一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法，所述挖掘产量与总破土深度、耙头宽度和耙头前进速度有关，所述总破土深度包括耙齿破土深度、射流破土深度，分别通过试验获得耙齿作业参数与耙齿破土深度的关系，以及射流作业参数与射流破土深度的关系，并基于此建立耙头挖掘产量计算模型，从而获得耙头挖掘产量的计算结果。该方法可以定量地知道这些作业参数对产量的影响效果，还可为耙头的设计、研究和制造提供重要的理论参考依据，也是提升耙头装备性能、解决实际施工问题的理论基础，有助于疏浚船舶的高质量发展。并且该方法已进行了实船测试，计算得到的产量值与传感器直接测量得到的产量值较为吻合，验证了该方法的可行性和准确性。性和准确性。性和准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法


[0001]本专利技术属于疏浚工程
，具体涉及一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法。

技术介绍

[0002]耙吸挖泥船主要由耙头、耙臂、泥泵和泥舱等设备组成，耙吸挖泥船在施工过程中首先会下放耙臂，让耙头与水下的泥面相接触，耙头通过耙头上的液压缸和耙头的自身重力作用将耙齿压入泥土中，并通过耙吸挖泥船的航行向前运动带动耙头实现挖掘，耙头挖掘的泥土在泥泵的抽吸作用下经过耙臂进入泥舱，待泥舱满足装载条件后耙吸挖泥船进行抛泥吹填。耙头作为耙吸挖泥船的主要挖掘设备，其挖掘性能的好坏直接关系到耙吸挖泥船的施工效率。
[0003]实际施工中，往往通过监测管道内的流量和浓度获得耙头产量，但这是耙头作业的结果，而为了通过调节耙头作业参数优化耙头产量，实现耙头智能化，就需要掌握耙头作业参数与耙头产量之间的关系。但耙头结构复杂，作业参数多，给解决该问题带来了一定的难度。
[0004]随着大数据技术的发展，有研究者将其应用到该问题中来，通过大量工程实测数据，建立了作业参数与耙头产量之间的关系，但这种方法受限于工程数据的准确性和范围，尤其是一旦参数超过实测数据范围，该方法预测精度就大打折扣(如文献：潘志伟，基于人工智能的耙吸挖泥船挖掘与泥水输送机理研究，硕士论文，江苏科技大学，2019)。
[0005]也有研究者通过分析耙头受力，结合刀齿切削机理和射流机理，建立挖掘深度计算模型。但该模型复杂，适用性较差(Kyle de Jonge,A trailing suction hopper dredge draghead production model,MsD,Delft University of Technology,2017)。
[0006]因此，有必要建立一种实用且相对简单的耙头挖掘产量计算模型。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就在于改进现有技术所存在的上述缺点和不足，从而提供一种新型的耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法，所述挖掘产量与总破土深度、耙头宽度和耙头前进速度有关，所述总破土深度包括耙齿破土深度、射流破土深度，分别通过试验获得耙齿作业参数与耙齿破土深度的关系，以及射流作业参数与射流破土深度的关系，并基于此建立耙头挖掘产量计算模型，从而获得耙头挖掘产量的计算结果。
[0010]进一步地，所述耙吸挖泥船挖掘产量计算方法包括以下步骤：
[0011]S1：耙齿破土深度的计算
[0012]S1
‑
1：获取耙头重力G
耙头
(N)、耙齿类型n
耙齿
、耙齿数量以及耙齿入土角度α(
°
)四个参数；
[0013]S1
‑
2：计算耙齿破土深度H
齿
(cm)：
[0014]耙齿贯入力F
贯入
(N)为地面对耙齿的支反力，对于任一结构和布置确定的耙头耙臂系统，耙齿贯入力F
贯入
与耙头重力G
耙头
存在如下关系：
[0015]F
贯入
＝k
贯入
·
G
耙头
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0016]式(1)中，k
贯入
为贯入力系数；
[0017]耙齿破土深度H
齿
(cm)与耙齿入土角度α(
°
)、耙齿贯入力F
贯入
(N)和耙齿数量n
耙齿
关系如下：
[0018][0019]式(2)中，参数k1、k2通过试验获得；
[0020]S2：射流破土深度的计算
[0021]S2
‑
1：获取射流流量Q(m3/h)、喷嘴直径D(cm)、喷嘴移动速度V(m/s)，也即耙头前进速度，以及土体强度S
u
(kPa)四个参数；
[0022]S2
‑
2：计算射流破土深度H
射流
(cm)
[0023]射流破土深度H
射流
(cm)与喷嘴直径D(cm)、射流流量Q(m3/h)、喷嘴移动速度V(m/s)，以及剪切强度S
u
(kPa)的关系如下：
[0024][0025]式(3)中，a、b为拟合参数，通过试验确定；
[0026]S3：总破土深度计算
[0027]破土深度H
总
(m)为：
[0028]H
总
＝(H
齿
+H
射流
)*0.01
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]S4：耙头总挖掘量计算
[0030]耙头总挖掘量P
耙头总挖掘量
(m3/h)与总破土深度H
总
(m)、耙头宽度W(m)和耙头前进速度V(m/s)的关系如下：
[0031]P
耙头总挖掘量
＝3600
·
W
·
H
总
·
V
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；
[0032]S5：耙头总产量计算
[0033]耙头总产量P
耙头总产量
(m3/h)根据下式计算：
[0034]P
耙头总产量
＝k
吸入
·
P
耙头总挖掘量
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0035]式(6)中，k
吸入
为耙头吸入系数，定义为耙头总产量和耙头总挖掘量之比，可通过物理实验确定耙头吸入系数取值。
[0036]进一步地，所述k
贯入
的取值范围在0.3～0.8之间。
[0037]进一步地，对于不同的耙齿类型、土质，所述k1、k2不同，对于粉砂土质，取值见下表：
[0038] 窄齿宽齿k1‑
7.5
‑
4k2810591.33。
[0039]本专利技术的耙吸挖泥船耙头产量计算方法的有益效果：
[0040](1)本专利技术从机理上分析了耙头产量的构成，并通过试验的方法获得了作业参数与产量的定量关系，建立了半经验计算公式，得到了最终吸入管道的产量。如果说通过管道上的浓度计和流量计直接测量得到的产量为“果”，那么通过该方法分析计算得到的耙头产量即为“因”。前者只能获得产量的值，虽相对比较准确，但只能定性的知道作业参数对产量存在影响，具体影响规律并不清楚；而后者可以定量的知道这些作业参数对产量的影响效果，这可以为耙头的设计、研究和制造提供重要的理论参考依据，也是提升耙头装备性能、解决实际施工问题的理论基础，有助于疏浚船舶的高质量发展。
[0041](2)该方法在某耙吸挖泥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法，其特征在于，所述挖掘产量与总破土深度、耙头宽度和耙头前进速度有关，所述总破土深度包括耙齿破土深度、射流破土深度，分别通过试验获得耙齿作业参数与耙齿破土深度的关系，以及射流作业参数与射流破土深度的关系，并基于此建立耙头挖掘产量计算模型，从而获得耙头挖掘产量的计算结果。2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船耙头挖掘产量计算方法，其特征在于，所述耙吸挖泥船挖掘产量计算方法包括以下步骤：S1：耙齿破土深度的计算S1
‑
1：获取耙头重力G
耙头
(N)、耙齿类型、耙齿数量n
耙齿
、以及耙齿入土角度α(
°
)四个参数；S1
‑
2：计算耙齿破土深度H
齿
(cm)：耙齿贯入力F
贯入
(N)为地面对耙齿的支反力，对于任一结构和布置确定的耙头耙臂系统，耙齿贯入力F
贯入
与耙头重力G
耙头
存在如下关系：F
贯入
＝k
贯入
·
G
耙头
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；式(1)中，k
贯入
为贯入力系数；耙齿破土深度H
齿
(cm)与耙齿入土角度α(
°
)、耙齿贯入力F
贯入
(N)和耙齿数量n
耙齿
关系如下：式(2)中，参数k1、k2通过试验获得；S2：射流破土深度的计算S2
‑
1：获取射流流量Q(m3/h)、喷嘴直径D(cm)、喷嘴移动速度V(m/s)，也即耙头前进速度，以及土体强度S
u
(kPa)四个参数；S2
‑
2：计算射流破土深度H
...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹纪富，周忠玮，舒敏骅，陆寅松，刘功勋，王费新，冒小丹，洪国军，邢津，梁鑫，程书凤，王健，
申请(专利权)人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：