錨機(jī)固定設(shè)施強(qiáng)度衡準(zhǔn)研究

劉碧軍

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

錨機(jī)是重要的船用設(shè)備，主要有兩種固定方式。一種方式是通過地腳螺栓連接固定在錨機(jī)底座上，另一種方式是直接焊接固定在甲板上。錨機(jī)固定設(shè)施是錨機(jī)正常工作的有力保證，其強(qiáng)度衡準(zhǔn)是錨機(jī)固定設(shè)施設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）中對(duì)錨機(jī)固定設(shè)施強(qiáng)度衡準(zhǔn)作了具體的規(guī)定。本文選取通過地腳螺栓固定在基座上的船首錨機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)其固定設(shè)施所受載荷進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上建立固定設(shè)施的強(qiáng)度校核計(jì)算模型，并根據(jù)上述強(qiáng)度校核模型提出固定設(shè)施設(shè)計(jì)對(duì)策。

1 載荷分析

對(duì)于安裝在船首露天甲板上的錨機(jī)，所受的外加載荷主要有兩個(gè)來源。一是船舶航行時(shí)，海水越過露天甲板產(chǎn)生的上浪載荷；二是正常錨泊作業(yè)過程中，錨機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的支持負(fù)荷。其中，上浪載荷為均布載荷，支持負(fù)荷為集中載荷。由于錨機(jī)自身的重量對(duì)固定設(shè)施的強(qiáng)度計(jì)算也會(huì)產(chǎn)生影響，因此載荷分析時(shí)應(yīng)予以考慮。

1.1 上浪載荷

對(duì)于船首錨機(jī)固定設(shè)施的強(qiáng)度衡準(zhǔn)是否需要考慮上浪載荷的影響，各船級(jí)社規(guī)范略有不同，概括如下：

1）CSR（油船）規(guī)定，錨機(jī)位于露天甲板上位于船首1/4船長（L）區(qū)域內(nèi)；

2）CSR（散貨船）進(jìn)一步規(guī)定，露天甲板高度小于0.1L或夏季載重水線以上22 m（取小者）；

3）除上述規(guī)定外，通常各船級(jí)社規(guī)定船長大于80 m的船舶必需計(jì)算上浪載荷。

根據(jù)國際船級(jí)社協(xié)會(huì)統(tǒng)一要求 （IACS UR S27）提供的模型計(jì)算上浪載荷的大小，錨機(jī)受力如圖1所示。另外，規(guī)范規(guī)定，當(dāng)系泊絞車和錨機(jī)為整體式時(shí)，系泊絞車被認(rèn)為是錨機(jī)的一部分。

圖1 錨機(jī)受力示意圖

1）垂直于軸線由船首向后方向，力Px為200kN/m2乘以該方向的投影面積Ax。即：

2）平行于軸線分別作用于舷內(nèi)側(cè)和舷外側(cè)，力Py為150 kN/m2乘以f倍該方向的投影面積Ay。即：

式中：B——平行于軸線的錨機(jī)計(jì)算寬度，m；

H——錨機(jī)最大高度，m

3）力Pz為錨機(jī)自身的重力，即：

式中：g——重力加速度，取9.81 m/s2；

W——錨機(jī)的質(zhì)量，t

1.2 支持負(fù)荷

根據(jù)CSR的規(guī)定，錨泊作業(yè)時(shí)的支持負(fù)荷應(yīng)根據(jù)錨機(jī)是否帶摯鏈器來確定。即：

式中：K——摯鏈器影響因子，若帶摯鏈器，取0.45；若不帶摯鏈器，取 0.8；

PMBL——錨鏈的破斷強(qiáng)度，kN

設(shè)錨鏈和水平面的夾角為β，則：

2 緊固設(shè)施強(qiáng)度衡準(zhǔn)模型

2.1 強(qiáng)度衡準(zhǔn)依據(jù)

由上面的載荷分析可知，錨機(jī)受到的載荷均為靜載荷，故對(duì)錨機(jī)固定設(shè)施的強(qiáng)度衡準(zhǔn)只需進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，不需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。由于受到軸向及橫向載荷的作用，故錨機(jī)常用的固定方式有兩種：

1）普通螺栓承受軸向載荷，止推塊承受橫向載荷；

2）緊配螺栓既承受軸向載荷，又承受一個(gè)或兩個(gè)方向的橫向載荷。

根據(jù)IACS UR S27的規(guī)定，地腳螺栓受到的軸向拉伸應(yīng)力或von Mises等效應(yīng)力，應(yīng)滿足式（8）要求：

式中：σs——螺栓材料的屈服極限，N/mm

對(duì)于承擔(dān)橫向載荷的止推塊，其焊縫的von Mises等效應(yīng)力，應(yīng)滿足式（9）要求：

式中：σs——焊縫材料的屈服極限，N/mm

2.2 螺栓強(qiáng)度衡準(zhǔn)模型

為了簡化討論，本文首先建立普通螺栓強(qiáng)度衡準(zhǔn)模型。錨機(jī)地腳螺栓組布置圖見圖2。

由上述載荷分析可知，對(duì)上浪載荷和支持負(fù)荷兩種工況下的螺栓強(qiáng)度，可按照下述方法分別進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)錨機(jī)共由N個(gè)螺栓組支撐，在未考慮螺栓預(yù)緊力的情況下，第i個(gè)螺栓組的軸向載荷Ri可由（10）～（13）計(jì)算：

圖2 錨機(jī)地腳螺栓組布置及符號(hào)說明

式中：h——對(duì)上浪載荷而言，h為錨機(jī)中心軸線離安裝平面的高度（見圖1），對(duì)支持負(fù)荷而言，h為錨鏈和鏈輪相互作用點(diǎn)離安裝平面的高度，cm；

xi，yi——第i個(gè)螺栓組到所有N個(gè)螺栓組中心x和y方向的坐標(biāo)，作用力的相反向?yàn)檎担?/p>

Ai——螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，cm2；Ix——為∑Aixi2，對(duì)N個(gè)螺栓組，cm4；

Iy——為∑Aiyi2，對(duì)N個(gè)螺栓組，cm4；

Rsi——錨機(jī)重量作用在第i個(gè)螺栓組上的靜反力，kN

為了增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，在錨機(jī)裝配時(shí)需要給地腳螺栓施加一定的預(yù)緊力。因此，連接螺栓在承受軸向工作載荷后，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力不等于預(yù)緊力和工作載荷之和。其中單個(gè)螺栓-地基受力變形圖如圖 3［1］所示。

圖3 單個(gè)螺栓-地基受力變形圖

由圖3可知，受力最大的螺栓的總拉力F2可由式（14）計(jì)算：

式中：F0——螺栓預(yù)緊力，kN；

Cb——螺栓的剛度，N/mm；

Cm——基座的剛度，N/mm；

Fmax——最大工作載荷，kN

下面簡要討論一下上面各參數(shù)的計(jì)算。

1）剛度的計(jì)算可由式（15）計(jì)算：

式中：A——螺栓、墊塊或者螺母的接觸面積，mm2；

E——彈性模量，N/mm2，鋼取206000 N/mm2，環(huán)氧墊片取值由制造廠提供或者取3660 N/mm2；

L——螺栓長度、墊塊厚度或者錨機(jī)底座厚度，mm

2）通常錨機(jī)設(shè)備制造廠會(huì)提供螺栓預(yù)緊力F0。如無資料，也可按式（16）計(jì)算：

式中：F1——?dú)堄囝A(yù)緊力，kN，對(duì)于地腳螺栓連接，通常取 F1≥F；

F——螺栓承受的工作載荷，kN

3）根據(jù)式（13）可計(jì)算出未施加預(yù)緊力時(shí)各個(gè)螺栓組的受力大小。為簡化計(jì)算，可認(rèn)為同一個(gè)螺栓組內(nèi)的每個(gè)螺栓受到的軸向載荷大小相等，從而可計(jì)算出每個(gè)螺栓受到的軸向載荷大小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定受力最大的螺栓作為軸向拉伸應(yīng)力衡準(zhǔn)

2.3 止推塊強(qiáng)度衡準(zhǔn)模型

由上述載荷分析可知，作用在第i個(gè)螺栓組的橫向載荷可由式（18）～（19）計(jì)算：

式中：α——摩擦因數(shù)，規(guī)范建議取0.5。

通常，在X和Y兩個(gè)水平方向均設(shè)止推塊來承擔(dān)各自方向橫向載荷Fxi和Fyi。典型的止推塊焊縫示意圖如圖4所示。

圖4 止推塊焊縫示意圖

由圖4可知，止推塊的焊縫是危險(xiǎn)截面。其應(yīng)力可由式（20）～（21）計(jì)算：

式中：MT——等于FH，傾覆力矩，N·mm；

σT——彎曲應(yīng)力，N/mm；的對(duì)象。

由上可知，螺栓軸向拉伸強(qiáng)度衡準(zhǔn)可由式（17）確定：

WT——等于IT/y2，橫剖面模數(shù)，mm3；

τT——剪切應(yīng)力，N/mm；

AT——抗剪面積，mm2

故止推塊等效應(yīng)力的衡準(zhǔn)可由式（22）確定：

2.4 緊配螺栓強(qiáng)度衡準(zhǔn)模型

當(dāng)錨機(jī)裝配空間有限時(shí)，也可以采用鉸制的緊配合地腳螺栓承擔(dān)全部的橫向載荷。緊配合螺栓的剪切合力和應(yīng)力可由式（23）～（25）計(jì)算：

式中：Fxi、Fyi——可根據(jù)式（18）和式（19）計(jì)算

故鉸制螺栓的等效應(yīng)力的衡準(zhǔn)可由式 （26）確定：

3 結(jié)語

本文提出的錨機(jī)固定設(shè)施強(qiáng)度衡準(zhǔn)方法，對(duì)錨機(jī)以及其他船用設(shè)備的地腳螺栓和止推塊強(qiáng)度衡準(zhǔn)具有指導(dǎo)意義。根據(jù)上述模型計(jì)算的結(jié)果，可以得知設(shè)備所選用的螺栓和設(shè)計(jì)的止推塊是否滿足固定設(shè)施的強(qiáng)度要求。若計(jì)算的結(jié)果不滿足要求，可采取相應(yīng)的措施改進(jìn)設(shè)計(jì)。例如，螺栓強(qiáng)度不夠時(shí)，可提高螺栓強(qiáng)度等級(jí)或增加地腳螺栓的數(shù)量；止推塊強(qiáng)度不夠時(shí)，可以增加焊縫的有效面積或增加焊喉的高度等。對(duì)于水平剪力較大的場(chǎng)合，建議止推座采用深熔焊固定到錨機(jī)底座上。

［1］濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.8 版.北京：高等教育出版社，2006.