绞吸式挖泥船挖岩绞刀动载荷模拟分析.pdf

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1、第42卷第5期2013年10月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGV01．42No．50et．2013DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2013．05．032绞吸式挖泥船挖岩绞刀动载荷模拟分析李柏，焦修勤，黄睿，魏昂。贾德洁。刘永明，艾鑫，鲁宁斌(中国船舶重工集团公司第十二研究所，陕西兴平713102)摘要：综合绞吸式挖泥船工作时各种挖掘工艺参数、绞刀结构尺寸及疏浚岩石的切削原理，提出一种绞刀动载荷分析方法，利用VB编制了一套绞刀动载荷模拟分析软件，对wY一4200型绞刀进行模

2、拟分析，所得结果可为该设备的强度分析及挖掘工艺参数的制定提供参考依据。关键词：绞吸式挖泥船；挖岩绞刀；动载荷分析方法中图分类号：U674．31文献标志码：A文章编号i1671-7953(2013)05-0119-04绞吸式挖泥船前端可装配功率较大的挖掘装置(绞刀)，具有强大的挖掘能力，成为可挖掘高强度硬质岩石、挖掘效率高、环境污染小的岩石疏浚设备。作为与切削介质直接接触的挖掘装置，绞刀的结构设计很大程度上决定了绞吸式挖泥船的生产率和挖掘质量。绞刀轴功率是绞刀设计开发时极为重要的基本参数。现行的绞刀设计多采用活络齿结

3、构，即将绞刀齿按一定排布规律安装于绞刀之上，每把绞刀可安装数十个绞刀齿，而每个绞刀齿又都有相应的空间位置，且在绞刀运转过程中不断发生着变化。以上实时变化着的几十个绞刀齿的空间位置都直接影响着绞刀所需轴功率的计算⋯。除此以外切削介质性能、绞刀各种切削工艺参数也都影响着绞刀所需轴功率的计算。由此，绞刀所需轴功率较为复杂且不断变化旧』。本软件通过建立绞刀机构的数学模型，综合绞刀结构参数(每个绞刀齿实时变化的空间位置)、切削介质性能、绞刀各种切削工艺参数等上百种因素计算出绞刀切削产量、每个绞刀齿所承受实时的切削力及绞刀所需

4、轴功率，可为绞刀齿的结构强度分析提供所需要的力学数据。1绞刀所需轴功率计算机理1．1绞刀运动学模型的建立1．1．1绞刀结构尺寸数学模型的建立绞刀齿尖点位置三维空间坐标及绞刀齿切削收稿日期：2013—02—28修回日期：2013—03—10第一作者简介：李柏(1984一)，男，硕士生，工程师研究方向：疏浚工程船舶挖掘设备设计E-mail：libail234567890@126．COIII面的摆放角度见图1。’y-∑■

5、＼。／．／气KL价彦惟彭＼】一oZ僚忒、＼一犍矽zfI过Irb)俯砚图H。一齿尖高度，m；R。一齿尖

6、距旋转轴Y的半径，m；口一齿尖点半径R。与z轴夹角，(。)；K一刀齿切削面的摆放角，(。)图1绞刀齿尖点位置示意1．1．2绞刀运动学模型的建立绞刀总体运动可以近似分解为平动和转动，平动主要是沿绞刀行进方向随时间变化的运动，实际上在绞刀行进方向上的运动为绞刀头绕定位轴的旋转运动，因为绞刀直径相比于绞刀绕定位119第5期船海工程第42卷桩旋转的直径而言相对较小，所以可以近似看作是平动；转动即在挖岩过程中绕绞刀轴的转动。设平动方向为z轴，转动轴为y轴，口。为绞刀头横移速度。见图2。／／⋯’‘‘‘‘’‘-．．．．，}图2绞

7、刀运动示意如图1所示设定绞刀沿y轴方向分为i层，每层由，个刀齿组成，用向量[戈u，，，Y。．。，zu，。]1表示第i层第J个绞刀齿在t时刻的坐标；[z¨。，Ytm，气J．。，1]1表示[石u，f，YⅢ，毛J'。]T的齐次坐标。假设绞刀以口。平移同时以转速n绕Y轴逆时针旋转，经过时间t所转过的角度为2盯m，则其平动加转动的齐次坐标矩阵E为E=COS(2，rrnt)0一sin(2"rrnt)0010sin(2，rrnt)0cos(2"trnt)秽。·t01(1)通过上面的分析，得出了绞刀头旋转加平移运动的齐次变换矩阵，

8、因为绞刀齿是固定在绞刀头上随着绞刀头运动而运动，实际为刀齿的齐次变换矩阵。确定刀齿初始时刻的空间位置坐标后，再用组合的齐次变换矩阵左乘绞刀齿初始时刻的位置坐标矩阵就可以得到任意时刻刀齿的空间坐标。第i层第J个绞刀齿尖点的初始时刻的空间坐标可由式(2)所示的方程得出。限j，。2Rnsina{Yu．o=矾(2)L盈J．o2R。COSOl第i层第，个绞刀齿尖点t时刻的坐标为120cos(2wnt)0sin(2"trnt)00一sin(2"trnt)010cos(2wnt)Vs-t01掣(3)1．2绞刀齿破碎岩石时力学模型

9、的建立1．2．1绞刀切层厚度绞刀齿破碎岩石时力学模型建立的基础为绞刀运转过程中的切层厚度pJ。然而由于绞刀运动为平动加转动，其切层厚度d随着绞刀的运动在不断发生着变化，绞刀在运转过程中，切层厚度d与绞刀横移速度秽。、转速n和每层刀齿数量z以及绞刀齿当前时刻与z夹角0之间的关系示意于1'图3。其中a为绞刀的最大切层厚度，a一一vS。厂疋汀F∑影·oi￡一绞刀到