1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究背景

我国拥有辽阔的海域和众多的江河湖泊，航道疏浚、环保疏浚和水利疏浚有着很大的市场。随着我国经济的持续稳定增长，航运业高速发展带动了港口基建与航道疏浚等工程的迅速发展，使得国内疏浚机械设备的需求也趋于旺盛，挖泥船作为主要的疏浚设备具有广阔的市场。

挖泥船的种类很多，按照挖泥船工作机构的区别，主要可以分为绞吸式挖泥船、抓斗式挖泥船、链斗式挖泥船、耙吸式挖泥船与铲斗式挖泥船五种。其中，绞吸式挖泥船是一种装备了绞刀头切削装置的挖泥船，可以用来挖掘几乎所有类型的土壤；工作时能一次性连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作过程，是一种效率高、机动性强、成本较低的挖泥船，也是目前应用最广泛的一种挖泥船舶，如图1-1所示。除了和普通船舶一样，由钢结构船体和匹配的动力设备构成之外，根据绞吸式挖泥船的实际工作需求，它还配有其它疏浚设备，主要包括定位、挖泥、排泥和辅助装置四部分，如图1-2所示。疏浚设备是绞吸式挖泥船的核心，而绞刀机构是挖泥船最主要的工作机构，它由绞刀以及连接固定绞刀的绞刀桥架、耳轴等构成。绞刀的功能是切割绞碎水底的土层泥沙，以便抽泥泵把绞碎松动的泥沙吸起；绞刀桥架一端绞接在甲板的耳轴上，另一端联接着绞刀，通过绕耳轴转动控制着绞刀的起升、下放。

绞吸船经过多年稳定的发展，其技术含量和装备性能已大大提高，但随着疏浚工程应用领域的扩展，绞吸式挖泥船的施工水域环境变得日益复杂，施工工况不局限于常规疏浚，常常会遇到特殊工况条件，其施工要求也逐步提升，不仅要达到较高施工效率，更需要满足精细化的环保疏浚作业要求。而绞刀作为绞吸式挖泥船的核心疏浚设备，在特殊工况的使用过程中往往碰到如下问题：

（1）在复杂的水域环境，尤其是水底地形变化较大，疏浚作业面高低不平时，很难做到一遍完整清淤，绞刀往往需要往复清扫多次，容易产生漏挖现象且增加了能耗；

（2）在挖掘过程中，由于绞刀过流能力的限制，绞刀搅动的淤泥可能未被完全吸入而四处飞溅，导致残留层的产生，疏浚物中气体逸散造成二次污染；

（3）在土质条件发生变化时，绞刀的适应性不够，缺乏有效的测控系统对土质的变化作出实时的响应，因此施工效率受到影响，且能耗较大。

综上，目前绞吸式挖泥船上的绞刀系统，已经很难适应日益复杂的疏浚工况，尤其是在环保疏浚的施工中，既要做到精确施工，又需要防止二次污染，因此迫切需要研发一种适用于特殊工况的环保疏浚挖泥装置。

1.2国内外研究现状

绞吸式挖泥船源于美国并获得极其广泛的应用，19世纪末20世纪初绞吸式挖泥船迅速发展，早在1884年，世界上出现第一艘配备圆柱形绞刀头的绞吸挖泥船，随后1896年芝加哥美洲疏浚公司建造的“Beta”号绞吸式挖泥船，吃水深度1.95m，有2个独立泥泵，吸管直径850mm，是当时最大的挖泥船。该船配备皇冠型绞刀，这是绞吸式挖泥船绞刀造型的雏形，也为现代绞吸式挖泥船绞刀造型提供重要的参考价值。1929年，Pieter.V.W设计出开式绞刀，该绞刀安装三个刀臂，刀臂上安装片状的切削元件，被称为是当时最先进的绞刀。1943年，荷兰IHC公司设计第一艘“海狸”绞吸挖泥船并相应的改进了绞刀^[1]，这一举措更新了绞刀的设计理念。20世纪70年代，美国Esco公司和荷兰LMG公司设计第一代绞刀，虽然在当时疏浚业发挥重要作用，但随着对施工效率要求的不断提高和技术的进步，绞刀磨损严重、配件易损坏等故障开始暴露出来，80年代对第一代绞刀造型进行改进，推出第二代绞刀较好地解决了上述问题，能够满足各种不同的生产需求。1977年，荷兰的Breebst.B.V提出一种底盘式绞刀造型理念，该理念改进了传统绞刀的结构，减少了对水域的污染程度，并在同年诞生了第一艘自航绞吸式挖泥船。1986年比利时杨德鲁公司研制成功了“LeonardodaVinei”号自航绞吸挖泥船，总装机容量20250kW，计算机控制的自动化系统可使挖泥船操控达到最佳状态；十年后，挖泥船制造业巨人荷兰IHC公司建造的“Mashhour”号，总功率达到22795kW；2003年7月，IHC公司建造的自航绞吸式挖泥船“J.F.J.de.Nul”号总装机容量为27190kW，绞刀功率达到6000kW，水下泵为3800kW，总长124.4m，宽27.8m吃水6.5m，最大挖深35m，吸泥管直径1000mm。

进入21世纪，随着人类环境保护意识的提高，环保理念的深入，保护生态环境平衡，走可持续发展的理念越来越被国内外所重视，环保型绞刀也越来越受到关注。世界上第一台环保型绞刀是意大利Pneuma公司设计，并于1969年投入使用，它的实质是对传统挖泥船绞刀进行改造，利用空压机对泥浆吸排达到减少泥浆扩散的目的。日本也于70年代通过改造气力泵挖泥船成功研制环保型绞刀^[2]。荷兰的HAM公司在第一代环保型绞刀的基础上，改进设计思路，于21世纪初成功设计出新一代环保型绞刀，提高了疏浚效率的同时还保证了一定的泥浆浓度。

我国对绞吸挖泥船的研究主要开始于二十世纪初。2004年以前，国内仅有几艘2000m³/h以上的绞吸挖泥船，且基本依赖进口。2005年和2006年，我国自主设计建造了第一艘2500m³/h绞吸挖泥船——中交上航局“航绞2001”轮。这标志着我国自主设计建造绞吸船的能力大步提升，由原先的小型船进入了大型船阶段。2010年，随着亚洲第一、世界第三的4500m³/h自航绞吸挖泥船“天鲸号”的下水交付，我国跨入了总装机功率20000kW以上超大型先进绞吸船设计建造的新阶段。但在绞刀设计方面，我国初期设计的绞刀大多参照国外类似产品，设计理念相比之下比较落后，产品也存在很多缺陷，例如绞刀结构单一难以适用于多种土质，施工过程中极易出现刀齿磨损、断裂、被杂质缠绕，吸泥嘴堵塞等不良状况^[3]。但随着时间的发展，国内研究机构和相关企业逐步在绞刀设计方面取得一定成绩。倪福生等人利用Pro/E软件初步对绞刀进行三维建模，这是我国绞刀三维模型的初步尝试^[4]。朱文亮建立绞刀刀臂的轮廓线方程，利用Pro/E设计出金龟子头部截面形状的绞刀。潘英杰等为计算绞吸式挖泥船绞刀头在不同工作状态下所受到的载荷作用，引入Miedema博士的二维切削理论^[5]，根据不同的土质特征以及绞刀的不同几何形状和工作状态，对绞刀头所受到的载荷进行分析和研究。李洪彬、徐立群等人改变传统绞刀造型理念，在VB语言环境下对SolidWorks软件进行二次程序开发，从而实现绞刀参数化建模，达到改变绞刀参数自动生成相应形状绞刀的目的。田杨、唐亚鸣等人从工程仿生学的角度出发，对绞刀刀齿部分进行改造。在环保绞刀设计方面，我国也取得了一定的成绩，张建专根据国内外环保绞刀研究现状，设计出一种新型螺旋式环保绞刀。刘恒序总结国内外环保型清淤绞刀研究现状结合实际工程需要，设计出一种螺旋状刀片绞刀，此绞刀添加锥形保护罩，适用于500m³/h小型绞吸挖泥船^[6-8]。综上，目前国内的绞刀设计大多数处在经验设计及仿制阶段，产品适应性差，与国外还有比较大的差距。

随着挖泥船施工领域的不断扩大，国内外对挖泥船作业效率和绞刀的切削性能提出了更高要求，这些要求更是推动了绞刀本身结构的改进。近年来，研究者们在原有绞刀的基础上，针对特定的工作环境研发出了许多新型绞刀，可分为派生型绞刀、环保绞刀和新型绞刀三大类。其中，派生型绞刀可分为：

（1）可逆式绞刀：能随横移方向的改变而自动改变切割方向并始终保持自下而上的方向切削。

（2）冲水式绞刀：冲水式绞刀不但可提高挖泥船的生产效率，降低电能耗30.7%，而且可提高泥浆浓度，消除绞刀内腔堵塞，可使挖泥船在平均泥浆浓度为32%的条件下工作，这是挖细砂和硬泥的有效方法。

（3）横轴斗轮式绞刀：为了避免自上而下的切土方法，能始终自下而上切土，挖泥均匀，对某些土质的生产效率比普通绞刀要高，更适用于浅水作业和挖掘水下矿藏。

新型绞刀主要是指一种双绞刀挖泥船，如图1-3所示，该船的两个绞刀放置在同一水平面，在不同的水平摆动方向时始终保持较好的切削方向，工作效率显著提升。但是两个绞刀切削同一平面的土壤，不能适应复杂的地形条件，尤其当河道底部的淤泥较硬时，双绞刀架易搁置在河床上，导致绞刀不能深入清淤。

为了深入分析各设计的优劣，现将市面已有的双绞刀与应用广泛的单绞刀和其他类型的环保绞刀进行对比分析，如表1-1所示：

表1-1 目前已有绞刀优缺点对比分析

从以上对比可知，目前的三类绞刀在一定的施工条件和工况各有优势，但仍存在一定的缺陷，很难解决特殊疏浚工程，尤其是在恶劣疏浚条件下的环保疏浚施工所所面临的一些困难。

通过对比三类绞刀的优缺点，可以发现单绞刀绞吸式挖泥船在面对复杂地形时，需要进行多次往返切削，每一次的往返切削都需调整绞刀下放的深度，这样就降低了时间利用率，同时还会对环境造成二次污染。现有双绞刀绞吸船相比单绞刀绞吸船提高了清淤速度，但两绞刀间位置相对固定，装置不灵活，在工作过程中绞刀易搁置在河床上，导致无法深度清淤。难以适应复杂的水域环境。因此亟需设计一种新型挖泥装置，在提升清淤速度的同时可以适应复杂的地形，来满足实际工况中的需求。

2. 研究的基本内容与方案

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

针对上文提出的问题，设计了一种新型的绞吸式挖泥船挖泥装置，该装置可以通过以下手段有效解决复杂水域环境中遇到的问题：

（1）设计一种双绞刀挖掘装置，并对该装置的机械传动部分进行设计论证，两个绞刀头角度、距离和转速均可灵活调整，可弥补单绞刀在特殊工况的缺陷，适应复杂的水域环境。

3. 研究计划与安排

3．进度安排

2018年02月27日--03月06日:调研. 拟定提纲. 完成《开题报告》。

2018年03月07日--03月15日:阅读参考文献，熟悉绞吸式挖泥船工作原理。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]高伟,韦东.绞吸船施工要点及措施[j].中国港湾建设,2011,(01):66-69.

[2]武剑博,黄引平. 环保疏浚的技术要求与环保绞刀的设计[j]. 环境污染治理技术与设备,2006,(07):138-140.

[3]唐建中,王庆丰,闭治跃.疏浚作业过程模型及作业优化方法[j].浙江大学学报（工学版）.2008(05):23-27.