CN114427962B - 一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，分别进行单耙齿和三耙齿水下切削实验，通过对应的切削力传感器获取切削过程中各个耙齿的切削阻力；单耙齿切削的切削阻力计为F11；三耙齿切削时中间耙齿的切削阻力计为F32，两个两侧耙齿的切削阻力分别计为F31和F33；记录F32/F11的值，为多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数；记录F31/F11和F33/F11的值，为多耙齿切削时两侧耙齿的干扰系数。本发明可对单个耙齿的切削阻力进行修正，进行多耙齿切削阻力的计算，为耙头设计时多耙齿的切削阻力计算提供了一种有效的实验方法，实验方法简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于疏浚工程技术领域，特别是涉及一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法。
背景技术
耙吸式挖泥船是疏浚工程中常见的装备，其配备的耙头用于挖掘各类疏浚土。耙头上的耙齿是进行土体切削的主要受力部件，在进行耙头设计及挖掘工艺制定时，都需要计算耙头的挖掘阻力，计算耙齿的切削阻力。传统的耙齿切削阻力计算公式都是计算单个耙齿的受力，再乘以耙齿的个数，得到耙头的切削阻力。但是实际上相邻的耙齿之间会存在相互的干扰作用，因而简单的将单个耙齿的受力乘以耙齿个数不能准确的计算耙头的受力。因此，有必要寻求一种测试耙头多耙齿切削时齿间相互干扰作用的方法，用于耙头设计时更为准确的计算多耙齿的切削力。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法。该方法为研究耙头多耙齿切削时齿间的相互干扰作用提供了一套实验方法，可以为耙头设计时计算耙齿的切削力。
本发明是这样实现的，一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，具体实验过程如下：
步骤一、实验土的制备：
制备符合要求的一定颗粒比、含水率、密度和标贯击数的实验土。
实验装置的准备：
实验装置包括运行台车、切削耙齿、切削力传感器和土箱；其中，所述运行台车可实现x、y、z三个方向的运动；所述切削耙齿固定在运行台车上，用于进行不同切削角度、切削深度和切削速度的切削实验；所述切削耙齿分为单耙齿结构和三耙齿结构，三耙齿结构的切削耙齿由三个并排设置的单耙齿组成；切削力传感器分别安装在切削耙齿的各个单耙齿上，用于测量单耙齿切削和三耙齿切削时每个耙齿的切削阻力；土箱用于盛放实验土。
步骤二、耙齿切削实验：分别进行单耙齿切削实验和三耙齿切削实验
首先将盛满实验土的土箱放置并固定于实验台；将安装有切削力传感器的切削单耙齿或切削三耙齿固定于运行台车的刀具架上；调整运行台车的水平(x方向)及垂直(y方向)方向的位置，设定运行台车的行走速度(z方向)；向实验台内注水，水面淹没装土土箱；启动运行台车，进行单耙齿或三耙齿水下切削实验，通过对应的切削力传感器获取切削过程中各个耙齿的切削阻力。
步骤三、耙齿切削力的对比分析
单耙齿切削的切削阻力计为F11；三耙齿切削时中间耙齿的切削阻力计为F32，两个两侧耙齿的切削阻力分别计为F31和F33；三耙齿切削时的F32，分别受到两侧相邻耙齿的干扰作用，记录F32/F11的值，为多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数；三耙齿切削时的F31和F33，分别受到一侧相邻耙齿及一侧破坏土体的干扰作用，记录F31/F11和F33/F11的值，为多耙齿切削时两侧耙齿的干扰系数。
在上述技术方案中，优选的，所述切削耙齿中单个耙齿的尺寸以及三耙齿结构中相邻耙齿间的间距依据实际耙头的耙齿尺寸设计。
在上述技术方案中，优选的，所述土箱采用分层结构，每层之间通过螺栓连接，每层土箱的左右侧板及前后挡土板均可拆卸，可以实现分层切削实验，提高切削实验效率，节约成本。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，通过定义多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数和两侧耙齿的干扰系数的方法，分析多耙齿水下切削齿间相互干扰作用；可对单个耙齿的切削阻力计算公式进行修正，进行多耙齿切削阻力的计算。本发明为耙头设计时多耙齿的切削阻力计算提供了一种有效的实验方法，实验方法简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三耙齿切削耙齿的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的土箱的结构示意图。
图中，1、耙齿；2、切削力传感器；3、土箱。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
本发明的实施例提供一种硬塑状态粉质粘土的多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法。制备成型土的实验黏土含水率为20％，密度为1.983g/cm3，塑性指数为14.9(属于粉质粘土)，液性指数为0.07(硬塑状态)，标准贯入击数为14击；实验切削耙齿分为单耙齿(耙齿尺寸为75mm*200mm)和三耙齿(每个耙齿的尺寸为75mm*200mm，两个耙齿齿间间距为100mm)；切削力传感器2，分别安装在每个耙齿1上，用于测量单耙齿切削和三耙齿切削时每个耙齿1的切削阻力，量程为0～30000N，采样频率200Hz；装土土箱3尺寸为高0.6m*长5m*宽2.2m，分为三层，每层高度为0.2m，每两层之间通过螺栓连接；单耙齿切削实验，耙齿切削角度为45度，切削土层深度为100mm，切削速度为0.8m/s，水淹没土箱3表面深度为5cm；三耙齿切削实验的实验参数与单耙齿切削实验一致。
本实施例的具体工作过程：
(一)实验土的制备
(1)原粘性土含水率平均为2.58％，使用花洒向粘性土颗粒中喷水，加水17.5％；
(2)搅拌均匀后，将混合好的分散状粘性土放到密闭的塑料袋中闷料，时间超过24小时。
(3)使用平板夯对闷好的粘性土进行夯击，使用标贯器进行测试，获得标贯击数为14击，含水率为20％，密度为1.983g/cm3的实验黏土。
(二)耙齿切削实验
(1)单耙齿切削实验：
1)首先将盛满实验土的土箱3放置并固定于实验台，拆掉土箱3的前后挡土板。
2)将安装有切削力传感器2的切削单耙齿固定于运行台车的刀具架上。
3)调整运行台车的水平位置(x方向)，使耙齿右侧边距离土箱右侧板350mm；垂直位置(y方向)，使耙齿尖距离土箱表面负100mm；前行位置(z方向)，使耙齿尖距离土箱前挡土板200mm；设定运行台车的行走速度(z方向)，0.8m/s。
4)向实验台内注水，水面淹没装土土箱表面5cm。
5)启动运行台车，使得运行台车在z方向行走，进行单耙齿水下切削实验，读取切削过程中的切削阻力。
6)调整耙齿初始位置，进行第二次单耙齿切削重复实验，耙齿右侧边距离土箱右侧板825mm，使得切削耙齿两次切削位置间距保持400mm，留有土体破坏距离；其他设置与第一次单耙齿切削实验设置相同，进行第二次单耙齿切削重复实验。
7)调整耙齿初始位置，进行第三次、第四次单耙齿切削重复实验，使得每两次切削耙齿切削位置间距保持400mm，留有土体破坏距离；其他设置与第一次单耙齿切削实验设置相同，进行第三次、第四次单耙齿切削重复实验。
8)放掉实验台中的水，漏出装土土箱，拆掉第一层土箱的左右两侧板，除去第一层切削实验的残留土，对留下的土层表面进行找平处理。
(2)三耙齿切削实验：
1)将安装有切削力传感器的切削三耙齿固定于运行台车的刀具架上；
2)调整运行台车的水平位置(x方向)，使耙齿右侧边距离土箱右侧板400mm；垂直位置(y方向)，使耙齿尖距离土箱表面负100mm；前行位置(z方向)，使耙齿尖距离土箱前挡土板200mm；设定运行台车的行走速度(z方向)，0.8m/s。
3)向实验台内注水，水面淹没装土土箱表面5cm。
4)启动运行台车，使得运行台车在z方向行走，进行第二层土的三耙齿水下切削实验，读取切削过程中的切削阻力。
5)调整耙齿初始位置，进行第二次三耙齿切削重复实验，耙齿左侧边距离土箱左侧板400mm，使得两次切削三耙齿间距保持550mm，留有土体破坏距离；其他设置与第一次三耙齿切削实验设置相同，进行第二次三耙齿切削重复实验。
6)放掉实验台中的水，漏出装土土箱，拆掉第二层土箱的左右两侧板，除去第二层切削实验的残留土，对留下的土层表面进行找平处理。
7)进行第三层土的第三次及第四次三耙齿重复实验，实验过程与第二层土的三耙齿水下切削实验相同。
(三)耙齿切削力的对比分析
单耙齿切削的切削阻力计为F11(数值为4550N)，为四次单耙齿水下切削实验测得的切削阻力的平均值；三耙齿切削时中间耙齿的切削阻力计为F32(数值为3950N)，两侧耙齿的切削阻力分别计为F31(数值为4350N)和F33(数值为4350N)，为四次三耙齿水下切削实验测得的切削阻力的平均值；三耙齿切削时的F32，受到两侧相邻耙齿的干扰作用，记录F32/F11的值(数值为0.87)，为多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数；三耙齿切削时的F31和F33，分别受到一侧相邻耙齿及一侧破坏土体的干扰作用，记录F31/F11的值(数值为0.96)，为多耙齿切削时两侧耙齿的干扰系数。
在进行耙头多耙齿切削的切削阻力计算时，以有22个耙齿的耙头切削阻力计算为例，单个耙齿切削阻力为4550N，中间耙齿的干扰系数为0.87，中间20个耙齿的切削阻力即为20*4550*0.87＝79170N，两侧耙齿的干扰系数为0.96，两侧2个耙齿的切削阻力即为2*4550*0.96＝8736N，得到最终耙头总的切削阻力为79170+8736＝87906N。
本发明通过进行单耙齿水下切削实验，测得单耙齿切削阻力；进行三耙齿水下切削实验，分别测得中间耙齿，及两侧耙齿的切削阻力；通过对比不同位置耙齿的切削阻力，定义多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数和两侧耙齿的干扰系数，得到多耙齿水下切削齿间相互干扰作用，可对单个耙齿的切削阻力计算公式进行修正，为耙头设计时多耙齿的切削阻力计算提供了一种有效的实验方法。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，其特征在于，具体实验过程如下：
步骤一、实验土的制备：
制备符合要求的一定颗粒比、含水率、密度和标贯击数的实验土；
实验装置的准备：
实验装置包括运行台车、切削耙齿、切削力传感器和土箱；其中，所述运行台车可实现x、y、z三个方向的运动；所述切削耙齿固定在运行台车上，用于进行不同切削角度、切削深度和切削速度的切削实验；所述切削耙齿分为单耙齿结构和三耙齿结构，三耙齿结构的切削耙齿由三个并排设置的单耙齿组成；切削力传感器分别安装在切削耙齿的各个单耙齿上，用于测量单耙齿切削和三耙齿切削时每个耙齿的切削阻力；土箱用于盛放实验土；
步骤二、耙齿切削实验：分别进行单耙齿切削实验和三耙齿切削实验
首先将盛满实验土的土箱放置并固定于实验台；将安装有切削力传感器的切削单耙齿或切削三耙齿固定于运行台车的刀具架上；调整运行台车的水平x方向及垂直y方向的位置，设定运行台车的行走速度并设定为z方向；向实验台内注水，水面淹没装土土箱；启动运行台车，进行单耙齿或三耙齿水下切削实验，通过对应的切削力传感器获取切削过程中各个耙齿的切削阻力；
步骤三、耙齿切削力的对比分析
单耙齿切削的切削阻力计为F11；三耙齿切削时中间耙齿的切削阻力计为F32，两个两侧耙齿的切削阻力分别计为F31和F33；三耙齿切削时的F32，分别受到两侧相邻耙齿的干扰作用，记录F32/F11的值，为多耙齿切削时中间耙齿的干扰系数；三耙齿切削时的F31和F33，分别受到一侧相邻耙齿及一侧破坏土体的干扰作用，记录F31/F11和F33/F11的值，为多耙齿切削时两侧耙齿的干扰系数。
2.根据权利要求1所述的测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，其特征在于，所述切削耙齿中单个耙齿的尺寸以及三耙齿结构中相邻耙齿间的间距依据实际耙头的耙齿尺寸设计。
3.根据权利要求1所述的测试多耙齿水下切削齿间相互干扰作用的实验方法，其特征在于，所述土箱采用分层结构，每层之间通过螺栓连接，每层土箱的左右侧板及前后挡土板均可拆卸，可以实现分层切削实验。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |