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蛤壳挖泥船在水饱和砂中的闭合过程

S.A. Miedema

S. Becker BSc

P.S. de Jong

S. Wittekoek

摘要

文献中没有显示关于在水下切割砂或粘土时蛤壳式挖泥铲斗的关闭过程的预测。 一般所进行的研究，主要涉及在干散装材料中使用蛤壳式抓斗。虽然通过测量闭合曲线可以很好地预测所涉及的力（在干材料中），但是通常对蛤壳式抓斗的闭合曲线的预测似乎是有问题的。

因为疏浚业务涉及水饱和的沙子或粘土疏浚，蛤壳式抓斗的关闭过程的研究必须从头开始（蛤壳式运动学除外）。 1989年，由Great Lakes Dredge＆Dock Company开展的研究导致了一种计算水饱和砂和粘土中蛤壳抓斗的闭合过程的数值方法，其模拟了蛤壳的闭合，从而可以预测生产和力量。计算方法是基于桶的运动的非线性方程和在WODCON XII提出的砂切理论Miedema。粘土切割理论在数值模型中实现，但在本文中不考虑。

1991年，大湖和代尔夫特理工大学进行了实验室研究，其中使用了比例模型蛤壳。这项研究在干燥和水饱和砂中进行，验证了部分关于蛤壳式抓斗的闭合曲线，角速度和拉力的计算方法的和验证。

本文包含文献调查的结果，蛤壳式抓斗的运动方程，砂切割理论的背景，计算机程序CLAMSHELL的结果，并且它将给出关于验证的研究的一些结果， 验证计算机程序等。

介绍

研究人员已经对切割机抽吸疏浚物和料斗疏浚物进行了许多研究，通过研究结果，疏浚承包商能够预测其疏浚的产量，这点是很重要的。从文献中可以清楚地看出，虽然许多研究人员已经研究了蛤壳抓斗的关闭过程，但没有人成功地预测了它们的关闭过程。

由于在美国的疏浚工业中使用了许多蛤壳式抓斗，重要的是要对不同类型土壤中蛤壳的生产有良好的预测。这就是大湖区与dr.ir. S.A. Miedema合作开始对蛤壳式抓斗挖掘过程进行根本性研究的原因。1989年，研究出了计算机程序CLAMSHELL [9]，它模拟了蛤壳抓斗在水饱和砂和粘土中的挖掘过程。虽然该方案的结果是有希望的，但需要通过测量来验证和确认方案。模型研究在1991年代尔夫特理工大学土壤运动实验室进行，Wittekoek [21]。测量的结果与计算机程序非常好地相关。因此该程序被大湖用于生产估计，以及用于设计新的蛤壳式抓斗。

图1显示了用于疏浚的最大的蛤壳式抓斗，芝加哥，由大湖挖泥船坞公司拥有。

图1：用于疏浚的最大的蛤壳式抓斗，芝加哥，全面操作蛤壳研究史

图2显示了芝加哥的50立方码蛤壳。图3显示了针对人体尺寸的蛤壳。

图2：50立方码蛤壳式桶

图3显示了针对人体尺寸的蛤壳。

图3：蛤壳式桶与人体尺寸

报告的第一个关键点是由达芬奇（1452-1519）在15世纪设计的。尽管基本的工作原理保持不变，但由于试验和错误，抓取设计已大大改善，尽管研究产生了一些影响。以下是审查本世纪进行的研究的一些结果。

Pfahl 1912 [14]研究了抓斗的自重对1msup3;到2.25msup3;抓斗的有效载荷的影响。 他得出有效载荷与自重有线性关系的结论。

Ninnelt 1927 [12]进行了类似于Pfahl的研究[14]并证实了Pfahl的结论。

Niemann 1935 [13]用模型蛤壳实验。他研究调查了自重，铲斗的形状，土壤力学性能，有效载荷和绳索力。特别注意了抓斗的宽度，得出有效载荷与抓斗的宽度成比例的结论。研究成果还肯定了Pfahl [14]和Ninnelt [12]的工作。

Tauber 1959 [17]对原型和模型抓取进行了研究。 与Niemann[13]相反，他发现，扩大抓斗并不总是能增加有效载荷。他发现抓斗宽度和抓取跨度之间的最佳比率发现在0.6和0.75之间。

Torke 1962 [18]研究了三种不同的39.5 kg模型抓斗在沙子中的蛤壳关闭循环。他首先通过实验确定水桶的关闭路径，之后他重建了填充过程和绳索力。他的结果是有希望的，即使他没有成功预测收盘曲线。Torke [18]得出的一个重要结论是，有效载荷与铲斗边缘的切割角度成反比。因此在封闭的情况下，切割角应尽可能接近水平。

Wilkinson 1963 [19]对不同类型的抓斗进行了研究，并得出结论，宽跨度抓斗比蛤壳抓斗更有效。他还得出结论，没有关于攫取的示范标准存在，现有的攫取是按照可能的最佳方式成比例。最好的抓斗是在土壤上施加尽可能高的扭矩的抓斗，特别是在关闭循环结束时。

Hupe和Schuszter 1965 [6]研究了土体的机械性能如内摩擦角的影响。 他们得出结论，用于处理像煤这样的粗糙材料的抓斗应该更大和更重。

Dietrich 1969 [3]测试了一个0.6msup3;的抓斗，并测量了有效载荷的不同的载重量，抓斗面积，切割角度和颗粒大小。他的结论是，在硬质材料中，80％的闭合力用于穿透土壤，而在软质材料中，仅用30％的闭合力。 宽度/跨度比应该在0.6和0.7之间，匹配Tauber的[17]结论，而切割角应该约为11至12度接近水平，在封闭的情况匹配托尔克的结论。

Gebhardt 1972 [4]得出了粒径为30至50 mm的材料中的穿透力的经验公式。 晶粒尺寸和分布是方程中的参数，但是不存在诸如内摩擦角的土壤的机械性质。 他还得出结论，均匀的颗粒分布导致相对低的穿透力。牙齿仅用于粗糙材料，但是它们对于细小材料对于穿透力具有负面影响。

Scheffler 1973 [15]提出了一些东欧国家的抓斗尺寸和设计趋势的清单。他的结论是，大多数抓斗不能充分发挥其潜力，而且80％的闭合力用于粗糙材料的渗透，证实了Dietrich的工作[3]。

Scheffler，Pajer和Kurth 1976 [16]给出了几种类型抓斗的机械方面的概述。土壤/抓斗的相互作用也太简单或缺乏。 他们得出结论，经过五十年的研究，对抓取的理解仍然有限。他们提到Wilkinson [19]得出了关于抓取模型测试的最佳结论，但遗憾的是原型结果不可用。

Bauerslag 1979 [1]研究了用电动机抓住55mm矿石的过程。与Torke [18]一样，他首先测量了闭合曲线（挖掘路径），然后重建了闭合过程。

从文献调查可以得出结论，已经进行了大量研究以便找到蛤壳相对于有效载荷的最佳几何形状。然而，散装材料的性质的影响被低估了，而关于在水下使用蛤壳的研究尚未进行。几个研究人员设法重建蛤壳的填充过程，一旦知道闭合曲线，但是没有一个能够预测闭合曲线。其中一个主要问题是抓斗是由机械工程师设计的，而抓斗采集的散装材料通常根据土木力学的规则，属于土木工程师的领域。

这就存在领域交流问题。为了能够模拟并因此预测蛤壳的闭合过程，需要研究蛤壳式操作，运动学，动力学（运动方程）和所采用的材料的土壤机械行为。这将导致更好地理解所涉及的过程。

蛤壳的操作和运动学

蛤壳式抓斗用于疏浚工业，由六个主体组成，可以区分如图所示

图4：蛤壳式桶的命名

图4.这六个构件是上滑轮组，下滑轮组，两个臂和两个桶。在两个滑轮组之间，闭合线（绳索）用一定数量的线部分穿过。提升（和降低）线安装在上部滑轮组的顶部。在难以挖掘的土壤中的抓取过程的循环包括首先将蛤壳完全打开并将其放置在待挖掘的土壤上。当蛤壳搁置在土壤上时，提升钢丝保持松弛，因此蛤壳将通过其自身重量垂直地渗透到土壤中，这称为初始穿透。滑轮组之间的距离在初始穿透期间处于最大值。其次，闭合线被牵引，导致两个滑轮组被朝向彼此拉动，并且因此导致轮叶的闭合。在该第二阶段期间，提升钢丝保持松弛，因此允许铲斗渗透到土壤中。在软土中，可能需要保持提升钢丝绳紧密，否则蛤壳可能会渗入土壤太深，导致大量溢出。

在本文中，只有难以挖砂才会考虑。 在第二阶段结束时，蛤壳关闭并且将用提升（和闭合）线提升。

图5示出了蛤壳的闭合周期的阶段。 蛤壳采取的土壤量取决于蛤壳的运动学和重量分布以及待挖掘土壤的机械性质。

图5：关闭过程的三个阶段

蛤壳运动的方程

为了计算蛤壳的闭合曲线，必须求解蛤壳的运动部分的运动方程。考虑的蛤壳的类型有六个主体，需要动议。主体分别是上部滑轮组，下部滑轮组，两个臂和两个轮叶。由于臂具有小的旋转振幅并且与上部滑轮组垂直平移，因此它们被认为是上部滑轮组的一部分。这种简化造成的误差是可以忽略的。

如果蛤壳被认为相对于其垂直轴是对称的，则只需要解决蛤壳的一半的运动方程。另一半受到完全相同的运动，但相对于垂直轴镜像。由于剩下三个主体，必须导出三个运动方程。在这些方程中，重量被认为是浸没重量，并且质量被认为是钢质量和水力机械增加质量的总和。在运动方程中使用的权重和质量对于蛤壳的一半也是有效的。运动，力和力矩的正方向如图所示。可以看出，方程（1），（2）和（3）形成了三个耦合的非线性运动方程的系统。因为在实践中，蛤壳的运动仅取决于绳索速度和挖掘的土壤的类型，所以三个运动方程必须形成依赖系统，只有一个自由度。这意味着必须在上部滑轮组，下部滑轮组和铲斗的运动之间找到关系。

第一关系可以通过将绳索力表示为作用在蛤壳上的所有垂直力的总和来找到，给出：

由于在由此导出的等式中存在四个自由度：

其中一个必须被选为独立自由度，而其他三个必须被表示为独立自由度的函数。 对于独立的自由度，选择phi;作为铲斗的关闭角度。

图6

对于上部滑轮组，可以从力的平衡得到以下等式：

下部滑轮组的运动应满足如下的力的平衡方程：

对于铲斗的旋转，围绕铲斗轴承的以下力矩平衡方程式是有效的：

如可以看到的，方程式（1），（2）及（3）形成运动三个连接的非线性方程系统。因为实际上翻盖的运动上的绳索速度和土壤挖出的类型仅依赖，运动的三个方程必须形成一个相关的系统，只有一个自由度。这意味着必须在上部滑轮组，下部滑轮组和铲斗的运动之间找到关系。

第一个关系可以通过表达绳索力都作用于翻盖，这给垂直力的总和找到：

由于在由此导出的等式中存在四个自由度：

其中一个必须被选为独立自由度，而其他三个必须被表示为独立自由度的函数。对于独立的自由度，选择phi;作为铲斗的关闭角度。

图6：涉及的参数

（在蛤壳模型中区分的力和时刻）

为了表示作为铲斗旋转的函数的上部和下部滑轮组的运动，应用以下方法：臂与垂直角alpha;的夹角可以通过以下公式表示为铲斗的关闭角度：

上部和下部滑轮组之间的距离现在可以通过以下方式确定：

可以看出，方程（6）和（7）中的唯一未知变量是关闭角phi;。所有其他变量是常数，仅取决于蛤壳的几何形状。A函数可以知道eta;（phi;），其是滑轮组之间的距离的导数相对于叶片的关闭角度。

如果在小的时间间隔Delta;t期间闭合绳索l的长度和闭合角度phi;经受小的变化Delta;l和Delta;phi;，则上滑车组件Delta;竖直位置的变化可以用下式计算：

下部滑轮组的垂直位置的变化Delta;yl可以表示为：

在等式（9）和（10）中，i是线的部分的数量。

将等式（9）和（10）除以时间增量Delta;t给出了用于上部和下部滑轮组的速度的等式。对于上部滑轮组方程（11）是有效的。

下部滑轮组的速度可以通过以下公式计算：

上部和下部滑轮组的垂直加速度可以通过等式（11）和（12）相对于时间的导数来计算，这给出了上部滑轮组：

和下部滑轮组：

铲斗重心处的垂直加速度可以表示为下部滑车组的垂直加速度和铲斗的角加速度的函数：

三个垂直加速度现在可以表示为旋转铲斗加速度的函数。如果给出边界条件，可以通过积分加速度来导出速度和运动。如果绳索力Fr和上部滑轮组的垂直加速度是已知的，则蛤壳式臂中的力可以从等式（1）计算。

垂直切割力Fcv，侧边缘上的垂直力Fev和侧边缘Me上的扭矩将在下一段中讨论。

由于运动方程是非线性的，因此方程必须用数值求解。这个问题的解决方案是一个时域解，在这种情况下使用牛顿Rapson迭代法和teta积分法来防止数值振荡。

由沙桶施加的力

蛤壳的桶承受由沙子在桶上施加的力和所产生的力矩。力和力矩可以由于铲斗的切削刃上的切削力以及作为力的力矩而分为力和力矩。这是土壤压力和铲斗侧边缘上的摩擦的结果。如可以看到的，方程式（1），（2）及（3）形成运动三个连接的非线性方程系统。因为实际上翻盖的运动上的绳索速度和土壤挖出的类型仅依赖，运动的三个方程必须形成一个相关的系统，只有一个自由度。 这意味着必须在上部滑轮组，下部滑轮组和铲斗的运动之间找到关系。

第一个关系可以通过表达绳索力都作用于翻盖，这给垂直力的总和找到：

由于在由此导出的等式中存在四个自由度：

其中一个必须被选为独立自由度，而其他三个必须被表示为独立自由度的函数。 对于独立的自由度，选择phi;作为铲斗的关闭角度。

图6显示了在蛤壳模型中

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