摘 要

随着国家对航运业的大力推进与发展，疏浚行业也随之得到了迅猛的发展。而绞吸式挖泥船作为疏浚工程最主要的疏浚设备，近年来得到了大力推广。本文以实际的绞吸式挖泥船为研究对象，根据绞吸式挖泥船的工作原理，再结合其各个系统的特性及匹配计算分析，建立了疏浚模拟系统。为实际施工过程及施工人员的培训提供了理论依据。本文主要完成以下工作：

⑴ 熟悉了绞吸式挖泥船的工作原理以及其各个系统的组成及作用。

⑵ 对绞吸式挖泥船的绞刀、泥泵和管线系统分别进行了特性分析，并对三者之间的匹配进行了研究。

⑶ 根据实验室已知的条件，再结合前面的研究分析，对疏浚模拟系统的绞刀、泥泵和管线三者分别进行了设计及选型。

⑷ 对疏浚模拟系统的相关检测仪表进行了选型，并建立了模拟监控系统，再结合实际施工流程，建立了模拟监控系统的操作流程及规则。

关键词：绞吸式挖泥船；疏浚模拟；选型设计；实验平台

Abstract

With the development of shipping industry, the dredging industry has developed rapidly. As the main dredging equipment, the cutter suction dredger has been widely promoted in recent years. In this paper, based on the practical cutter suction dredger as the research object, according to the working principle of the cutter suction dredger, and combined with the characteristics of each system and matching calculation analysis, a dredging simulation system is established. It provides a theoretical basis for the actual construction process and the training of construction personnel. This paper mainly completes the following work:

(1) Familiar with the working principle of cutter suction dredger and the composition and function of each system.

(2) The characteristics of reamer, dredger and pipeline system of the cutter suction dredger are analyzed respectively, and the matching among them is studied.

(3) According to the known conditions of the laboratory and combined with the previous research and analysis, the reamer, dredge pump and pipeline of the dredging simulation system are designed and selected respectively.

(4) Based on the model selection of the relevant measuring instruments of the dredging simulation system, the simulation monitoring system is established. Combined with the actual construction process, the operation process and rules of the simulation monitoring system are established.

Key words: Cutter suction dredger; Dredging simulation; Selection of the design; The experiment platform

目录

1 绪论 1

1.1 课题研究的背景与目的 1

1.1.1 课题研究背景 1

1.1.2 目的及意义 2

1.2 绞吸船的结构特点及国内外研究 2

1.2.1 绞吸船的结构特点 2

1.2.2 国内外研究现状 2

1.3 研究路线 4

1.4 本章小结 4

2 绞吸式挖泥船的构成及工作原理 5

2.1 绞吸式挖泥船的构成 5

2.1.1 定位系统 5

2.1.2 绞刀切削系统 6

2.1.3 泥浆输送系统 7

2.1.4 左右横移系统 8

2.1.5 驱动控制系统 8

2.2 绞吸式挖泥船的工作原理 9

2.2.1 锚泊定位作业方式 9

2.2.2 定位桩定位作业方式 9

2.3 本章小结 11

3 绞吸式挖泥船匹配计算原理分析 12

3.1 绞吸式挖泥船绞刀切削分析 12

3.2 绞吸式挖泥船的泥泵特性分析 14

3.3 绞吸式挖泥船吸排泥管线特性分析 17

3.4 绞刀-泥泵-管线运行匹配分析 18

3.5 本章小结 20

4 绞吸式挖泥船疏浚模拟系统的设计及选型 21

4.1 系统设计的要求及目的 21

4.2 疏浚装置的选型设计 22

4.2.1 绞刀的设计及电机选型 22

4.2.2 泥泵及电机选型 24

4.2.3 管线布置的设计优化 24

4.3 绞刀挖掘宽度-角度-步进装置设计 26

4.4系统相关检测仪表的选型 27

4.5 本章小结 28

5 绞吸式挖泥船疏浚模拟监控系统设计 29

5.1 绞吸式挖泥船疏浚模拟监控系统简介 29

5.1.1 疏浚模拟监控系统总体布置图及设计要求 29

5.1.2 疏浚模拟监控系统的控制方法 30

5.2 疏浚模拟监控系统传感器选型 31

5.3 疏浚模拟监控系统操作流程及规则 31

5.3.1 模拟监控系统操作流程 31

5.3.2 模拟实验系统操作规则 32

5.4 本章小结 32

6 总结 33

参考文献 34

致谢 35

1 绪论

1.1 课题研究的背景与目的

1.1.1 课题研究背景

社会在迅速的发展，时代在不断的变迁。为响应“一带一路”的号召，以及国家政策的快速推进，使得边境贸易得到了迅猛发展。在我们国家，水路运输成为了重要的运输手段之一，绝大部分的边境贸易是依靠水运来完成的。随着水路运输的快速发展，其对国家经济贸易的重要性日益增加，对船舶行业起到了重要的推动作用。船舶中各种类型的船都得到了快速的发展，包括绞吸式挖泥船，其广泛运用于疏浚工程、挖掘工程以及基础建设等。

在1884年，第一艘绞吸式挖泥船在美国诞生。之后，绞吸式挖泥船进入了一个非常重要的发展阶段。在1893年制造的“RAM”号绞吸式挖泥船上已经开始配备可以旋转的绞刀头^[1]。

在我国，绞吸式挖泥船的研发与设计是在六十年代，之后就取得了较大的发展。我国的绞吸式挖泥船有着悠久的历史，现在已具备较大的规模，主要分布在水利等部门。挖泥船主要分布在东南沿海地带，但是与我国庞大的疏浚市场进行比较，还是不能很好的满足疏浚市场的需求，还有许多挖泥船需要依靠进口，与国际上还是存在一定的差距。

绞刀系统一直以来就是世界上各大疏浚公司研究的重点。并且其作为绞吸式挖泥船的重要系统，具有重大的研究价值。在美国诞生的第一艘绞吸船上配备了圆柱形绞刀，用来切削沙土。世界上绞刀的雏形是皇冠型绞刀，在1896年被安装在Beta号绞吸式挖泥船上。荷兰Vosta-LMG公司自从20世纪70年代开始研发了多代切削系统，并且都取得了较好的结果。在21世纪初，国外的绞刀设计理念已经基本上接近成熟，进入21世纪，由于各国加大了对环境保护的重视，使得环保型绞刀受到了越来越多的关注。同时，国内一些疏浚机构和高校也加大了对绞刀结构的研究力度。

在疏浚领域中，各大疏浚机构和公司为了追求环保节能，在世界范围内，都开展了挖泥船的泥泵管线系统工况点的优化研究。世界最大的挖泥船制造公司Ellicon公司对挖泥船的泥泵管线系统进行了一系列重要的研究，在Thomas.M.Turner 发表的《水力疏浚原理》这本书中，详细阐述了疏浚机理方面的内容，并对泥泵管线系统的特性以及泥浆在管线中输送的影响条件等方面做出了一系列较为全面的分析，为在相似条件下进行施工的挖泥船作业进行了指导。荷兰的IHC公司在挖泥船泥泵管线系统的工况优化方面做了非常深入的研究工作，并率先提出精确化、高效化、智能化等新概念^[2]。在挖泥船泥泵管线系统工况优化的研究方面，主要的研究内容为：挖泥船在施工过程中最优工况点的研究、泥浆输送研究等。

目前，在国外，比较著名的疏浚机构和单位主要分布在，美国、荷兰等，如荷兰的IHC公司等；在国内，主要的疏浚力量主要集中在上海交通大学等科研高校中。

1.1.2 目的及意义

本课题的研究目的是根据绞吸式挖泥船实际的结构，对绞刀、泥泵和管线系统进行选型设计和匹配计算分析，建立绞吸式挖泥船疏浚模拟施工系统。然后再建立一套疏浚模拟监控系统来对挖泥船运行进行实时监控。

通过该模拟施工系统，可以对绞吸式挖泥船实际施工作业过程和操作流程有着更为清晰的了解。并且可以利用该模拟施工系统来对不同施工情况进行模拟分析，并以产量及单方能耗为评价指标，来找出施工过程中的最佳关键控制参数，从而为实际施工提供理论依据。并且该平台也可以对挖泥船施工过程中挖泥操作手进行挖泥施工的培训。因此，设计建造该模拟实验平台是具有较大的意义。

1.2 绞吸船的结构特点及国内外研究

1.2.1 绞吸船的结构特点

绞吸式挖泥船与其他挖泥船相比较，主要结构特点如下：

⑴ 在实际施工过程中，绞吸式挖泥船的移动和定位主要依靠其上安装的定位桩和左右横移绞车来实现。

⑵ 绞吸式挖泥船的绞刀主要安装在绞刀桥架上。该绞刀可以将泥土进行切削、旋转并与水进行混合形成泥浆，从而使得更多的泥沙进入吸泥管道，这样就可以增加泥浆的浓度，增大了生产率。

⑶ 绞吸式挖泥船还有其独特的绞刀桥架，其用来安装与绞刀有关的机构，如绞刀和驱动绞刀的电机，还有吸泥管路等其他机构。

1.2.2 国内外研究现状

对于绞吸式挖泥船的挖掘施工以及工况点等的优化问题，中交疏浚集团及国内高校和科研机构均展开相应研究。国内的天航局，由于其要新增加约240名绞吸式挖泥船的驾驶员，因此迫切的需要建设一套绞吸式挖泥船疏浚模拟实验系统来快速提高人员的技术素养，同时也可以模拟不同工况寻找到最经济效率的疏浚方法，同时也可以根据实验数据以最优结果生产高效率、低能耗的挖泥船设备。所以，从2006年开始，天航局将绞吸式挖泥船疏浚模拟仿真器的建设任务委托于河海大学。疏浚模拟仿真器的建设用来对实际施工过程提供理论依据，对相关人员进行技术培训。经过多年发展，培训相关技术人员若干期。

图1.1 模拟试验平台控制室

同时荷兰IHC公司也展开了 自动挖泥系统的研究，该公司设计提出的一种专门针对泥浆输送过程进行优化的控制方案。它是一个高度自动化智能系统，能够实时监控泥浆输送状态。该系统除了能够降低疏浚人员的工作难度，疏浚强度之外，还可以提高输送效率，基本实现了“全自动化操作”。

近年来疏浚装备向着大型化、智能化、可靠性高、使用寿命长方向发展，疏浚施工工艺向着高效、环保、绿色的方向发展^[3]。针对以上发展趋势，本模拟实验平台的设计特点如下：

⑴ 实验平台适应性强，可对不同土质进行模拟施工，同时提高实验平台的自动化程度。

⑵ 应用了新材料和新技术，改善和增加主要部件的可靠性和使用寿命。

⑶ 以提高疏浚能力、降低能耗为目标，开发了高浓度的疏浚技术。

⑷ 响应环保号召，设计相应的环保疏浚装置，并提高疏浚装置的挖掘精度。

总的来说，国外的疏浚模拟实验系统就是高度自动化，提高人员对自动化知识的应用以及适应目前计算机高度发展与应用，增加了工作人员的知识储备量，使设备得自动化程度大幅提高，并且提高效率和经济效益。

1.3 研究路线

该论文的技术路线图如下图所示：

图1.2 技术路线图

1.4 本章小结

本章主要对绞吸式挖泥船的发展和结构特点，以及其国内外研究现状进行了详细的介绍，同时对绞吸式挖泥船疏浚模拟系统国内外研究现状进行分析，并结合目前国家及行业发展趋势对本实验平台提出相应设计要求。

2 绞吸式挖泥船的构成及工作原理

2.1 绞吸式挖泥船的构成

绞吸式挖泥船是使用最广泛的一种挖泥船，在目前的疏浚过程中，它的总体排泥量是最大的。它装备了能够切削泥土的大功率绞刀，可以将水底的泥沙等物质进行切削。被绞刀切削后的泥沙与水混合形成泥浆，泥浆被水下泥泵从吸泥管路吸走，经过排泥管线被运送至指定位置，从而达到了绞吸式挖泥船切削及运输泥沙的目的^[4]。

绞吸式挖泥船的结构布置简图如下：

图2.1 结构布置简图

图 绞吸式挖泥船布置图

1-排泥管；2-吊车；3-操纵室；4-绞刀；5-绞刀架；6-吸泥管道；7-定位桩；8-绞刀架绞车；9-左、右横移绞车；10-横移索。

绞吸式挖泥船主要由定位系统、绞刀切削系统、泥浆输送系统、左右横移系统和驱动控制系统组成^[5]。各系统的功能及组成如下：

2.1.1 定位系统

绞吸式挖泥船的定位方式主要为由定位桩定位系统进行定位，早期的挖泥船通过锚泊定位方式进行定位。挖泥船在切削完成一个断面后会继续向前移动一段距离，当向前移动的距离超过绞刀向前伸缩的范围之后，就需要通过定位桩来向前移动，从而达到继续向前进行切削的目的。下图为主定位桩的台车机构：

图2.2 主定位桩台车机构

定位桩定位系统一般由两根定位桩和提升系统组成，一个叫主定位桩，另一个叫做辅定位桩。主定位桩安装在绞吸式挖泥船的台车装置上，该台车装置可以相对于船体做一定距离的移动。

挖泥船船体按规定计划进行挖泥工作时，主定位桩一般情况插在水底，为了抵抗船舶在水面上所遭受的外力（如风、浪、流等），并且为船舶向前移动提供推力。定位桩是由钢板卷制作而成的桶状的物体，在其最下端呈圆锥形，钢桩长度及重量较大，定位作业时通过钢桩自重作用直接扎入土层从而起到定位作用，起桩时辅桩扎入土层中，通过起桩缆绳的悬吊作用完成主桩的拔出工作。

定位桩与船舶通过液压推动杆连接在一起，步进装置主要由一套液压系统完成每次步进量调整。对于绞吸式挖泥船，绞刀的长度即为每次步进量的最大值。当液压推动杆向前伸长时，挖泥船就会向前移动一段距离；当液压杆伸长到它的最大长度的时候，为了使船舶能够继续向前推进进行挖泥工作，这时就需要辅定位桩来进行配合。先将辅定位桩插入水底，以防止当主定位桩提升之后船舶倾斜或摇晃等，再将主定位桩提升，移动到相应的位置之后再下放，从而再以主定位桩为中心进行下一步切削挖泥工序。

2.1.2 绞刀切削系统

绞刀切削系统主要由绞刀架、绞刀等系统组成，主要包括控制绞刀移动、绞刀切削土壤、使被切削的泥土与水混合形成泥浆等部分^[6]。并且绞刀切削系统对挖泥船的效率有着重大的影响。

⑴ 绞刀

绞刀是专门用来切削土壤或岩沙的机械，被安装在绞刀架前面。它由绞刀骨架和绞刀片等组成。绞吸式挖泥船在疏浚领域的运用范围不断扩大，导致国内外绞刀的要求也越来越高，而这些较高的要求使得绞刀的结构慢慢地发生了变化，从而推动了绞刀结构的改变。

现将世面上已有的双绞刀与应用广泛的单绞刀和其他类型的环保型绞刀进行对比分析，如下表所示：

表2.1 绞刀对比

⑵ 绞刀架

绞刀架是绞吸式挖泥船的重要部件之一，被安装在船舶的中部。通过绞车可以控制绞刀架的起落，从而达到调节切削深度的目的。其次，在设计绞刀架的时候，一定要设计为高强度的结构。目的是为了抵抗横移绞车左右拉力和切削力等外力的影响。目前绞刀动力装置大部分采用水下电机利用变频技术对绞刀转速进行控制。

随着绞吸式挖泥船的快速发展，绞刀架向着大型化的方向发展。绞刀架必须满足两个要求：一是为了挖掘硬质土壤，绞刀架必须达到一定的重量，才能克服土壤对绞刀架的作用力；二是必须有足够高的强度，才能达到各种设备所需的强度要求。

2.1.3 泥浆输送系统

泥浆输送系统主要由吸泥管、水下泥泵、舱内泥泵、排泥管、浓度计、流量计及舱内泵传动装置等部分组成。主要作用是对绞刀切削的土壤与水混合形成的泥浆进行输送，送到指定的地点，从而达到泥浆转移和挖掘的目的。其结构图如下图所示：

图2.3 泥浆输送系统结构图

泥浆输送系统在绞吸式挖泥船中是非常重要的系统，关系到挖泥船的工作效率和关键参数。在桥架下边一般布置有一台水下泥泵，水下泥泵主要采用水下电机利用变频控制技术对其转速进行调整。被绞刀切削的土质与水混合形成泥浆，经泥浆输送系统被运输至指定位置。在船舱内，舱内泥泵一般设有两台，主要为泥浆输送提供水头压力及动能。为保证泥泵转速在允许范围之内，在柴油机与泥泵之间设置有减速齿轮箱^[7]。

其中，在整个泥浆输送系统中还有许多传感器等设备，水下泥泵排出压力传感器与吸入真空压力传感器用来实时监控水下泥泵的工作状态；舱内泥泵排出压力传感器用来检测泥浆在排出管道的工作状态，从而为监控系统提供反馈；而对于浓度计和流量计来说，主要安装在泥泵的排出管路上，用于测量泥浆排出的浓度和流速，为计算挖泥船挖泥产量提供了依据。

2.1.4 左右横移系统

左右横移系统主要包括横移绞车、横移缆绳、导向滑轮、横移锚头、抛锚拨杆。横移锚头主要起定位作用，锚摆放在开挖掘的断面之外，通过横移锚艇或者是抛锚拔杆进行锚的移动固定。 通过抛锚拔杆的推送作用对横移锚头位置进行准确定位，施工过程中根据挖泥船所需挖掘宽度及每次挖掘步 进对横移锚头位置进行调整。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：