类底质研发、生产出新型特殊硬质土质挖掘绞刀和配套机具,从而提高施工效率,降低能耗水平。
 
  基于上述背景,2014年4月,“新型特殊硬质土质挖掘绞刀研发与应用”项目正式立项。公司联合相关部门,对挖泥船绞刀进行金属材料及切削受力分析,建立绞刀作用力计算模型,利用数值计算方法,分析研究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,确定绞刀的相关参数,投资448.8万元生产了新型特殊硬质土质挖掘绞刀和配套机具,并于2014年9月在“新海豚”轮完成实船改造测试。“新海豚”轮至2015年6月已投入运营9个月,改造前后在同一作业区施工,经核算节能减排效果明显。
 
  二、节能减排原理
 
  (一)项目实施内容
 
  本项目结合当前国内外理论和大量疏浚工程施工实践经验,对特殊硬质土质疏浚施工进行了系统的理论分析、研究和归纳,总结出详细的挖岩绞刀刀齿切削角度、刀臂几何形状及其采用的制造材料,为研发新型特殊硬质土质挖掘绞刀奠定了基础。项目实施内容主要包括以下几个方面:
 
  1、对绞吸船“新海豚”进行实船测试,掌握目前使用的绞刀真实性能。
 
  2、建立相应的数值计算模型,进行深入对比分析及研究,确定新型特殊硬质土质挖掘绞刀的研发内容和方法。
 
  3、确定绞刀的设计方案,绘制施工图纸,制作样机。
 
  4、在现有绞刀驱动系统功率不变的条件下,将原有绞刀更换为新型特殊硬质土质挖掘绞刀。
 
  5、对新型特殊硬质土质挖掘绞刀进行实船测试,得出相关工作性能曲线及能效曲线,通过前后性能对比,分析改造效果。
 
  6、总结实船改造的相关技术资料,形成较系统的更新改造思路和方法,以便推广应用到其它船舶。
 
  (二)采用技术方案
 
  1、通过绞吸船新海豚轮搭载的疏浚监控系统,取得船舶在施工过程中,与绞刀施工作业相关的一系列实船数据,主要有水深、转速、横移速度、切削厚度、步进距离、功率、瞬时产量。将采集到的数据与工况相对应整理归纳。
 
  2、将计算机模拟施工工况所得数据与实船采集数据对比,调整离散元数值模拟过程中的相关技术参数,使其更符合实际施工工况。
 
  3、经过实船对比分析调整后,再通过离散元分析软件PFC,建立特殊硬质土质挖掘绞刀PFC离散元数学模型和特殊硬质土质的土质本构模型(见图1)。土样颗粒采用粒度分析仪的方法,由土样的粒径配比绘制粒径级配累积曲线,而后根据土样的各参数建立土体的本构模型。
 
  
  图1绞刀PFC离散元数学模型
 
  4、使用计算机模拟的方式,模拟整个绞刀切削岩石的施工过程(见图2),并在模拟过程中,监测绞刀的功率以及产量,分析绞刀的刀齿形状走向、刀臂曲线对功率、产量的影响(见图3、4);同时,也能够测量模拟过程中绞刀各个部位的受力情况,优化绞刀的受力结构;进而通过调节优化绞刀的各项技术参数,来提高有效功率和产量,最终得到一套符合特殊硬质土质施工的绞刀技术方案。
 
  
  图2绞刀切削模拟图

  图3功率变化曲线

  图4绞刀切削量对比曲线
 5、根据数值模拟优化后的技术参数,针对新海豚轮绞刀系统的驱动功率,通过三维建模软件CREO,设计并建立挖岩绞刀的三维实体模型(见图5)。

  图5绞刀三维实体模型
  6、根据建立的挖岩绞刀三维实体模型,绘制详细的施工图纸并制造样机(见图6)。

  图6挖岩绞刀样机
 
  7、实船安装测试。
 
  (三)项目运行情况
 
  2014年4月“新型特殊硬质土质挖掘绞刀的研发与应用”正式立项,2014年9月完成对新海豚轮的改造并进行实船测试及验收,2014年10月份正式投入使用,运行效果良好。
 
  三、节能减排效果
 
  新海豚改造前后能耗和作业量数据取自同一施工作业区,但不同区域内施工工况仍可能存在显著差异,使得按照改造前后单船单位能耗量核算节能量结果偏大,因此为了保证节能量核算结果的准确性,进一步采用按照节能技术工艺“节能率”的方法核算节能量。
 
  根据“施工船舶节能技术应用项目节能减排量核算技术细则”:
 
  单船单位节能量=项目实施后单船单位能耗量×节能率/(1-节能率)
 
  本项目节能率参数取自2014年天然气营运车船、营运(施工船舶)节能技术改造主题性项目《绞吸挖泥船新型绞刀齿研制与应用节能减排项目审核报告》,该报告认定同类绞吸船绞刀工艺改造项目平均节能率为12%-22%,因该项节能技术主要是绞刀齿改造,而本项目节能技术包括绞刀和绞刀齿的改造,节能效果会更好,因此决定本项目节能率取值为20%。则有:
 
  单船单位节能量=16.77×20%/(1-20%)=4.19toe/万m³
 
  项目节能量=单船单位节能量×项目实施后单船月均作业量×12=4.19×276.7/9×12=1547.05toe。
 
  四、项目效益分析
 
  绞刀作为绞吸挖泥船施工的主要部件,其形状尺寸的合理性及耐磨性直接影响绞刀的切削性能,客观决定了船舶的施工效率。公司旗下绞吸挖泥船在珊瑚礁和海底硬质岩石施工中经常发生绞刀齿座、刀齿及刀臂的损坏及其他故障,不断需要停工修理,同时由于绞刀破岩挖掘性能不足,使得船舶施工效率较低,万方能耗增加。为此,公司于2014年4月正式对“新型特殊硬质土质挖掘绞刀研发与应用项目”进行立项,投资448.8万元,通过联合攻关,研制新型特殊硬质土质挖掘绞刀和配套机具,并于2014年9月在“新海豚”轮实施改造并投入使用。新型绞刀的应用大大提高了综合切削能力和使用寿命,减少了船舶修理的停歇频次和无谓油耗,提高了绞吸挖泥船的施工效率,节能减排效益及经济效益可观。
 
  五、项目推广应用条件
 
  新型特殊硬质土质挖掘绞刀的成功研制和使用,提高了绞刀的耐磨性和综合切削能力及使用寿命,有效减少了因修理绞刀齿座、刀臂等而造成的船舶停工增加的油耗,提升了绞吸挖泥船挖掘能力,施工效率得到提高,实现节能减排、降本增效的目的。该项目对推动节能减排工作、提高能源利用率有着实际意义。
上海市交通节能减排促进中心 上海市交通节能滅排示范及推荐项目汇编