唐 琦， 余俊真

(上海德瑞斯華海船用設(shè)備有限公司， 上海 200093)

0 引 言

大型礦砂船(Very Large Ore Carrier，VLOC)擁有巨大的裝載容量,具有經(jīng)濟(jì)、有效、低成本營(yíng)運(yùn)的特點(diǎn)，近年來(lái)已成為長(zhǎng)航線礦砂承運(yùn)的主力船型，深受歡迎。隨著VLOC容量的增大，超大開口的艙口變形逐步增大，艙蓋與艙口圍之間的相對(duì)位移比常規(guī)礦砂船增大近2倍，導(dǎo)致傳統(tǒng)的艙蓋與艙口圍連接裝置已不適用于當(dāng)前的VLOC。因此，在對(duì)VLOC的艙蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，對(duì)艙蓋與艙口圍之間的變形進(jìn)行分析顯得尤為重要，只有確認(rèn)了各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形范圍，才能對(duì)艙蓋與艙口圍的連接裝置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保艙蓋在各種工況下正常使用。本文以30萬(wàn)噸級(jí)礦砂船為例，在已知滿載最大靜水彎矩疊加船中最大垂向波浪彎矩和空載最大靜水彎矩疊加船中最大垂向彎矩這2種最危險(xiǎn)工況下的艙口圍變形的前提下，重新對(duì)艙蓋上的關(guān)鍵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

1 艙蓋艙口圍變形分析

1.1 側(cè)移式艙蓋概述

本文所述船艏的艙蓋為單艙側(cè)移式艙蓋，操作系統(tǒng)為液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條系統(tǒng)。每塊蓋板配備1個(gè)液壓電機(jī)，安裝于艙口圍右舷的中間，每個(gè)電機(jī)上的齒輪與固定在蓋板上的齒條嚙合運(yùn)行。蓋板能開啟并收藏于開口外的右舷。圖1為側(cè)移式艙蓋基本裝置。

圖1 側(cè)移式艙蓋基本裝置

1.2 艙口圍變形分析

為保證艙蓋在船舶航行和靠港時(shí)均能適應(yīng)艙口圍的變形條件，根據(jù)船舶航行和靠港狀態(tài)下各工況的貨艙區(qū)域載荷計(jì)算結(jié)果，選取貨艙區(qū)域出現(xiàn)最大應(yīng)力的2種工況，即：

1) 航行狀態(tài)滿載最大靜水彎矩疊加船中最大垂向波浪彎矩(工況1)；

2) 航行狀態(tài)空載最大靜水彎矩疊加船中最大垂向波浪彎矩(工況2)。

根據(jù)這2種工況對(duì)貨艙區(qū)域應(yīng)力最大部位(No.3艙艙口圍)進(jìn)行進(jìn)一步的變形分析。

在工況1和工況2下，No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)

x

方向和船寬

y

方向的最大變形如下：1) No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)

x

方向變形最大時(shí)，首端橫向艙口圍位移

x

=-28.7 mm，尾端橫向艙口圍位移

x

=39.5 mm；2) 當(dāng)No.3艙艙口圍沿船寬

y

方向變形最大時(shí)，左舷縱向艙口圍位移

y

=-12.4 mm，右舷縱向艙口圍位移

y

=12.4 mm。由于

y

變形值并未超出常規(guī)礦砂船艙口圍變形范圍，故本文只對(duì)

x

方向的變形進(jìn)行分析。圖2為工況1下艙口圍變形示意。

圖2 工況1下艙口圍變形示意

1.3 艙蓋在限位裝置作用下沿x方向的相對(duì)位移分析

艙蓋作為獨(dú)立的鋼體結(jié)構(gòu)，不參與全船總體強(qiáng)度。艙蓋無(wú)貨物載荷，在僅有波浪載荷的情況下其自身的變形可忽略不計(jì)，僅考慮艙口圍的變形。

當(dāng)艙蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，通過(guò)凸緣滾輪附近的縱向限位(

F

)限制艙蓋尾端與艙口圍的相對(duì)位移，目的是保證艙蓋滾輪頂升至運(yùn)行高度之后，頂升導(dǎo)軌能與固定導(dǎo)軌順利對(duì)接。艙蓋的首端無(wú)縱向約束，即艙蓋在首端與艙口圍之間允許有相對(duì)位移，因此首端用平緣滾輪，以適應(yīng)艙口圍變形。下面重點(diǎn)分析No.3艙的艙口圍上6個(gè)點(diǎn)在工況1和工況2下沿船長(zhǎng)

x

方向的絕對(duì)變形與艙蓋艙口圍之間的相對(duì)位移。

1.3.1 工況1下No.3艙艙蓋與艙口圍相對(duì)變形分析

表1為工況1下No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)

x

方向的變形量Δ

L

。由表1可知：

表1 工況1下No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)x方向的變形量ΔL

1) 艙口圍在沿船長(zhǎng)

x

方向的絕對(duì)變形最大值Δ

L

出現(xiàn)在A3至A4 處，Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=67

.

2 mm；2) 艙蓋同步運(yùn)行的對(duì)稱滾輪A5至A6處，艙口圍在沿船長(zhǎng)

x

方向的絕對(duì)變形值Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=54.72 mm;3) 艙口圍角隅處的相對(duì)變形最小，從A1至A2處的絕對(duì)變形值Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=43.6 mm。當(dāng)艙口圍無(wú)變形時(shí)，艙蓋與艙口圍是完全重合的；當(dāng)艙口圍發(fā)生變形時(shí)，艙蓋作為剛性個(gè)體是沒(méi)有變形的。當(dāng)艙蓋受到

F

限位作用時(shí)，艙蓋與艙口圍的相對(duì)位移見圖3，其中：實(shí)線為艙蓋；虛線為變形后的艙口圍。

圖3 工況1下No.3艙在限位裝置作用下艙蓋與艙口圍的相對(duì)位移

由圖3可知，艙蓋在

F

限位裝置處與艙口圍完全重合，即此處的相對(duì)位移為0。艙蓋與艙口圍最大位移出現(xiàn)在A4處。

圖4 A3和A5處變形詳圖

A1與A2處的相對(duì)位移較小，不作考慮。

1.3.2 工況2下No.3艙艙蓋與艙口圍相對(duì)變形分析

圖5為工況2下No.3艙艙口圍變形示意，其中：實(shí)線為變形前；虛線為變形后。表2為工況2下No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)

x

方向變形量Δ

L

。由表2可知：

圖5 工況2下No.3艙艙口圍變形示意圖(實(shí)線為變形前，虛線為變形后)

表2 工況2下No.3艙艙口圍沿船長(zhǎng)x方向變形量ΔL

1) 艙口圍沿船長(zhǎng)

x

方向的絕對(duì)變形最大值Δ

L

出現(xiàn)在A3至A4 處,Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=56.9 mm；2) 艙蓋同步運(yùn)行的對(duì)稱滾輪A5至A6 處，艙口圍在沿船長(zhǎng)

x

方向的絕對(duì)變形值Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=45.6 mm;3) 艙口圍角隅處的相對(duì)變形最小，從A1至A2處的絕對(duì)變形值Δ

L

=Δ

L

+Δ

L

=32.7 mm艙蓋在

F

限位作用下與艙口圍的相對(duì)位移見圖6，其中：實(shí)線為艙蓋；虛線為變形后的艙口圍。

圖6 工況2下No.3艙艙蓋在Fx限位作用下與艙口圍的相對(duì)位移

2 艙蓋啟閉裝置適應(yīng)大艙口圍變形的設(shè)計(jì)

2.1 滾輪和導(dǎo)軌的選型與布置

在艙蓋運(yùn)行過(guò)程中，蓋板尾端的凸緣滾輪起導(dǎo)向作用，以保證艙蓋運(yùn)行能足夠平穩(wěn)；另一端布置平滾輪，以適應(yīng)艙口圍的變形。圖 7為艙蓋滾輪布置圖。

當(dāng)艙蓋滾輪頂升至導(dǎo)軌處時(shí)，由第1.3節(jié)中的分析可知，凸緣滾輪與導(dǎo)軌之間預(yù)留的間隙需大于A5處艙蓋與艙口圍之間的相對(duì)位移-1.84 mm和1.57 mm，否則該處的頂升導(dǎo)軌無(wú)法順利進(jìn)入凸緣槽(如圖7所示)，但間隙不宜過(guò)大，否則艙蓋在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。綜合考慮之后，凸緣滾輪法蘭邊與導(dǎo)軌的單邊間隙定為3 mm，即凸緣滾輪可沿船長(zhǎng)方向前后移動(dòng)3 mm。

圖7 艙蓋滾輪布置圖

平滾輪允許在導(dǎo)軌上沿船長(zhǎng)方向自由滑移，在設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮艙蓋運(yùn)行過(guò)程中滾輪與導(dǎo)軌的接觸量，以保證實(shí)際的接觸應(yīng)力

σ

大于材料的許用接觸應(yīng)力

σ

。滾輪在導(dǎo)軌上運(yùn)行時(shí)可當(dāng)作潤(rùn)滑良好的接觸零件，滾輪與導(dǎo)軌的材質(zhì)均為A級(jí)鋼，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)的許用接觸應(yīng)力可取633 MPa，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的接觸應(yīng)力公式可計(jì)算出導(dǎo)軌與滾輪的最小接觸長(zhǎng)度為75 mm。根據(jù)第2.2節(jié)中的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)滾輪運(yùn)行到艙口圍的A3和A4處時(shí)，平滾輪與導(dǎo)軌的相對(duì)位移最大。假設(shè)凸緣滾輪與導(dǎo)軌之間的位移為0(較危險(xiǎn)工況)，平滾輪與導(dǎo)軌的最大相對(duì)位移Δ

L

=67.32 mm。圖7中的平滾輪寬度取210 mm，約為3倍的最小接觸長(zhǎng)度；導(dǎo)軌寬度為90 mm，略大于最小接觸長(zhǎng)度。當(dāng)平緣滾輪滑到極限位置時(shí)，滾輪與導(dǎo)軌的接觸長(zhǎng)度為82.5 mm，大于最小接觸長(zhǎng)度75 mm，因此該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可行。

2.2 電機(jī)基座自由滑動(dòng)量的計(jì)算

艙蓋的運(yùn)行是通過(guò)液壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪與艙蓋上的齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)與齒輪固定于艙口圍處，齒條固定于艙蓋處，當(dāng)艙蓋在導(dǎo)軌上運(yùn)行時(shí)，既要受限于凸緣滾輪與導(dǎo)軌的配合，又要受限于齒輪與齒條的嚙合。當(dāng)艙口圍發(fā)生大變形時(shí)，固定于艙口圍處的齒輪會(huì)與艙蓋中心線處的齒條產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，由于凸緣滾輪與導(dǎo)軌之間幾乎沒(méi)有間隙，須使齒輪能與齒條一起滑移，否則艙蓋無(wú)法順利運(yùn)行。圖8為電機(jī)基座滑移示意。

圖8 電機(jī)基座滑移示意

在工況1下，由第1.3節(jié)的分析可知，艙口圍的最大變形位于A3和A4處，當(dāng)艙蓋向右舷開啟，凸緣滾輪運(yùn)行至A3時(shí)，假設(shè)艙蓋中心線平行于艙口圍中心線，此時(shí)齒條與位于艙口圍中心線上的齒輪位移最大，Δ

L

=0.5Δ

L

=33.66 mm。同理，在工況2下，齒條與位于艙口圍中心線上的齒輪間最大位移Δ

L

=0.5Δ

L

=28.5 mm。因此，留給電機(jī)基座的位移量至少為單邊34 mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

VLOC的艙口大變形對(duì)艙蓋的影響涉及到很多裝置的配合，限于篇幅，本文僅選取了幾個(gè)重要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，此外還需考慮艙蓋密封裝置、支撐裝置和艙蓋壓緊裝置等裝置的影響，其改進(jìn)設(shè)計(jì)方法是類似的。由于近年來(lái)礦砂船有艙口不斷增大的趨勢(shì)，在實(shí)際項(xiàng)目中，只有技術(shù)工作者對(duì)艙蓋裝置有全面深入的理解，才能確保所有的艙蓋裝置都能滿足大開口變形的要求，而對(duì)艙口大變形進(jìn)行合理分析是正確設(shè)計(jì)艙蓋各裝置的基礎(chǔ)。此次在對(duì)艙口圍變形進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上所作的艙蓋裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)數(shù)年的實(shí)船檢驗(yàn)，運(yùn)作良好，可供其他VLOC的艙蓋設(shè)計(jì)參考。