主動(dòng)耙頭關(guān)鍵技術(shù)研究

主要完成單位：中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司、中交上海航道局有限公司、中交上海航道 勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、中交上海航道裝備工業(yè)有限公司、中交天津航道局有限公司、中交廣州航道局有限公司

1、項(xiàng)目基本情況

耙吸挖泥船作為疏浚行業(yè)主力船舶，在各類(lèi)航道疏浚、港口建設(shè)、吹填造地工程項(xiàng)目中發(fā)揮著重要作用。然而，位于漫長(zhǎng)海岸線(xiàn)上的主要港口與進(jìn)港航道的底質(zhì)復(fù)雜多變，經(jīng)常會(huì)遇到密實(shí)板結(jié)粉土、細(xì)砂和硬質(zhì)黏土的情況，這些難挖的土質(zhì)直接影響耙吸挖泥船的生產(chǎn)效率和施工進(jìn)度。而耙頭作為耙吸挖泥船主要疏浚設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響到耙吸挖泥船生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)外高校、設(shè)計(jì)公司以及挖泥船制造商不斷對(duì)此進(jìn)行研制和開(kāi)發(fā)。由于技術(shù)保密和封鎖，我們只能了解國(guó)外耙頭先進(jìn)技術(shù)的概況，并不能獲得核心的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法，使得目前我國(guó)大型耙吸挖泥船耙頭的設(shè)計(jì)與建造水平與國(guó)外存在一定的差距，在耙頭設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中仍然處于“知其然，而不知其所以然”的狀態(tài)。因此，有必要大力開(kāi)展大型耙吸挖泥船高效耙頭的研制和開(kāi)發(fā)，來(lái)提高我國(guó)疏浚水平與核心競(jìng)爭(zhēng)力。

基于以上背景和現(xiàn)狀，該項(xiàng)研究采用理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算以及物理模型試驗(yàn)等方法，進(jìn)行主動(dòng)耙頭關(guān)鍵技術(shù)研究，優(yōu)化耙頭結(jié)構(gòu)形式，確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建新型高效主動(dòng)耙頭設(shè)計(jì)方法，形成系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)文件，基于相關(guān)研究成果編制國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2、技術(shù)難點(diǎn)和特點(diǎn)

該項(xiàng)研究旨在有效解決耙頭挖掘復(fù)雜土質(zhì)效率低、能耗高、易磨損的難題。由于存在土質(zhì)變化以及流體和土體相互耦合作用等諸多復(fù)雜關(guān)系的疊加，使得相關(guān)的理論分析、機(jī)理模型的建立和試驗(yàn)研究存在諸多難點(diǎn)。整個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)和應(yīng)用需要多學(xué)科技術(shù)的融合和多專(zhuān)業(yè)協(xié)作，對(duì)跨公司、跨部門(mén)協(xié)調(diào)合作也有較高的要求。

3、主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)

（1）發(fā)明了模擬耙吸船耙齒作業(yè)并進(jìn)行參數(shù)分析和測(cè)力的裝置，利用研制的模擬耙吸船耙齒切削試驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)研究了切削參數(shù)與切削阻力的關(guān)系，建立了切削參數(shù)與切削阻力的關(guān)系式，為新型耙齒的研制以及耙頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合物理模型試驗(yàn)，掌握了耙齒切削密實(shí)細(xì)砂過(guò)程中孔隙水壓力發(fā)生發(fā)展以及沿耙齒齒面規(guī)律，建立了孔隙水壓力與切削阻力的相關(guān)關(guān)系，首次全面系統(tǒng)地揭示了耙齒切削密實(shí)細(xì)砂剪脹機(jī)理。基于耙齒切削土體機(jī)理研究以及刀齒與土體粘附力測(cè)定方法相關(guān)成果，研制出適用于不同土質(zhì)的各類(lèi)耙齒。

（3）基于 CFD 數(shù)值模擬方法，首次建立了主動(dòng)耙頭三維全流場(chǎng)模型，掌握了耙頭內(nèi)部壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)分布規(guī)律，根據(jù)速度矢量和跡線(xiàn)圖，確定出耙頭內(nèi)部低流速渦流區(qū)域，對(duì)耙頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化， 最大程度減少了耙頭內(nèi)部渦流。

（4）研發(fā)與優(yōu)化了主動(dòng)耙頭的主要部件和控制系統(tǒng)，集成并構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型高效主動(dòng)耙頭設(shè)計(jì)方法，形成了系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)文件，編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《主動(dòng)耙頭技術(shù)要求》。

4、成果應(yīng)用

該項(xiàng)研究成果已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多家疏浚企業(yè)耙吸挖泥船耙頭的設(shè)計(jì)制作與升級(jí)改造。中港疏浚有限公司的眾多萬(wàn)方級(jí)以上安裝并升級(jí)改造了主動(dòng)耙頭的耙吸挖泥船，如“新海馬”輪、“新海虎 4”輪、“新海虎8”輪、“新海牛”輪、“航浚 4019”輪等，參與了長(zhǎng)江黃金水道深水航道整治維護(hù)工程、黃驊港航道建設(shè)和維護(hù)工程、洋山深水港區(qū)航道維護(hù)疏浚項(xiàng)目、濱州港海港港區(qū) 3 萬(wàn)噸級(jí)航道工程以及斯里蘭卡科倫坡港口城建設(shè)工程等國(guó)內(nèi)外眾多大型港口與航道建設(shè)。中交廣航疏浚有限公司與中交（天津）疏浚工程有限公司利用“萬(wàn)頃沙”輪、“浚海 1”輪、“浚洋 1”輪、“通程”輪、“通途”輪以及“通遠(yuǎn)”輪等裝有主動(dòng)耙頭的大型耙吸挖泥船，參與了包括廣州港深水航道拓寬工程、湛江港 30 萬(wàn)噸級(jí)航道改擴(kuò)建工程、連云港 30 萬(wàn)噸級(jí)航道工程、京唐港 25 萬(wàn)噸級(jí)航道疏浚工程、坦桑尼亞達(dá)港疏浚工程等國(guó)內(nèi)外眾多疏浚工程建設(shè)。其中，最具代表性的當(dāng)屬“浚洋 1”輪與“通程” 輪等多艘大型耙吸挖泥船共同參建的粵港澳大灣區(qū)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、廣州市建設(shè)國(guó)際航運(yùn)樞紐的“頭號(hào)工程”——廣州港深水航道拓寬工程，日均疏浚工程量超 10萬(wàn)立方米。

5、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

目前國(guó)內(nèi)外所使用的疏浚耙頭基本上都是主動(dòng)耙頭。在我國(guó)，從事疏浚施工的中交疏浚集團(tuán)所屬航道局以及長(zhǎng)江航道局等企業(yè)，每年改造或新造的主動(dòng)耙頭達(dá)到幾十個(gè)，尤其是近幾年隨著疏浚行業(yè)經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，新型高效主動(dòng)耙頭的設(shè)計(jì)制作量更是穩(wěn)步增加。以中交上海航道裝備工業(yè)有限公司為例，每年改造或者新制作的新型主動(dòng)耙頭就有將近 20 個(gè)，耙頭設(shè)計(jì)加工的產(chǎn)值超過(guò)千萬(wàn)元。工程應(yīng)用結(jié)果表明，安裝了新型高效主動(dòng)耙頭的耙吸挖泥船，平均施工效率提升了 10%以上，平均能耗降低了 5%以上，2018 年-2022 年期間， 產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益總額超過(guò) 10 億元。

該項(xiàng)研究成果有力推動(dòng)和提升了我國(guó)在耙齒切削機(jī)理研究以及主動(dòng)耙頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的技術(shù)積累和研發(fā)水平，為我國(guó)耙吸挖泥船耙頭性能發(fā)揮和智能化控制奠定了基礎(chǔ)，對(duì)提高我國(guó)疏浚創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，適應(yīng)“一帶一路”及國(guó)際化戰(zhàn)略要求，支持疏浚行業(yè)全球化經(jīng)營(yíng)，以及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要的意義。