CN107975084B - 利用三维导向表面降低切削阻力的绞刀齿及其设计方法 - Google Patents

Abstract

利用三维导向表面降低切削阻力的绞刀齿及其设计方法。利用三维导向表面降低切削阻力的绞刀齿的设计方法，其特征在于，采用三维导向的绞刀齿表面用以降低绞吸挖泥船绞刀齿切削阻力。绞刀齿结构，其特征是，该绞刀齿主体是由主切削刃355、主面前切削刃351、侧面底切削刃357构成隆起三维结构；且该绞刀齿主体的主切削面353是由主面前切削刃351、主切削刃355、主面后切削刃356共同控制形成收缩导向三维曲面。绞刀齿三维导向表面可以有效降低绞刀齿切削阻力，有利与土层向齿的一侧进行滑移，从而达到降低功耗，降低绞刀齿在绞吸挖掘施工作业过程中的阻力。

Description

利用三维导向表面降低切削阻力的绞刀齿及其设计方法

技术领域

本发明所属疏浚工程及海洋工程施工技术领域。

背景技术

随着经济及社会生活的发展，人类对海洋及海洋资源的探索与利用的需求日益高涨，这些需求促使疏浚工程及海洋工程各个领域快速发展，在疏浚工程中，绞吸挖泥的施工模式是对海底物质施工的典型方式之一，典型装备是绞吸挖泥船，绞吸挖泥船可以用于多种不同土质的疏浚作业，当绞吸挖泥船对待切削土层进行挖掘时，绞刀齿切入土层，迫使土层分离、松动，分离和松动的土层在绞吸挖泥船泥泵的大功率输送下，进入绞刀头吸泥口，后被输送到预定位置，现有绞吸挖泥船提高施工效率的途径的方式是加大绞吸挖泥船装机功率，绞吸挖泥船目前的发展趋势是向配备大功率发动机发展，增大绞刀挖掘力是一种直接想法，这样可以提高绞吸挖泥船作业施工效率，增大绞刀功率固然能够挖掘力，但并没有解决绞刀单位能量作业经济性的问题，绞刀切削土壤的作用是能够分离土层，增大绞刀功率虽然能够使绞刀挖掘施工更加顺利的进行，但并没有使绞刀上作用力降低，作业经济性并没有好转的趋势。

现有绞刀齿结构形式都是以绞刀齿可以切入土层为目的，对土层有切入、分离、输送，实现上述功能也就实现绞刀挖掘作用，从绞刀齿的结构形式可以看到，绞刀齿的结构都是可以分为绞刀齿正面和绞刀齿背面。

从功能上划分，绞刀齿正面是与土层直接接触的结构面，是起主要切削作用的结构，待切削土层与绞刀齿之间出现相互解压，土层发生变形，与绞刀最近的土层受力作用出现分离，与绞刀齿相互接触，沿着绞刀齿正面滑移，最后滑移至齿根或是堆积到一定高度在后续土层的作用下与绞刀齿分离。在这一过程中，绞刀齿的结构使切削土层在绞刀齿结构上滑移距离较大、在绞刀齿的堆积程度较大，这都增大了绞刀齿在绞吸施工过程中的受力情况，增加了绞刀消耗功率。绞刀齿背面是起到支撑作用的结构面，可以使绞刀承受一定作用力而不折断，在绞刀齿切削过程中不断出现磨损。

现有绞刀齿正面结构是设计成平面结构，这种二维平面结构形式仅具有简单的切削作用。在切削过程中，切削土层会沿着相对切削运动方向从绞刀齿齿尖切入，沿着绞刀齿正面从齿尖向齿根方向迁移运动，在绞刀齿挖掘过程中，土层与齿之间相互摩擦距离太长，摩擦力较大，消耗功率较多。同时，挖掘粘土时，堆积部位的粘土在滑移土的挤压下，密度越来越大，强度越来越高，容易造成整个绞刀头的堵塞。

发明内容

本发明所采用的技术方案：

本发明技术方案，方法思路可概括为：首次提出采用三维导向的绞刀齿表面用以降低绞吸挖泥船绞刀齿切削阻力。

进一步给出技术措施限定所述的技术方案：所述的三维导向表面，为避免在现有二维平面绞刀齿结构在绞刀齿挖掘过程中，土层与齿之间相互摩擦距离太长，摩擦力较大，消耗功率较多，同时挖掘粘土时，堆积部位的粘土在滑移土的挤压下，密度越来越大，强度越来越高，容易造成整个绞刀头的堵塞的技术问题。为此，本发明给出中间隆起形式的绞刀 齿结构设计，减小切削土层在绞刀齿上滑移距离、减小绞刀齿切削力、避免切削粘土土层堆积问题。研究表明，本发明三维导向表面可以使切削土层向齿的一侧迁移，避免在绞刀齿切削表面过长的滑移距离，同时很好得解决了绞刀齿在切削粘土土层时发生在绞刀齿上堆积的问题，因此有效降低绞刀齿功率消耗，解决绞刀齿切削粘土时的堆积和功率消耗问题。

进一步的，所述中间隆起形式的绞刀齿结构表征为：一种利用三维导向表面降低切削阻力的绞刀齿结构，其特征是，该绞刀齿主体是由主切削刃355、主面前切削刃351、侧面底切削刃357构成隆起三维结构；且该绞刀齿主体的主切削面353是由主面前切削刃351、主切削刃355、主面后切削刃356共同控制形成收缩导向三维曲面。

方法技术方案:

本发明的三维导向绞刀齿在绞刀挖掘施工过程中，切入土层是一个渐进切入过程，在切入持续进行过程中，土层在挤压力的作用下向齿的一侧滑移并与绞刀齿分离，因此绞刀齿滑移距离小，避免在齿根处发生堆积。具体的工作原理：

在绞刀切削土层时，首先在齿尖352处进行分离；主面前切削刃351呈隆起形式的设计，所述主面前切削刃351分隔绞刀齿主切削面353、侧切削面354，所述侧切削面354与切削相对运动方向平行；主切削面353是由主面前切削刃351、主切削刃355、主面后切削刃356共同控制形成收缩导向三维曲面；

挖掘切入过程中，随主切削刃355的进一步切入，土层被斜向撕裂，分离的切削物因绞刀齿切入而形成相对运动的作用沿着主切削面353进行滑移，滑移土层因绞刀齿主切 削面353的三维导向作用而向齿内侧滑移，滑移土层最终与绞刀齿分离，减少滑移距离，并且避免在齿根处发生堆积。

可以获得的施工方法及效果：

本发明的三维导向绞刀齿在绞刀挖掘施工过程中，切入土层是一个渐进切入过程，首先在齿尖处切入，在切入持续进行过程中，土层在挤压力的作用下向齿的一侧滑移并与耙齿分离，挖掘切入过程中，随主切削刃的进一步切入，土层被斜向撕裂，分离的切削物因绞刀齿切入而形成相对运动的作用沿着主切削面进行滑移，滑移土层因绞刀齿主切削面 353的三维导向作用而向齿内侧滑移，最终与绞刀齿分离。绞刀齿三维导向表面可以有效降低绞刀齿切削阻力，有利与土层向齿的一侧进行滑移，从而达到降低功耗，降低绞刀齿在绞吸挖掘施工作业过程中的阻力。

附图说明

图1绞刀头侧视及剖视示意图。

图2为绞刀齿结构示意图(三视图)。

图3为绞刀齿切削受力示意图。

图中数字标记：

桥架1、绞刀驱动轴2、绞刀头3

绞刀头3的：安装结构31，绞刀架32，绞刀臂33，刀架梁34，绞刀齿35

绞刀齿35的：

齿尖352，

主切削面353，主面前切削刃351，主面后切削刃356，

侧切削面354，侧面底切削刃357，侧面后切削刃358，

后切削面359，

底切削面361，底切削面法线方向362，

刀柄360，

主切削刃355，

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

与传统绞刀齿相比，本发明绞刀齿35结构不仅具有实现切入功能，同时实现泥土切削导向作用。本实施例的绞刀齿35包括绞刀齿齿尖352、主面前切削刃351、主面底切削刃355、主切削刃356、侧面底切削刃357、侧面后切削刃358、主切削面353、侧切削面354、后切削面359、底切削面361，功能设计为:

所述刀柄360，作为支架结构，用于与绞刀臂33安装连接。(与传统绞刀齿相同)

所述绞刀齿齿尖352作为泥土切削结构，在绞刀齿切削时最先与泥土土层向接触，切入面积小。

所述绞刀齿侧切削面354为支撑结构，其绞刀切削过程中与运动方向平行，起到主要结构支撑作用。

所述侧面底切削刃357、主切削刃355为泥土切削结构，侧面底切削刃357与主切削刃355成45度角度，在绞刀施工过程中渐进切入土层，切入阻力小。

所述绞刀齿主切削面353为泥土切削导向结构，起到切削导向作用，在切削挖掘过程中泥土沿此面进行滑移和运动。主切削面353位于绞刀齿内侧，是切削土层主要滑移面，当绞刀进行挖掘时，土层分离后在绞刀齿上进行滑移，因绞刀齿切入运动的作用，切削土层首先在齿尖352处进行分离，随着主切削刃355的进一步切入，土层被斜向撕裂，分离的切削物因绞刀齿切入而形成相对运动的作用沿着主切削面353进行滑移，滑移土层因绞刀齿主切削面的三维导向作用而向齿内侧滑移，最终与绞刀齿分离，减少滑移距离，并且避免在齿根处发生堆积。

所述主面前切削刃351为泥土切削导向结构特征之一，在结构上分离了主切削面353、侧切削面354；其中侧切削面354与绞刀齿切削运动方向平行，因此其所承担的切削阻力可以忽略，其中主切削面353是主承载受力载荷面，是实现所切削土的结构导向要素，从绞刀齿齿型而言所述主切削面353、侧切削面354构成脊型结构，绞刀齿所挖掘切削分离的土层主要在脊型结构构成要素之一的主切削面353上进行滑移，主切削面353的导向性是由切削角θ、刀刃角α的这两个参数决定，此结构隆起的脊型结构设计及导向滑移面的结构特征参数使绞刀齿在切削土层作业过程中实现了的泥土导向功能。

进一步的，本发明对耙齿齿形的形状参数进行计算和控制，给出的绞刀齿切削受力公式，同时设计确定出两个关键参数切削角θ、刀刃角α：

给出的受力公式：

τ、t、b三个参数与所挖掘泥土的力学特性和绞刀头挖掘进给量有关:τ是土的抗剪切强度；t是切削厚度，与绞刀头旋转速度和绞刀头进给量有关；b是绞刀齿切削宽度，切削效率有关，在齿形优化时切削宽度不予调整。因此τ、t、b三个参数在齿形设计过程中不做调整和考虑。

δ是绞刀齿与所挖掘的泥土的摩擦角，根据本发明研究表明δ取值在0.11弧度到0.12弧度之间。

两个关键参数切削角θ、刀刃角α：

θ是切削角，α是刀刃角，两者决定了齿形，即该两个参数可最佳优化绞刀齿泥土切削导向特性，从而控制绞刀齿的挖掘受力情况。如图3所示：

X方向是绞刀齿旋转运动的切线方向，也是相对于土层的切削方向。

Y方向是绞刀驱动轴的轴线方向。(在本领域，绞刀头3安装于驱动轴上，驱动轴和绞刀头3安装在绞吸挖泥船桥架上。绞刀驱动轴是绞刀挖掘施工的动力输入，绞刀挖掘消耗的功都从输入轴输入，同时承担绞刀头在挖掘过程中的反作用力。以上，皆为本领域公知常识。)

Z轴是垂直与X轴、Y轴的轴线方向。

主面前切削刃351与X轴所成角是θ角，θ是切削角。

主切削刃355与Y轴所成角是α角，α是刀刃角。

面前切削刃351与底切削面361成角是β角，β是线型控制角。

主面后切削刃356与底切削面361成角是δ角，δ是线型控制角。

如此对齿形控制而获得的导向三维曲面，使得在切削相对运动方向上齿尖352首先进行切入，此后由主面前切削刃351、主切削刃355、主切削面353承担后续切削作用。该导向因素的构成包括:

要素一，主面前切削刃351在绞刀挖掘过程中起到分向作用，在结构上用于分隔主切削面353、侧切削面354，并与土层首先发生切入运动，随着绞刀进一步切入，因挤压的作用土层被迫向齿的内侧滑动。

要素二，齿尖352、主切削刃355与侧面底切削刃357构成于同一平面底切削面361，其中底切削面法线方向362如图3所示；所述主面前切削刃351与所述的底切削面361相交；主切削刃355是双曲线形状，相交角度为角β在齿尖352处成15度角度，之后逐步增大，最大处成50度角度，角度β增大有利于所切削土层向侧向滑移；侧切削面354在切入方向上与运动方向平行；主面后切削刃356曲线也是双曲线形状，该主面后切削刃356与所述底切削面361也相交，相交角度δ在交点处成55度角度，之后逐步增大，最大处成75度，角度δ增大有利于所切削土层向侧向滑移。

要素三，所述齿尖352、主面前切削刃351、主切削刃355、侧面底切削刃357共同构成了主切削面353、侧切削面354两个面的切削分离导向要素，在切削过程中首先齿尖352切入，随后各切削特征要素渐进切入，切入阻力小并且渐进变化，切削土层在挤压压力的作用下被沿主切削面353、侧切削面354两个面滑移。

本发明在绞刀齿的主面前切削刃351、绞刀齿齿尖352、绞刀齿主切削面353、主切削刃356所组成的切削要素中，根据力学公式可知在绞刀齿齿尖切削角θ为45度、刀刃角α为40度时绞刀齿切学力处于最底状态水平，同时参数θ由45度角度沿绞刀齿切削方向x方向逐渐增大，而垂直于切削方向x水平方向的y方向是刀刃角α逐渐减小可以使泥土向齿根出迁移的阻力增大，而向齿侧向滑移阻力明显降低，因此实现了降低挖掘阻力和防止泥土在齿上淤积的目的。

本发明安装于如图1所示的绞刀头3上。绞刀头3由安装结构31、若干绞刀架32、刀架梁34三者构成框架结构，本发明的绞刀齿35通过绞刀臂33搭载固定在绞刀头3上。本发明的绞刀齿35是挖掘过程中切削施工结构件，对施工土层施加作用力并使之疏松和分离，在施工过程中，承担施工反力，受力的绞刀齿在施工过程消耗了绞刀功率，绞刀结构形式与受力情况直接相关，现有绞刀齿均为二维平面结构，切削物滑移距离与作用力均较大，在齿根处、绞刀臂、刀架梁处形成淤积切削物，进一步增加功率消耗，疏浚物为粘性土时情况严重时需要停工清理。根据分析研究与实验研究，三维导向绞刀齿的切削过程相对于二维平面结构的绞刀齿可以使切削物向齿的一侧分离，减少齿的受力，并且有效降低淤积情况的产生。本发明中的绞刀齿35是挖掘泥土的挖掘部件，通过绞刀齿35切入泥土土层起到实现泥土分离、疏松、挖掘的目的，分离的泥土经过水流流动的携带作用被输送的存贮位置，完成绞吸挖掘过程。

Claims (1)

1.利用三维导向表面降低切削阻力的方法，其特征在于，

绞刀齿的设计：

该绞刀齿主体是由主切削刃（355）、主面前切削刃（351）、侧面底切削刃（357）构成隆起三维结构；且该绞刀齿主体的主切削面（353）是由主面前切削刃（351）、主切削刃（355）、主面后切削刃（356）共同控制形成收缩导向三维曲面；

采用三维导向的绞刀齿表面用以降低绞吸挖泥船绞刀齿切削阻力：

所述的三维导向表面，以中间隆起形式的绞刀齿结构设计，使切削土层向齿的一侧迁移，避免在绞刀齿切削表面过长的滑移距离，同时解决了绞刀齿在切削粘土土层时发生在绞刀齿上堆积的问题，降低绞刀齿功率消耗，解决绞刀齿切削粘土时的堆积和功率消耗问题；

三维导向绞刀齿在绞刀挖掘施工过程中，切入土层是一个渐进切入过程，在切入持续进行过程中，土层在挤压力的作用下向齿的一侧滑移并与绞刀齿分离，因此绞刀齿滑移距离小，避免在齿根处发生堆积；具体为：

在绞刀切削土层时，首先在齿尖（352）处进行分离；主面前切削刃（351）呈隆起形式的设计，所述主面前切削刃（351）分隔绞刀齿主切削面（353）、侧切削面（354），所述侧切削面（354）与切削相对运动方向平行；主切削面（353）是由主面前切削刃（351）、主切削刃（355）、主面后切削刃（356）共同控制形成收缩导向三维曲面；

挖掘切入过程中，随主切削刃（355）的进一步切入，土层被斜向撕裂，分离的切削物因绞刀齿切入而形成相对运动的作用沿着主切削面（353）进行滑移，滑移土层因绞刀齿主切削面（353）的三维导向作用而向齿内侧滑移，滑移土层最终与绞刀齿分离，减少滑移距离，并且避免在齿根处发生堆积；

满足导向因素包括:

要素一，主面前切削刃（351）在绞刀挖掘过程中起到分向作用，在结构上用于分隔主切削面（353）、侧切削面（354），并与土层首先发生切入运动，随着绞刀进一步切入，因挤压的作用土层被迫向齿的内侧滑动；

要素二，齿尖（352）、主切削刃（355）与侧面底切削刃（357）构成于同一平面底切削面（361），其中底切削面法线方向（362）；所述主面前切削刃（351）与所述的底切削面（361）相交；主切削刃（355）是双曲线形状，相交角度为角β在齿尖（352）处成15度角度，之后逐步增大，最大处成50度角度，角度β增大有利于所切削土层向侧向滑移；侧切削面（354）在切入方向上与运动方向平行；主面后切削刃（356）曲线也是双曲线形状，该主面后切削刃（356）与所述底切削面（361）也相交，相交角度δ在交点处成55度角度，之后逐步增大，最大处成75度，角度δ增大有利于所切削土层向侧向滑移；

要素三，所述齿尖（352）、主面前切削刃（351）、主切削刃（355）、侧面底切削刃（357）共同构成了主切削面（353）、侧切削面（354）两个面的切削分离导向要素，在切削过程中首先齿尖（352）切入，随后各切削特征要素渐进切入，切入阻力小并且渐进变化，切削土层在挤压压力的作用下被沿主切削面（353）、侧切削面（354）两个面滑移。

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