本發(fā)明涉及疏浚裝備的，特別是涉及一種耙臂跨節(jié)式高壓沖水管及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、耙吸挖泥船是一種應(yīng)用于港口航道疏浚的大型裝倉式挖泥船，通過置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥、邊航行的方式工作，挖泥時(shí)，將耙吸管放下河底，通過耙頭上的耙齒與高壓沖水進(jìn)行破土，并利用泥泵的真空作用，河底的泥漿將經(jīng)過耙頭和耙臂吸入挖泥船的泥倉中。

2、現(xiàn)有的耙臂高壓沖水布管，通常沿耙管軸向布置，為滿足活動(dòng)關(guān)節(jié)的活動(dòng)需求，在十字節(jié)處采用軟管連接方式，并且根據(jù)軟管的布管特點(diǎn)，目前常用的回字型高壓沖水布管如圖7所示，管路沿十字節(jié)布置，在鉸點(diǎn)處設(shè)置軟管，可實(shí)現(xiàn)大角度彎折，但由于較多的折彎，該布管方式整體管阻較大，且鋼管段較長，整體較重，對(duì)十字節(jié)負(fù)擔(dān)較大。

3、為有效減少高壓沖水的流速損耗，減少高壓沖水管磨損，提高整體高壓沖水管的使用壽命，同時(shí)改善耙臂耙臂受力分布，減少吊架工作負(fù)擔(dān)，亟需本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計(jì)一種新的高壓沖水管排布方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種耙臂跨節(jié)式高壓沖水管及其設(shè)計(jì)方法，通過改善現(xiàn)有高壓沖水管布管方式，在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮跨節(jié)高壓沖水軟管的物理性能，以及旋轉(zhuǎn)接頭與十字節(jié)的活動(dòng)能力對(duì)跨節(jié)布管的影響，避免在十字節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，軟管出現(xiàn)拉斷、折彎與塌陷；耙臂跨節(jié)式高壓沖水管有助于減少高壓沖水的流速損耗，減少高壓沖水管磨損，提高整體高壓沖水管的使用壽命，同時(shí)改善耙臂耙臂受力分布，減少吊架工作負(fù)擔(dān)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供一種耙臂跨節(jié)式高壓沖水管，所述耙臂跨節(jié)式高壓沖水管包括跨節(jié)高壓沖水軟管、耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管、船體側(cè)轉(zhuǎn)接管、耙頭側(cè)高壓沖水管以及船體側(cè)高壓沖水管；

3、所述耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管與耙頭側(cè)泥管通過支架固定，船體側(cè)轉(zhuǎn)接管與船體側(cè)泥管通過支架固定，耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管與船體側(cè)轉(zhuǎn)接管通過跨節(jié)高壓沖水軟管連接，跨節(jié)高壓沖水軟管位于十字節(jié)正上方，所述十字節(jié)包括十字環(huán)、耙頭側(cè)鉸臂、船體側(cè)鉸臂，耙頭側(cè)鉸臂為耙頭側(cè)泥管提供左右擺動(dòng)的自由度與旋轉(zhuǎn)接頭連接布置在耙頭方向；船體側(cè)鉸臂為耙頭側(cè)泥管提供上下擺動(dòng)的自由度布置在船體方向；

4、與船體側(cè)轉(zhuǎn)接管連接的跨節(jié)高壓沖水軟管的端部設(shè)有第一不可彎折段，所述第一不可彎折段通過第一法蘭與船體側(cè)轉(zhuǎn)接管連接，所述第一不可彎折段與第一法蘭的法蘭面垂直；

5、與耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管連接的跨節(jié)高壓沖水軟管的端部設(shè)有第二不可彎折段，所述第二不可彎折段通過第二法蘭與耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管連接，所述第二不可彎折段與第二法蘭所在的法蘭面垂直；

6、耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管與耙頭側(cè)泥管不干涉，第二法蘭設(shè)置在耙頭側(cè)耙管的正上方，且跨節(jié)高壓沖水軟管不與耙頭側(cè)鉸臂干涉；

7、船體側(cè)轉(zhuǎn)接管與船體側(cè)泥管不干涉，第一法蘭設(shè)置在船體側(cè)耙管的正上方。

8、另一方面，本發(fā)明還提供一種耙臂跨節(jié)式高壓沖水管的設(shè)計(jì)方法，所述設(shè)計(jì)方法包括：

9、跨節(jié)高壓沖水軟管長度設(shè)計(jì)需滿足十字節(jié)上下左右擺動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)所需自由度；同時(shí)為避免在十字鉸運(yùn)動(dòng)過程中，跨節(jié)高壓沖水軟管出現(xiàn)拉斷、折彎與塌陷的狀態(tài)，因此跨節(jié)高壓沖水軟管在不同位姿時(shí)都應(yīng)處于繃緊狀態(tài)，其中當(dāng)十字節(jié)處于上擺極限狀態(tài)時(shí)，跨節(jié)高壓沖水軟管此時(shí)總長對(duì)比于下擺極限狀態(tài)、左擺極限狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)極限狀態(tài)時(shí)最短，以十字節(jié)處于上彎極限狀態(tài)時(shí)為軟管設(shè)計(jì)長度，對(duì)于下擺極限狀態(tài)、左擺極限狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)極限狀態(tài)下的軟管長度差，需滿足在該設(shè)計(jì)長度下的軟管彈性余量范圍之內(nèi)；

10、對(duì)于跨節(jié)高壓沖水軟管的設(shè)計(jì)分為軟管設(shè)計(jì)總長計(jì)算與軟管彈性余量的校核計(jì)算。

11、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管設(shè)計(jì)總長計(jì)算：

12、通過設(shè)計(jì)跨節(jié)高壓沖水軟管的最小彎曲半徑、所需活動(dòng)的設(shè)計(jì)范圍、第一法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)位置以及第二法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)高度，建立上擺極限位置下軟管的軌跡姿態(tài)，計(jì)算此時(shí)跨節(jié)高壓沖水軟管的設(shè)計(jì)總長，并求出該設(shè)計(jì)長度下的軟管彈性余量。

13、其中，所述跨節(jié)高壓沖水軟管的最小彎曲半徑，以及受壓下跨節(jié)高壓沖水軟管的彈性余量的設(shè)計(jì)方法為：根據(jù)耙頭設(shè)計(jì)所需的高壓沖水能力，設(shè)計(jì)跨節(jié)高壓沖水軟管內(nèi)徑及壁厚，結(jié)合軟管的材料，確認(rèn)跨節(jié)高壓沖水軟管的最小彎曲半徑，以及受壓下跨節(jié)高壓沖水軟管的彈性余量系數(shù)。

14、進(jìn)一步的，所述軟管彈性余量的校核計(jì)算：

15、通過軟管設(shè)計(jì)總長計(jì)算中最小彎曲半徑、第一法蘭與第二法蘭的相對(duì)位置，分別建立跨節(jié)高壓沖水軟管在下擺極限狀態(tài)、左擺極限狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)極限狀態(tài)時(shí)軟管的軌跡姿態(tài)，分別求得三種狀態(tài)下的軟管長度，求與軟管設(shè)計(jì)總長的長度差之和，在設(shè)計(jì)長度下的軟管彈性余量之內(nèi)，則跨節(jié)高壓沖水軟管設(shè)計(jì)長度合理，反之需重新調(diào)整第一法蘭與第二法蘭的相對(duì)位置，直至結(jié)果滿足。

16、其中，所述跨節(jié)高壓沖水軟管擺動(dòng)所需的設(shè)計(jì)范圍根據(jù)十字節(jié)設(shè)計(jì)的活動(dòng)幅度確定。

17、所述第一法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)位置的設(shè)計(jì)方法為：根據(jù)十字節(jié)船體一側(cè)的空間尺寸，合理布置船體側(cè)高壓沖水管與船體側(cè)轉(zhuǎn)接管，在跨節(jié)高壓沖水軟管確保與十字節(jié)鉸臂不干涉的前提下，第一法蘭設(shè)置在船體側(cè)耙管的正上方，確定第一法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)位置。

18、所述第二法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)高度的設(shè)計(jì)方法為：根據(jù)十字節(jié)耙頭一側(cè)的空間尺寸，合理布置耙頭側(cè)高壓沖水管與耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管，在確保耙頭側(cè)轉(zhuǎn)接管與耙頭側(cè)耙管不干涉的前提下，第二法蘭設(shè)置在耙頭側(cè)耙管的正上方，確定第二法蘭與十字節(jié)擺動(dòng)鉸點(diǎn)的相對(duì)高度。

19、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管設(shè)計(jì)總長計(jì)算中，上擺極限位置下軟管的軌跡下以十字節(jié)上下擺動(dòng)鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)跨節(jié)高壓沖水軟管的最小彎曲半徑為r1，跨節(jié)高壓沖水軟管在沖水狀態(tài)下可拉伸的彈性系數(shù)為c，跨節(jié)高壓沖水軟管需擺動(dòng)的幅度為+θ，第一法蘭b的坐標(biāo)為(xb，yb)，第二法蘭a的縱坐標(biāo)為ya；

20、所述上擺極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管需滿足的約束條件如下：

21、(1)考慮跨節(jié)高壓沖水軟管上擺極限位置時(shí)，跨節(jié)高壓沖水軟管整體不出現(xiàn)、折彎與塌陷，跨節(jié)高壓沖水軟管總長不應(yīng)過長，以五段為目標(biāo)計(jì)算，包括兩段垂直法蘭面長度為b的第一不可彎折段、第二不可彎折段，與三段彎折圓弧段，且彎折圓弧段的彎折圓弧不超過180°，跨節(jié)高壓沖水軟管的彎折圓弧段彎曲段的彎曲半徑不小于最小彎曲半徑，且第一法蘭、第二法蘭在x軸上之間的投影距離，不應(yīng)大于4倍的最小彎曲半徑；

22、(2)當(dāng)彎折圓弧段的彎折半徑達(dá)到最小彎曲半徑時(shí)，此時(shí)跨節(jié)高壓沖水軟管總長為該法蘭位置下的最長布管總長；

23、以上下擺動(dòng)鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，+θ角為上擺到極限位置時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，第二法蘭a的坐標(biāo)(n，ya)，第一法蘭b的坐標(biāo)(xb，yb)，沿坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后的第一法蘭b′的坐標(biāo)(xb′，yb′)的表達(dá)式為：

24、

25、設(shè)α1為第二法蘭a的法向與x軸方向的夾角，α2為旋轉(zhuǎn)+θ角度后第一法蘭b′的法向與x軸負(fù)方向的夾角，則第一法蘭b端面法向與水平面夾角δ與第二法蘭a端面法向與水平面夾角ε表達(dá)式為：

26、

27、由此到得第二法蘭a的法向與x軸方向的夾角α1與旋轉(zhuǎn)+θ角度后第一法蘭b′的法向夾角與x軸負(fù)方向的夾角α2；上擺+θ角度后，跨節(jié)高壓沖水軟管的軌跡可分五段，包括兩段垂直法蘭面長度為b的第一不可彎折段、第二不可彎折段與三段彎折角度分別為β1、γ、β2的彎折圓弧段，其中彎折圓弧段的彎曲半徑為最小彎曲半徑r1，彎折角度分別為β1、β2的彎折圓弧段圓心在x軸投影的長度為l，在y軸投影的高度差為h，則β1、γ、β2的表達(dá)式為：

28、

29、則大跨節(jié)高壓沖水軟軟管設(shè)計(jì)總長sθ+的表達(dá)式為：

30、sθ+＝2*b+(β1+β2+γ)*r1。

31、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管彈性余量的校核計(jì)算中，所述下擺極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量需滿足如下約束：

32、(1)考慮跨節(jié)高壓沖水軟管下擺極限位置時(shí)，跨節(jié)高壓沖水軟管整體不出現(xiàn)、折彎與塌陷，跨節(jié)高壓沖水軟管整體處于繃直狀態(tài)，以五段為目標(biāo)計(jì)算，包括兩段垂直法蘭面長度為b的第一不可彎折段、第二不可彎折段、分別與第一不可彎折段、第二不可彎折段連接的兩段彎折圓弧段，以及位于兩段彎折圓弧段中間的直管段，且兩段彎折圓弧均不超過180°，跨節(jié)高壓沖水軟管每段彎折圓弧段的彎曲半徑不應(yīng)小于最小彎曲半徑；

33、(2)當(dāng)兩段彎折圓弧段的彎曲半徑達(dá)到最小彎曲半徑時(shí)，此時(shí)跨節(jié)高壓沖水軟管總長為該法蘭位置下的最短布管總長；

34、下擺極限位置下軟管的軌跡以十字節(jié)上下擺動(dòng)鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，-θ角為下擺到極限位置時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，第二法蘭a的坐標(biāo)(n，ya)，第一法蘭b的坐標(biāo)(xb，yb)，沿坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后的第一法蘭b″的坐標(biāo)(xb″，yb″)的表達(dá)式為：

35、

36、設(shè)α1為第二法蘭a的法向與x軸方向的夾角，α3為旋轉(zhuǎn)-θ角度后第一法蘭b″的法向與x軸負(fù)方向的夾角，則第一法蘭b端面法向與水平面夾角δ與第二法蘭a端面法向與水平面夾角ε表達(dá)式為：

37、

38、由此得出第二法蘭a的法向與x軸方向的夾角α1與旋轉(zhuǎn)-θ角度后第一法蘭b″的法向夾角α3；

39、下擺-θ角度后，跨節(jié)高壓沖水軟管的軌跡可分五段，包括兩段垂直法蘭面長度為b的第一不可彎折段、第二不可彎折段、兩段彎折角度分別為β3、β4的彎折圓弧段以及位于兩段彎折圓弧段中間的直管段，其中兩段彎折圓弧段的彎曲半徑為最小彎曲半徑r1，中間直管段在x軸投影的長度為l2，直管段在y軸投影的高度差為h2，則彎折角度β3、β4的表達(dá)式為：

40、

41、跨節(jié)高壓沖水軟管總長sθ-的表達(dá)式為：

42、

43、下擺極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量cθ-為：

44、cθ-＝sθ--sθ+。

45、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管彈性余量的校核計(jì)算中，所述左擺極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量需滿足如下約束：

46、以左右擺動(dòng)鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，跨節(jié)高壓沖水軟管的左擺運(yùn)動(dòng)近似為一條長度為ls0的直管折彎過程，ls0為當(dāng)前跨節(jié)高壓沖水軟管在十字鉸處于水平狀態(tài)下軸向上的投影長度即第一法蘭與第二法蘭橫坐標(biāo)差值，左擺β角度后，跨節(jié)軟管在軸向上彎曲拉伸后的長度為lsβ，跨節(jié)高壓沖水軟管的最小彎曲半徑為r1，軟管的直管段為k1，經(jīng)過幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換，其各變量的關(guān)系如下：

47、

48、左擺極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量cβ為：

49、cβ＝lsβ-ls0。

50、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管彈性余量的校核計(jì)算中，所述旋轉(zhuǎn)極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量需滿足如下約束：

51、以左右擺動(dòng)鉸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，跨節(jié)高壓沖水軟管的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可近似為一條長度為ls0的直管扭轉(zhuǎn)過程，ls0為當(dāng)前跨節(jié)高壓沖水軟管在十字鉸處于水平狀態(tài)下軸向上的投影長，即第一法蘭與第二法蘭橫坐標(biāo)差值，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為α，高壓沖水軟管彎曲拉伸后的長度為lsα，第一法蘭圓心到泥管圓心的距離為r；正視lrα曲線的平面a，此時(shí)，第一法蘭圓心轉(zhuǎn)動(dòng)前后的距離為lt，軟管的最小彎曲半徑為r1，軟管折彎段的折彎角度為θ1，軟管的直段長度為k2，經(jīng)過幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換，其各變量的關(guān)系如下：

52、

53、旋轉(zhuǎn)極限狀態(tài)下跨節(jié)高壓沖水軟管彈性余量cα為：

54、cα＝lsα-ls0。

55、進(jìn)一步的，對(duì)于軟管彈性余量的校核計(jì)算中，所述跨節(jié)高壓沖水軟管設(shè)計(jì)總長的彈性余量c，需滿足如下約束：

56、

57、若不滿足該約束條件，則重新調(diào)整第二法蘭橫坐標(biāo)n，以及第二法蘭的法向與x軸方向的夾角α1，重新計(jì)算設(shè)計(jì)總長，直至跨節(jié)高壓沖水軟管設(shè)計(jì)總長的彈性余量c滿足該約束條件。

58、進(jìn)一步的，所述最終跨節(jié)高壓沖水軟管總長s應(yīng)滿足：

59、s＝lsθ+。

60、本發(fā)明具有以下有益效果：

61、(1)本發(fā)明提供一種新型的高壓沖水軟管，其跨節(jié)高壓沖水軟管位設(shè)置在船體側(cè)耙管連接耙頭側(cè)耙管的十字節(jié)處，通過綜合考慮跨節(jié)高壓沖水軟管的物理性能，以及旋轉(zhuǎn)接頭與十字節(jié)的活動(dòng)能力對(duì)跨節(jié)布管的影響，避免在十字節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，軟管出現(xiàn)拉斷、折彎與塌陷；

62、(2)本發(fā)明提供的跨節(jié)高壓沖水軟管，減小沖水管管阻，提高高壓沖水效率的方法，進(jìn)而改善提高高壓沖水的能源利用率。

63、(3)本發(fā)明提供的跨節(jié)高壓沖水軟管，對(duì)比回字型布管方式，能有效改善耙臂耙臂受力分布，減少吊架工作負(fù)擔(dān)。

64、(4)本發(fā)明提供的跨節(jié)高壓沖水軟管，對(duì)比回字型布管方式，有效改善十字節(jié)處其余線纜管路的布置空間。

65、(5)本發(fā)明提供的跨節(jié)高壓沖水軟管，對(duì)比回字型布管方式，所需的管段較少，對(duì)于前期購置成本，以及后期的維護(hù)成本都有較大減少。