基于Pro_E的绞吸式挖泥船吸泥管和排泥管作业过程仿真毕设论文.doc
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1、 学号 0961010130 年级 朱成川 毕业设计论文基于Pro/E的绞吸式挖泥船吸泥管和排泥管作业过程仿真 process simulation of suction pipe and exhaust pipe in suction dredger Based on Pro/E 专 业 机械工程及自动化 姓 名 朱成川 指导教师 许焕敏 评 阅 人 2013年6月中国 常州郑 重 声 明本人呈交的毕业设计(论文),是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计(论
2、文)所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本设计(论文)的知识产权归属于培养单位。本人签名: 日期: 摘要绞吸式挖泥船是现代疏浚工程中应用最为广泛的工具之一,它集土质挖掘、沙水混合、泥浆输送等疏浚工序于一体,具有较高的施工效率和良好的适应性,主要应用于沿海、内河的港口航道建设与维护、临海工业区吹填工程、水利防洪清淤、环境保护与改善、海洋资源开发等方面。吸泥管和排泥管是绞吸式挖泥船的重要组成部分,在吸泥管和排泥管之间有一台或数台大功率离心泵,水下的沙石受到绞刀的剪切,然后由于离心泵的作用,使得沙石被从水底抽出,通过吸泥管道和排泥管道输送至预定地区,整个过程吸泥管和
3、排泥管都发挥了重要的作用。实际疏浚过程的工况复杂多变,吸泥管和排泥管中的泥浆特性也非常复杂,模拟出吸泥管和排泥管中泥浆的输送过程显得尤为重要。本文主要运用Pro/E软件对绞吸式挖泥船吸泥管和排泥管的作业过程进行演示仿真,通过动画来演示绞吸式挖泥船吸泥和排泥的过程。关键词:绞吸式挖泥船;泥浆输送;演示仿真AbstractCutter-suction dredger is one of the most widely used tool in modern dredging project , it combines the soil excavation, mixed sand water, s
4、lurry transportation dredging process at an organic whole,and has high construction efficiency and good adaptability,mainly used in coastal and inland river port channel construction and maintenance,seaside industrial park land reclamation project, flood control and clearing silt, environmental prot
5、ection and improvement, and development of Marine resources, etc.Suction pipe and the exhaust pipe is an important part of ground suction dredger.Between the suction pipe and exhaust pipe has one or several powerful centrifugal pump, the sand and water cut by cutter, and then due to the role of the
6、centrifugal pump, made the sand from the bottom, through the suction pipe and dredge pipeline to reserve area, the whole process of suction pipe and exhaust pipe are play an important role.Actual dredging process condition is complicated, the suction pipe and exhaust pipe mud properties are very com
7、plex, and simulate the mud in the suction pipe and exhaust pipe conveying process is particularly important. In this paper, using the Pro/E software to demonstrate the simulation of suction dredger suction pipe and the exhaust pipe work process, through the animation demo suction dredger dredging .K
8、eywords: cutter-suction dredger; Mud pump; Demonstrate the simulation;目 录第一章 绪论61.1 绞吸式挖泥船61.1.1 课题研究背景61.1.2 绞吸式挖泥船的优点61.1.3世界绞吸式挖泥船发展现状71.2设计意义71.3本章小结8第二章 模拟仿真过程82.1分析绞吸式挖泥船82.1.1绞吸式挖泥船的施工工作原理82.1.2绞吸式挖泥船中的吸泥管与排泥管102.1.3绞吸式挖泥船的吸扬系统112.2设计思路13第三章 设计方法133.1 Pro/Engineer软件133.1.1 Pro/Engineer软件的介绍13
9、3.1.2常用模块介绍153.2 Pro/E的操作界面163.3运用Pro/E画出吸泥管、排泥管和泥泵203.3.1吸泥管203.3.2排泥管223.3.3泥泵223.3.4水流243.4零件的装配263.5本章小结27第四章 实现过程284.1疏浚仿真模拟284.1.1国内外疏浚仿真现状284.1.2疏浚仿真系统的分类与用途284.2演示仿真29第五章 结束语35参考文献36第一章 绪论1.1 绞吸式挖泥船1.1.1 课题研究背景 我国海岸线绵长,江河湖库众多,挖泥船作为一种通过使用机械设备进行水下泥沙等沉积物挖取的工程船舶,不仅应用于港口码头建设、航道疏浚,还广泛用在水利清淤、堤岸防护、建
10、筑取砂、围海造地、海底开沟回填和水域环保等多项领域。随着我国改革开放的不断加深,尤其是海岸线上沿海经济的高速发展,大量深水港口需要建造、大批围海造地工程需要疏浚,使得大中型挖泥船越来越受到青睐。内河小型挖泥船也在南水北调工程、京杭运河整治、内河水利工程逐渐受到重视的同时展现出了良好的发展前景。绞吸式挖泥船是现代疏浚工程中应用最为广泛的工程船舶之一,它集土质挖掘、沙水混合、泥浆输送等疏浚工序于一体,具有较高的施工效率和良好的适应性,主要应用于沿海、内河的港口航道建设与维护、临海工业区吹填工程、水利防洪清淤、环境保护与改善、海洋资源开发等方面。1.1.2 绞吸式挖泥船的优点绞吸式挖泥船具有以下优点
11、:A. 挖掘范围广,从淤泥到高塑粘土,甚至一些软弱岩石,它都能挖掘;B. 生产过程连续,产量高;C. 作业时操作人员较少;D. 大多数绞吸式挖泥船只包含有限的设备(如浮筒、泥泵、绞车等),因此操作维修方便。正是由于绞吸式挖泥船具有上述优点,许多疏浚工程项目都是由绞吸式挖泥船来完成的。1.1.3世界绞吸式挖泥船发展现状世界疏浚行业随着港口的发展经历了从繁荣到萧条的变化,绞吸式挖泥船的状况亦发生了深刻的变化。七十年代末、八十年代初大型绞吸式挖泥船得到迅速的发展,由于中东深水港的建设需要开挖大量坚硬的土质和岩石,且疏浚区域大都在无掩护的海区,常规的小型绞吸式挖泥船不能开挖这些土质,因此满足生产能力高
12、、绞刀功率大、结构强度高的大型自航式绞吸式挖泥船得到迅速发展。近年来,绞吸式挖泥船的挖泥机得到不断改进,从而改善了挖泥船的性能,提高了挖泥效率。并且绞吸式挖泥船的自动化程度不断提高,绞吸式挖泥船自动化控制系统首先于1980年安装在我局进口的“海狸4G00”型挖泥船上,而后又于1983年在“Noordzee”号和“Hearlem”两艘挖泥船上安装新式的自动化控制系统。目前大中型绞吸式挖泥船普遍装有电子计算机控制的自动控制系统。据我国资料介绍,挖泥船实现自动化后,对绞吸式挖泥船生产率可提高5-15%。随着疏浚领域扩大、工程要求的提高,新型、小型挖泥船有了很大的发展。特别是在目前世界疏浚市场萧条的状
13、况下,步移式自升平台型、半潜式绞吸式挖泥船的出现,使挖泥船的作业区域由内河、沿海港湾向外海发展提供了可能,小型、组合型绞吸式挖泥船发挥了它调遣灵活、费用低等优点,满足了狭窄运河、沟渠、池塘、湖泊等疏浚需要。1.2设计意义从上世纪90年代初起,我国的疏浚工业开始步入了一个以高新技术为目标的快速发展时期。一大批高新技术含量的现代船舶相继投入使用,并在不同的工作岗位上,发挥着越来越重要的作用,目前世界上绝大多数的疏浚工程都是有绞吸式挖泥船工作来完成的。绞吸式挖泥船具有连续的挖掘和输送泥浆的特点,因而具有广泛的实用性和较高的经济性。在生产实践中,水下土质的差异及河道的环境有所不同,使得挖泥船在实际操作
14、过程中的疏浚工况和疏浚作业比较复杂,而且大型的疏浚设备成本较高、价格昂贵,这就要求操作人员事先应该接受专业的岗位培训和操作指导,了解绞吸式挖泥船的工作原理和工作过程,熟悉疏浚设备的基本特性,为正确操控绞吸式挖泥船,实现安全高效疏浚提供技术保证。所以模拟仿真绞吸式挖泥船的操作过程在技术人员岗位培训中发挥重要作用,在疏浚工业发达的荷兰、美国、日本等国家,绞吸式挖泥船疏浚仿真一直是研究的重点,我国疏浚仿真研究相对比较薄弱,所以在高等教育过程中对以该方面为课题,进行模拟或者研究显得尤为重要。本次毕业设计我的课题是基于Pro/E的绞吸式挖泥船吸泥管和排泥管过程模拟仿真,也就是绞吸式挖泥船的吸扬系统,主要
15、模拟演示吸泥和排泥的过程。1.3本章小结本章主要论述了本次毕业设计的课题研究背景和绞吸式挖泥船的发展历史和现状,以及绞吸式挖泥船在江河湖海疏浚过程中的重要性。对有关绞吸式挖泥船的文献进行了综述和概括,并对本次毕业设计的意义进行了总结和探讨,叙述了本次毕业论文的主要内容第二章 模拟仿真过程2.1分析绞吸式挖泥船2.1.1绞吸式挖泥船的施工工作原理绞吸式挖泥船的施工工作原理是挖泥船就位后,采用钢桩定位横挖施工法进行疏浚吹填施工,它是以一根落在挖槽中心线上的主定位桩作为船体旋转中心,依靠横移的作用使绞刀在挖槽宽度内作左右横向往返摆动,使绞刀分层切削开挖断面土层的施工方法。调整左右横移绞车,收放横移缆
16、的快慢与停止,使绞刀移动速度改变及改变绞刀在断面上不同的切削位置。然后通过泥浆泵吸入经排泥管线把泥水混和物输送到指定的吹填区。绞吸式挖泥船利用挖泥等机械设备根据河湖设计疏浚区要求开挖,并将疏浚弃土通过排泥管道水力输送到堤身背水侧结合填塘压浸;它既有利于扩大行洪断面,又有利于防止基础管涌破坏。图2.1 绞吸式挖泥船三维图图2.2绞吸式挖泥船结构图在正常的施工作业过程中,挖泥船的作业动作一般如下:在当前开挖断面的挖槽中心线上将绞刀下放至适当深度,横移绞车在锚与主定位桩的配合下,通过缆索使绞刀与船体一起以主定位桩为中心从挖槽中心线以弧形轨迹运动,绞刀以一定速度连续转动并切削接触到的泥层,同时通过泥泵
17、将被切削土壤和水的混合物吸入泥浆管道并输送到预定处理场所。当完成一层土壤的切削后,将绞刀继续下放一定深度,然后开始下一层作业。当绞刀切削完了一个断面的所有泥层后,通过台车液压缸使船体沿当前挖槽开挖中心线前进一个步长,继续开挖下一断面。当台车液压缸达到其伸出极限长度时,收回台车液压缸,提起斗桥和绞刀,通过协调操作主、辅定位桩和台车液压缸,使定位桩和船体一起沿当前挖槽开挖中心线前进一个较大的步长。然后在新的位置继续作业。当挖泥船经过几次进桩后,若原来的锚位已不利于挖泥操作时,则应利用锚机、吊锚杆等装置将锚吊起,再抛至新的位置,以便继续作业。2.1.2绞吸式挖泥船中的吸泥管与排泥管在这次毕业设计中,
18、我主要负责的是绞吸式挖泥船吸泥管与排泥管的动作过程模拟仿真,吸泥管与排泥管属于挖泥船的泥浆管道输送系统,我查阅了相关资料,对泥浆管道输送系统有了一个全面的了解。 吸泥管:安装在绞刀桥架内部,在泥泵产生的真空作用下,完成自吸泥口至泥泵的泥浆输送任务。为适应绞刀桥架以与船体铰接耳轴为圆心的旋转下落,吸泥管后半部中有长1.5m左右的胶管,其余为焊接钢管。排泥管:指船体上的一段,均为钢管,前段连接泥泵,在船尾部通过一个可转动的活动接头(称为鹅颈管)与水上排泥管线相连。泥浆管道输送系统由吸泥管、泥泵、柴油机和排泥管等多个部分构成,是水力疏浚式挖泥船中最复杂和最关键的部分,其能耗占整个疏浚系统总能耗的80
19、以上,所以为了提高疏浚施工效率,增加收益,就必须想办法提高泥浆管道输送系统的效率。由于实际疏浚作业过程输送的物质构成十分复杂,对管道的物料输送机理研究得又不够深入透彻,泥浆的浓度控制和流速控制比较复杂困难,还没有比较准确可靠的挖泥船泥浆管道输送系统运行状态评价方法,所以在实际疏浚施工过程中泥浆管道输送系统的效率比理论效率要低得多。另外,泥浆管道输送系统又是疏浚施工最为薄弱的环节,最容易出现诸如管道堵塞、泥泵气蚀或卡堵、爆管裂管等故障,处理起来也比较麻烦,根据现场统计,疏浚作业过程中90以上的故障都与泥浆管道输送系统有密切的关系,处理各种故障占用了至少5以上的有效作业时间,为了降低泥浆管道输送系
20、统的故障率,实际施工过程中都是以牺牲一定的效率为代价,采用比较保守可靠的工况点输送泥浆,因此实际疏浚过程中泥浆管道输送系统的效率较低。 还有,挖泥船泥浆管道输送作业自动化程度较低,目前绝大多数泥浆输送还是以手动操作为主,由于操作人员的施工经验和操作水平参差不齐,容易受到工作疲劳等因素的影响,这也是导致泥浆管道输送系统效率偏低的主要原因之一。总之,由于挖泥船泥浆管道输送系统影响因素多,相互关系非常复杂,自动化程度低,操作人员的经验和理论水平有限,导致系统故障频发,泥浆管道输送系统效率低下。因此,挖泥船泥浆管道输送系统具有较大的效率优化空间。2.1.3绞吸式挖泥船的吸扬系统 图2.2 绞吸式挖泥船
21、吸扬系统典型的绞吸式挖泥船吸扬系统上图1.3所示,主要由绞刀及其电力拖动系统、吸泥管、泥泵及柴油机驱动系统、减速齿轮箱、排泥管线、各类测量仪表和传感器(真空度传感器、压力传感器、超声波流量计和伽马射线泥浆浓度计等)构成。吸扬系统的主要任务有绞刀切削土壤、被切削土层在吸入管和水混合形成固液两相流、泥泵吸入口负压吸入泥浆、泥浆经泥泵加压克服管道阻力被输送至排泥区等。做出绞吸式挖泥船吸泥管与排泥管作业模拟仿真,首先要知道管道的管路特性:管路特性与输送的土质(密度)、泥浆的流速(或管径)、管路排距与排高 以及各种阻力损失有关,包括管路长度上的沿程阻力损失,吸泥头、软管、弯头、阀件等处 的局部阻力损失。
22、浆体管道输送过程大都属于两相流体系,而且一般都在紊流状态下输送。在给定管径和已知混合物构成时,混合物在管道中的流动有均匀悬浮流、全部颗粒悬浮的非均匀流、动床流和定床流四种状态。在实际管道输送过程当中这些流态交互存在,没有明显的界限。在模拟过程中,泥浆的浓度会对模拟过程产生很大的影响,对此,我设计了三种泥浆浓度来模拟吸泥管和拍你管的作业过程:分别是20%的泥浆、30%的泥浆和50%的泥浆。泥浆的临界流速是维持泥管中泥浆流动的最小速度,如果水流速度过小,低于临界流速, 水流以层流或紊动程度较弱的方式流动,就掀不起泥管中的泥砂。同时泥砂在适当的紊动作用下被掀起后,紊动强度减弱的话,管道中的泥砂就会逐
23、步地沉淀到管底,严重时可能会导致堵管或断流。因此泥管中泥浆的流速必须超过泥浆的临界流速。所以操作人员必须控制泥泵转速,使管路中的水流维持必要的流速,从而保证水流会产生必要的紊动。在确定排泥管管径时,首先要考虑的是管道内不同的泥浆流速使管道的扬程损失不同。 泥浆流速愈高,管道扬程损失愈大。为了降低管道扬程损失,就必须降低管道内泥浆流速。但流速过低,泥沙会在管道中淤积因而最低流速应以不淤泥为原则 在泥浆浓度一定的情况下,管道内的不淤流速即为临界流速。实践证明,当泥浆浓度为10%时管道内的不淤流速应不小于2m/s ;当泥浆浓度大于10 %时,不淤流速也随之相应提高。 要降低排泥管道内泥浆流速,在泥泵
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