劉碧軍

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

錨機是重要的船用設備，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底座上，另一種方式是直接焊接固定在甲板上。錨機固定設施是錨機正常工作的有力保證，其強度衡準是錨機固定設施設計的主要依據(jù)。在共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）中對錨機固定設施強度衡準作了具體的規(guī)定。本文選取通過地腳螺栓固定在基座上的船首錨機作為研究對象，對其固定設施所受載荷進行分析。在此基礎上建立固定設施的強度校核計算模型，并根據(jù)上述強度校核模型提出固定設施設計對策。

1 載荷分析

對于安裝在船首露天甲板上的錨機，所受的外加載荷主要有兩個來源。一是船舶航行時，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，錨機制動產(chǎn)生的支持負荷。其中，上浪載荷為均布載荷，支持負荷為集中載荷。由于錨機自身的重量對固定設施的強度計算也會產(chǎn)生影響，因此載荷分析時應予以考慮。

1.1 上浪載荷

對于船首錨機固定設施的強度衡準是否需要考慮上浪載荷的影響，各船級社規(guī)范略有不同，概括如下：

1）CSR（油船）規(guī)定，錨機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，通常各船級社規(guī)定船長大于80 m的船舶必需計算上浪載荷。

根據(jù)國際船級社協(xié)會統(tǒng)一要求 （IACS UR S27）提供的模型計算上浪載荷的大小，錨機受力如圖1所示。另外，規(guī)范規(guī)定，當系泊絞車和錨機為整體式時，系泊絞車被認為是錨機的一部分。

圖1 錨機受力示意圖

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——平行于軸線的錨機計算寬度，m；

H——錨機最大高度，m

3）力Pz為錨機自身的重力，即：

式中：g——重力加速度，取9.81 m/s2；

W——錨機的質(zhì)量，t

1.2 支持負荷

根據(jù)CSR的規(guī)定，錨泊作業(yè)時的支持負荷應根據(jù)錨機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——錨鏈的破斷強度，kN

設錨鏈和水平面的夾角為β，則：

2 緊固設施強度衡準模型

2.1 強度衡準依據(jù)

由上面的載荷分析可知，錨機受到的載荷均為靜載荷，故對錨機固定設施的強度衡準只需進行靜強度計算，不需進行疲勞強度計算。由于受到軸向及橫向載荷的作用，故錨機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，又承受一個或兩個方向的橫向載荷。

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

式中：σs——螺栓材料的屈服極限，N/mm

對于承擔橫向載荷的止推塊，其焊縫的von Mises等效應力，應滿足式（9）要求：

式中：σs——焊縫材料的屈服極限，N/mm

2.2 螺栓強度衡準模型

為了簡化討論，本文首先建立普通螺栓強度衡準模型。錨機地腳螺栓組布置圖見圖2。

由上述載荷分析可知，對上浪載荷和支持負荷兩種工況下的螺栓強度，可按照下述方法分別進行計算。

設錨機共由N個螺栓組支撐，在未考慮螺栓預緊力的情況下，第i個螺栓組的軸向載荷Ri可由（10）～（13）計算：

圖2 錨機地腳螺栓組布置及符號說明

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

xi，yi——第i個螺栓組到所有N個螺栓組中心x和y方向的坐標，作用力的相反向為正值；

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

Iy——為∑Aiyi2，對N個螺栓組，cm4；

Rsi——錨機重量作用在第i個螺栓組上的靜反力，kN

為了增強連接的可靠性和緊密性，在錨機裝配時需要給地腳螺栓施加一定的預緊力。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緊力和工作載荷之和。其中單個螺栓-地基受力變形圖如圖 3［1］所示。

圖3 單個螺栓-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）計算：

式中：F0——螺栓預緊力，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)的計算。

1）剛度的計算可由式（15）計算：

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、墊塊厚度或者錨機底座厚度，mm

2）通常錨機設備制造廠會提供螺栓預緊力F0。如無資料，也可按式（16）計算：

式中：F1——殘余預緊力，kN，對于地腳螺栓連接，通常取 F1≥F；

F——螺栓承受的工作載荷，kN

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

2.3 止推塊強度衡準模型

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

式中：α——摩擦因數(shù)，規(guī)范建議取0.5。

通常，在X和Y兩個水平方向均設止推塊來承擔各自方向橫向載荷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截面。其應力可由式（20）～（21）計算：

式中：MT——等于FH，傾覆力矩，N·mm；

σT——彎曲應力，N/mm；的對象。

由上可知，螺栓軸向拉伸強度衡準可由式（17）確定：

WT——等于IT/y2，橫剖面模數(shù)，mm3；

τT——剪切應力，N/mm；

AT——抗剪面積，mm2

故止推塊等效應力的衡準可由式（22）確定：

2.4 緊配螺栓強度衡準模型

當錨機裝配空間有限時，也可以采用鉸制的緊配合地腳螺栓承擔全部的橫向載荷。緊配合螺栓的剪切合力和應力可由式（23）～（25）計算：

式中：Fxi、Fyi——可根據(jù)式（18）和式（19）計算

故鉸制螺栓的等效應力的衡準可由式 （26）確定：

3 結(jié)語

本文提出的錨機固定設施強度衡準方法，對錨機以及其他船用設備的地腳螺栓和止推塊強度衡準具有指導意義。根據(jù)上述模型計算的結(jié)果，可以得知設備所選用的螺栓和設計的止推塊是否滿足固定設施的強度要求。若計算的結(jié)果不滿足要求，可采取相應的措施改進設計。例如，螺栓強度不夠時，可提高螺栓強度等級或增加地腳螺栓的數(shù)量；止推塊強度不夠時，可以增加焊縫的有效面積或增加焊喉的高度等。對于水平剪力較大的場合，建議止推座采用深熔焊固定到錨機底座上。

［1］濮良貴.機械設計［M］.8 版.北京：高等教育出版社，2006.