耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统的制作方法

本发明属于疏浚工程试验技术领域，涉及一种耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统。

背景技术：

耙吸挖泥船是疏浚工程领域使用最广泛的一种船型，传统型耙头是其在水下挖掘泥土、砂石等土质的主要设备。传统耙头是在活动罩下整排装配耙齿，作业时耙齿在耙头自重和弹簧支杆压力作用下嵌入泥土中，随后受耙臂拉动破碎泥土。工程实践中发现传统耙头在挖掘岩石等坚硬土质时，耙齿的破土能力受到限制，耙齿切削能力不足，同时挖掘深度有限，挖泥船施工效率大大降低。

为了解决上述问题，提高耙头施工效率，对传统耙头挖掘泥土方式进行改进，提出了滚刀耙头的设计，即将耙齿安装在滚筒上，耙齿挖掘泥土时做旋转和平移运动，增大耙齿切削泥土的切削力。对于滚刀耙头，耙头的设计航速、滚筒转速、扭矩的大小选择尤为重要。

目前，滚刀耙头在实际耙吸挖泥船施工过程中存在挖掘功率不匹配、挖掘作业面不平整，甚至是难以用于某些施工工况作业环境，原因在于尚未具备耙吸挖泥船滚刀耙头的施工参数标定的实验能力，未能研发出标定滚刀耙头施工参数的试验系统，即无法针对作业泥土性质和耙吸挖泥船航行速度提出高效率的滚刀耙头转速，因此开展相应试验系统的研究至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统，能够测力扭矩、转速、功率、角度及其匹配特性等参数，并通过试验研究滚刀耙头设计中耙头航速、滚刀转速、扭矩大小选择与作业土质的匹配关系，为设计高效的滚刀耙头提供参考。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统，包括支撑架、耙齿、耙齿滚筒、扭矩角度传感器、滚筒联轴器、马达联轴器、液压马达、摆动架、旋转接头、桁车、耙臂、高压水泵、采集卡、处理终端。

液压马达、扭矩角度传感器、耙齿滚筒依次安装在支撑架下方，且液压马达的输出轴通过马达联轴器与扭矩角度传感器的输入轴连接，扭矩角度传感器的输出轴通过滚筒联轴器与耙齿滚筒的一端连接；耙齿滚筒的外侧装配有若干排耙齿，且耙齿滚筒可绕其轴线转动，并带动耙齿切削泥土；耙齿滚筒的另一端通过旋转接头与高压水泵连接，且耙齿滚筒的表面沿轴向设置有一定数量的喷嘴，高压水泵向耙齿滚筒内输入高压水并经喷嘴喷出，达到清洁耙齿和辅助切割泥土的功能。

进一步，支撑架安装在摆动架下方，桁车通过耙臂与摆动架连接，摆动架可以绕其水平轴转动，并带动整个装置摆动；桁车底部装有滑轮，可在试验平台波流水槽上航行，波流水槽底部铺设有试验泥土。

进一步，摆动架可以绕其自身的水平轴转动，带动整个试验系统摆动，以垂向为0°，转动角度为0°～50°。

进一步，耙齿滚筒为圆筒形结构，可绕其自身中心轴线做转动，耙齿滚筒的表面沿轴向设置有一定数量的喷嘴，工作中由喷嘴喷射高压水。

进一步，耙齿滚筒的两端通过轴承和轴承座限位，且所述轴承座固定安装在支撑架下方。

进一步，轴承为滚动轴承，其两端带有橡胶密封，可在水下工作。

进一步，耙齿为近似于“L”型的；且耙齿具有窄齿和宽齿两种型式，其安装在耙齿滚筒上，安装角度可以根据系统测试要求进行调整，松软试验土或者需求切削深度较小，可以选择小角度安装，土质稍硬或切削深度较大，可以选择大角度安装。

进一步，滚筒联轴器可以采用弹性联轴器，其两端有平键槽，连接耙齿滚筒和扭矩传感器。

进一步，马达联轴器可以采用弹性联轴器，其两端有平键槽，连接液压马达输出轴和扭矩传感器。

进一步，旋转接头可以绕其自身轴线任意角度旋转，且系统工作状态下不影响耙齿滚筒的旋转。

进一步，桁车通过底部的滑轮在试验的波流水槽上按设计航速移动。

进一步，扭矩角度传感器是将扭矩传感器和角度传感器组装在一起，角度传感器套在扭矩传感器右侧的输出轴上，角度传感器的接收器贴在扭矩传感器上；本发明中，扭矩角度传感器用于测量滚刀的扭矩值、转速和耙齿转动过程中相对垂向的角度。

处理终端包括驱动模块、测量模块和处理模块；驱动模块用以控制液压马达、摆动架、桁车工作；测量模块通过采集卡获取扭矩角度传感器测得的滚刀的扭矩值、转速和耙齿转动过程中相对垂向的角度数据；处理模块与测量模块连接，用于计算耙齿切削的功率和泥土挖掘量，并根据泥土挖掘量判定试验合规性，及针对设计航速确定滚刀的最佳扭矩和最佳转速范围。

进一步，处理模块根据滚刀的扭矩和转速计算耙齿切削的功率。

进一步，处理模块根据滚刀滚齿运动轨迹方程绘制滚刀滚齿运动轨迹曲线，确定泥土挖掘量。其中，滚刀滚齿运动轨迹方程根据航速和滚刀的转速设计，具体如下：

xk＝-x0-R·sin[wt+2π/z·(k-1)]

yk＝-R·cos[wt+2π/z·(k-1)]

其中，x0表示航速引起的水平位移，xk表示第k排(k＝1～z)耙齿在前进方向上移动的水平距离，yk表示第k排耙齿距离泥面的高度，R表示从耙齿滚筒中心到耙齿的半径，w表示耙齿滚筒转动的角速度，t表示运动的时间，z表示耙齿滚筒截面上耙齿的总排数。

进一步，根据滚刀滚齿运动轨迹方程绘制滚刀滚齿运动轨迹曲线，其中，横坐标表示耙齿在前进方向上移动的水平距离，纵坐标表示第k排耙齿距离泥面的高度，不同曲线表示耙齿滚筒上不同位置的耙齿的轨迹。多组曲线下方未能叠加到的区域即为未能挖掘的泥土量，用挖深计算总体积减去未能挖掘的泥土量即可得到泥土挖掘量。

在本发明中，选择绞刀绕轴线滚动圆周运动参数和滚刀水平横移进给运动参数为标定参数，圆周运动参数和进给参数的匹配对滚刀切削泥土的效率至关重要，滚动圆周运动参数对应于转速，滚刀水平横移进给运动参数对应于航速。航速作为已知条件，同一航速下不同转速对应着不同的功率和泥土挖掘量，航速快、转速低可能会造成耙头在泥面上拖过，或泥土挖掘量不足，因此以泥土挖掘量作为一个考核指标，挖掘量需要达到某一比例以上，才是有效的转动切削，这样就会通过试验记录的多组数据匹配得到标定结论：在某一航速a m/s下，滚刀的转速需≥b r/min才能达到一定比例(％)的转动挖掘量。进一步，考虑耙齿切削的功率，即最优工作效率，进而得到滚刀的最佳转速。

进一步，处理模块根据泥土挖掘量判定试验合规性，即判断泥土挖掘量是否达到考核指标；并根据泥土挖掘量和耙齿切削的功率针对设计航速匹配出最佳扭矩和最佳转速范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：实现滚刀耙头的设计、不同种类耙齿的安装更换和角度调节，有效解决滚刀耙头在不同工况下切削土质扭矩、转速、功率、角度多参数测量问题，建立耙齿角度与切削厚度、切削力的关系，并将航速、泥土挖掘量与扭矩、转速、功率匹配，总结不同航速、挖掘量与扭矩、转速、功率、角度的规律关系，为研究高效的滚刀耙头挖掘泥土装置提供参考。

附图说明

图1为传统耙头的结构示意图；

图2为本发明提供的试验系统的侧视图；

图3为本发明提供的滚刀耙头的立体图；

图4为本发明提供的滚刀耙头的主视图；

图5为本发明提供的支撑架的立体图；

图6为本发明提供的轴承座的剖面图；

图7为本发明提供的耙齿的外形图；

图8为本发明提供的耙齿滚筒的立体图；

图9为本发明提供的试验方法的实施流程图。

图10为本发明提供的滚刀滚齿运动轨迹曲线图；横坐标表示耙齿在前进方向上移动的水平距离，纵坐标表示第k排耙齿距离泥面的高度；不同曲线表示耙齿滚筒上不同位置的耙齿的轨迹。

图中数字标记：

传统耙头100，活动罩101，传统耙齿102；

支撑架1，液压马达安装座1a，扭矩角度传感器安装座1b，轴承安装座1c，轴承座2，弹性橡圈2a，轴承3，耙齿4，耙齿滚筒5，扭矩角度传感器6，滚筒联轴器7，马达联轴器8，液压马达9，摆动架10，旋转接头11，桁车12，耙臂13、滑轮14、试验泥土15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是传统耙头的结构示意图，传统耙头100是在活动罩101下整排装配传统耙齿102的，作业时传统耙齿102在耙头自重和弹簧支杆压力作用下嵌入泥土中，随后受耙臂拉动破碎泥土。工程实践中，传统耙头100在挖掘岩石等坚硬土质时，传统耙齿102的破土能力受到限制，耙齿切削能力不足，同时挖掘深度有限，挖泥船施工效率大大降低。

而本发明提出了滚刀耙头试验方案，将耙齿安装在滚筒上，耙齿挖掘泥土时做旋转和平移运动，增大了耙齿切削泥土的切削力，并研究了滚刀耙头在不同工况下切削土质扭矩、转速、功率、角度多参数测量问题，绘制滚刀滚齿运动轨迹曲线，建立耙齿角度与切削厚度、切削力的关系，并将航速、泥土挖掘量与扭矩、转速、功率匹配，总结不同航速、挖掘量与扭矩、转速、功率、角度的规律关系，为研究高效的滚刀耙头挖掘泥土装置提供参考。

如图2至图8所示，一种耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统，包括支撑架1、耙齿4、耙齿滚筒5、扭矩角度传感器6、滚筒联轴器7、马达联轴器8、液压马达9、摆动架10、旋转接头11、桁车12、耙臂13、高压水泵、采集卡、处理终端。

其中，支撑架1，用来安装试验系统的零部件；液压马达9，水平安装在支撑架1的安装座板上，为试验系统提供动力；马达联轴器8连接液压马达9和扭矩角度传感器6；滚筒联轴器7连接扭矩角度传感器6和耙齿滚筒5；扭矩角度传感器6顶部安装固定在支撑架1上，其水平轴通过联轴器分别与液压马达9和耙齿滚筒5连接；耙齿滚筒5的两端通过轴承3和轴承座2限位，耙齿滚筒5的右端轴连接旋转接头11，耙齿滚筒5上安装耙齿4，耙齿4为近似于“L”型的，耙齿滚筒5工作时绕自身轴线旋转，带动耙齿4切削试验泥土15；旋转接头11连接高压水泵，高压水泵向耙齿滚筒5内输入高压水，高压水从耙齿滚筒5的喷嘴内喷出辅助切割试验泥土15；支撑架1焊接在摆动架10上；桁车12通过耙臂13与摆动架10连接，桁车12底部设置滑轮14以实现整个试验系统在波流水槽上按设计航速移动。

进一步，支撑架1是具有一定承载能力的钢结构，采用焊接方式固定在摆动架10上，支撑架1上设置有液压马达安装座1a、扭矩角度传感器安装座1b、轴承安装座1c，如图4所示；其中液压马达安装座1a用于安装液压马达9，扭矩角度传感器安装座1b用于安装扭矩角度传感器6，轴承安装座1c用于安装耙齿滚筒5。

进一步，摆动架10可以绕水平轴转动，带动整个试验系统摆动，以垂向为0°，转动角度为0°～50°。

进一步，桁车12底部的滑轮14可以安装两排。

进一步，耙齿滚筒5的两端通过轴承3和轴承座2限位，且所述轴承座2固定安装在支撑架1下方。

进一步，轴承3为滚动轴承，其两端带有橡胶密封，可在水下工作。

进一步，轴承座2与轴承3之间设置有弹性橡圈2a，起到密封作用。

进一步，耙齿4具有窄齿和宽齿两种型式，安装在耙齿滚筒5上，安装角度可以根据系统测试要求进行调整。

进一步，耙齿滚筒5为圆筒形结构，可绕其自身中心轴线做转动，耙齿滚筒5表面沿轴向设置有一定数量的喷嘴，工作中喷嘴中喷射高压水。

进一步，处理终端包括驱动模块、测量模块和处理模块；驱动模块用以控制液压马达9、摆动架10和桁车12工作；测量模块通过采集卡收集数据；扭矩角度传感器6可以通过无线射频信号或电磁脉冲信号实时测量滚刀的扭矩值、转速和耙齿4转动过程中相对垂向的角度，并将数据传输到采集卡实时记录数据；处理模块与测量模块连接，用以计算耙齿切削的功率和泥土挖掘量，根据泥土挖掘量判定试验合规性，及针对设计航速确定滚刀的最佳扭矩和最佳转速范围。

本发明提供的耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统的试验方法，如图9所示，包括如下过程：

(1)在波流水槽中铺设试验泥土，安装调试试验系统；

(2)调节桁车12和摆动架10，使耙齿4移动到预定的位置，安装在耙齿滚筒5上的耙齿4与波流水槽中的试验泥土接触；

(3)根据试验土质选定扭矩角度传感器6的档位，中质黏土及以下便于疏浚泥土采用低扭矩档位，其他泥土采用高扭矩档位，设定驱动航速和耙齿滚筒转速；

扭矩角度传感器6设置有两档，即低扭矩档和高扭矩档，每档能够测量的扭矩值具有一定的范围，扭矩值是跟土质直接相关的，因此在启动测量模块前需要根据土质选择好扭矩角度传感器6的测量档位。

(4)启动驱动模块和测量模块，桁车12以系统设定航速沿波流水槽向前移动，通过耙臂13带动与之连接的摆动架10及摆动架10上安装的部件以相同速度向前移动，与试验泥土15接触的耙齿4受到摩擦力的作用，使得耙齿滚筒5绕轴承3转动，带动耙齿4转动前进，切削试验泥土15；

(5)在耙吸挖泥船滚刀耙头试验系统前进切削试验泥土15的试验过程中，固定在支撑架1上的扭矩角度传感器6通过无线射频信号或电磁脉冲信号，实时采集滚刀的扭矩、转速和耙齿4转动过程中相对垂向的角度，并将这些数据传输到采集卡记录，与之对应的航速也同时匹配记录；

(6)启动处理模块计算耙齿切削的功率和泥土挖掘量；

(6.1)根据滚刀的扭矩和转速计算耙齿切削的功率并记录；

(6.2)根据滚刀滚齿运动轨迹方程绘制滚刀滚齿运动轨迹曲线，确定泥土挖掘量；

本发明提出的滚刀滚齿运动轨迹方程，具体如下：

xk＝-x0-R·sin[wt+2π/z·(k-1)]

yk＝-R·cos[wt+2π/z·(k-1)]

其中，x0表示航速引起的水平位移，xk表示第k排(k＝1～z)耙齿在前进方向上移动的水平距离，yk表示第k排耙齿距离泥面的高度，R表示从耙齿滚筒中心到耙齿的半径，w表示耙齿滚筒转动的角速度，t表示运动的时间，z表示耙齿滚筒截面上耙齿的总排数。

根据上述滚刀滚齿运动轨迹方程绘制的滚刀滚齿运动轨迹曲线，如图10所示，其中，横坐标表示耙齿在前进方向上移动的水平距离，纵坐标表示第k排耙齿距离泥面的高度，不同曲线表示耙齿滚筒上不同位置的耙齿的轨迹。

滚刀滚齿运动轨迹方程与滚刀的转速及航速有关，通过滚刀滚齿运动轨迹曲线可以直观反映：滚刀的转速越大，相邻曲线越近(看起来越密集)；转速越小，相邻曲线越远(看起来越稀疏)；航速越大，曲线的环形越长(看起来越扁平)；航速越小，曲线的环形越短(看起来更压缩)。多组曲线下方未能叠加到的区域即为未能挖掘的泥土量，用挖深计算总体积减去未能挖掘的泥土量即可得到泥土挖掘量。

参照图10所示，每排齿曲线下方的小三角区域是该排齿挖不到的泥土，通常后一排齿会挖掉一部分前一排齿挖不掉的泥土；如果最后一排齿的曲线不能覆盖到第一排齿下方的小三角，则这部分泥土没有办法挖掉，据此计算挖掘深度范围内的挖掘比例。

(7)调整单参数变化，即在同一驱动航速下调整耙齿滚筒转速，完成单参数测量，通过处理模块根据泥土挖掘量判定试验合规性，即判断泥土挖掘量是否达到考核指标，若达到则试验合规，若达不到则试验不合规，在试验合规的情况下，继续多组试验，记录不同组合的滚刀耙头航速、扭矩、转速、功率、角度和泥土挖掘量数据，再通过处理模块根据泥土挖掘量和耙齿4切削的功率针对设计航速匹配最佳扭矩和最佳转速范围，完成参数标定，在试验不合规的情况下，回到步骤(3)重新设定驱动航速和耙齿滚筒转速进行试验。

本发明中，所述参数标定所选参数为绞刀绕轴线滚动圆周运动参数和滚刀水平横移进给运动参数，圆周运动参数和进给参数的匹配对滚刀切削泥土的效率至关重要，滚动圆周运动参数对应于转速；滚刀水平横移进给运动参数对应于航速，航速作为已知条件，同一航速下不同转速对应着不同的功率和泥土挖掘量，航速快、转速低可能会造成耙头在泥面上拖过，或泥土挖掘量不足，因此以泥土挖掘量作为一个考核指标，挖掘量需要达到某一比例以上，才是有效的转动切削，这样就会通过试验记录的多组数据匹配得到标定结论：在某一航速a m/s下，滚刀的转速需≥b r/min才能达到一定比例(％)的转动挖掘量。进一步，考虑耙齿切削的功率，即最优工作效率，进而得到滚刀的最佳转速。

本发明中，滚刀耙头系统根据土质和试验规划进行参数匹配，对地航速、耙齿挖掘厚度、滚刀齿切削厚度、滚刀直径和切削层厚度这些参数均是试验设定参数，当量航速和计算转速则是通过试验记录的多组数据匹配得到的标定结论。如针对轻质黏土进行耙吸挖泥船滚刀施工参数的实验测量模块的设计参数选择如下：

其中，计算转速是通过本发明提供的试验方法确定的最佳转速，当量航速则通过计算转速进一步计算得到。

在上述针对轻质黏土进行耙吸挖泥船滚刀施工的实施例中，传统耙齿切削厚度D1为50mm，本发明滚刀耙头切削厚度D2可以达到160mm；传统耙头对地航速V1为1.02m/s时，保持挖掘量相同的条件下：V1*D1＝V2*D2,即1.02*50＝V2*160，计算得到当量航速V2＝0.32m/s；以0.32m/s作为桁车设定航速，开展试验，采用本发明提供的试验方法，通过多组试验匹配得到滚刀最佳转速为64r/min。

综上可知，本发明可以设定航速和滚筒转速；可以根据需要更换耙齿；可以实现在切削过程中实时采集耙齿扭矩、转速、功率、角度数据(扭矩传感器是现有的，用于其他领域和方面)；能够实现参数匹配，得出规律，并通过控制指标得出最佳匹配参数。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。