沈 治 平

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

錨唇位于錨鏈筒外板出口處，為承受錨與錨鏈的碰撞力和摩擦并使錨穩(wěn)定地處于收藏位置的似橢圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 1。由于形狀各異，少有標(biāo)準(zhǔn)，歷來(lái)參照母型船設(shè)計(jì)并適當(dāng)考慮裕度。

我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的17.5萬(wàn)t散貨船和10.5萬(wàn)t原油船錨唇鑄件厚度取100mm，一對(duì)錨唇鑄件重23.85t，對(duì)比日韓相同船，唇厚為43～55mm，重近14t[1]，超重約10t。究其原因，是設(shè)計(jì)部門(mén)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，或者僅有一個(gè)簡(jiǎn)易的經(jīng)驗(yàn)公式，取值相當(dāng)保守。

據(jù)稱，我國(guó)設(shè)計(jì)建造的船舶空船重量高出日韓10% 以上[2]，散貨船甚至超過(guò)15%。一艘10多萬(wàn)t好望角型散貨船相比日韓同尺度船超重2000余t情勢(shì)下，為改善航運(yùn)效益降低成本，作為減重降耗的整個(gè)系統(tǒng)工程的一步，有必要制定錨唇設(shè)計(jì)的精細(xì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 錨唇與錨臺(tái)、錨、錨鏈關(guān)系

1 錨唇受力分析

1.1 不同受力部位

錨唇是一種不完全對(duì)稱環(huán)形結(jié)構(gòu)，其不同部位在拋錨，系錨，起錨的工作狀態(tài)時(shí)受力差異極大。上部區(qū)域一般僅承受錨爪觸碰、移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和貼合緊固之力，而鏈道區(qū)域通常受到錨鏈的壓迫力，在錨鏈移動(dòng)，尤其是快速移動(dòng)中，橫豎交叉連接鏈環(huán)又會(huì)對(duì)錨唇底部形成節(jié)奏性的振動(dòng)沖擊，從而形成鏈道區(qū)域的磨損。在大型船舶錨唇建造中，為避免橫豎交替鏈環(huán)過(guò)度振動(dòng)跳躍，縮小錨鏈在錨唇上的移動(dòng)區(qū)域，在錨唇滑道處鑄成凹槽，見(jiàn)圖 2，近似掣鏈器滑道平穩(wěn)過(guò)鏈。而錨唇的中上部區(qū)域，不受錨鏈壓迫，主要起到為錨爪收緊貼合作用，并在起錨過(guò)程后期，錨爪觸唇滑動(dòng)起到錨冠翻轉(zhuǎn)的作用。錨唇表面設(shè)計(jì)須避免與錨爪收起時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡方向形成摩擦死角[3]，因此合理優(yōu)化的錨唇表面設(shè)計(jì)可保證錨唇其他部位受力撞擊的程度遠(yuǎn)小于鏈道部位。由此對(duì)于不同部位采用不同厚度，是十分必要的。而且上部區(qū)域環(huán)寬也比底部環(huán)寬小，區(qū)別處理在實(shí)物外觀上也顯得協(xié)調(diào)。在設(shè)計(jì)時(shí)，把整個(gè)區(qū)域分成上部區(qū)域、鏈道區(qū)域和過(guò)渡區(qū)域（即下部區(qū)域）3部分，見(jiàn)圖 2。排除了以往不做區(qū)分上下等厚處理造成的冗余重量。

1.2 基準(zhǔn)點(diǎn)受力分析

各類(lèi)型船盡管?chē)嵨徊煌?，錨系布置與裝置不同，但均存在錨鏈對(duì)錨唇的作用力關(guān)系。不同強(qiáng)度等級(jí)各種規(guī)格的錨鏈對(duì)錨唇不同部位的擠壓、撞擊、彎曲及磨耗，是分析其受力關(guān)系的基本點(diǎn)。

錨鏈筒的布置要求為垂直截面中心線相對(duì)于水平傾角 30～60°[4]，產(chǎn)品統(tǒng)計(jì) 52～58.7°，均值 55.4°。通過(guò)受力矢量圖（見(jiàn)圖1）分析可以得出在55°的情況下，作用于錨唇處的最大法向力F大約是錨鏈實(shí)際所受拉力的0.6倍。

圖2 錨唇剖面示意

由 GB/T 4447-2008 / ISO 4568∶2006《海船用起錨機(jī)和起錨絞盤(pán)》可以得到起錨機(jī)工作負(fù)載Fw1為：

1級(jí)錨鏈：37.52d；

2級(jí)錨鏈：42.52d；

3級(jí)錨鏈：47.52d。

當(dāng)拋錨深度大于82.5m時(shí)，工作負(fù)載Fw2為：

式中：d——錨鏈直徑，mm；

D——拋錨深度，m；

過(guò)載拉力： ≥ 1 .5Fw1。

通過(guò)測(cè)算，在水深≤82.5m的狀況下，船舶按航行拋錨設(shè)備配置錨裝置，錨機(jī)過(guò)載拉力相對(duì)于錨鏈破斷負(fù)載(Pd)不超過(guò)18%，而3級(jí)錨鏈僅在12%以下。錨機(jī)鏈輪支持負(fù)載為0.45Pd。作用于錨唇的錨鏈支持負(fù)載為0.8Pd。

作用于錨唇的正壓力F：

式中：α——錨泊狀態(tài)下懸鏈線的水平夾角，如某船為53°；

θ——錨鏈筒的水平夾角，≤ 90°。

代入適當(dāng)數(shù)值后可得到：

在充分考慮了船舶整個(gè)壽命期的安全保障后，對(duì)錨唇中上部區(qū)域厚度按照鏈道區(qū)域受力分析，對(duì)鏈道及下部區(qū)域?qū)嶋H取值給予 20%～40%的裕度。錨唇鑄件實(shí)際采用材料強(qiáng)度相對(duì)于船級(jí)要求也富有裕度。

2 建立與錨鏈鏈徑相關(guān)的關(guān)系式

通過(guò)對(duì)錨唇設(shè)計(jì)制造及實(shí)船長(zhǎng)期運(yùn)行分析，錨鏈所受拉力P和作用于錨唇的法向力F可簡(jiǎn)化為以下關(guān)系式：

即：

式中：T——錨唇厚度，mm；

B——錨鏈普通鏈環(huán)寬度(=3.6d)，mm；

d——鏈徑，mm；

σy——錨唇材料屈服應(yīng)力，N/mm2，取yσ=200N/mm2計(jì)算，實(shí)際使用材質(zhì)可以高于計(jì)算值。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》2009中10.2.8.2，有如下表1。

表1 錨鏈拉斷試驗(yàn)載荷 N

3 基于鏈徑的錨唇厚度選取

在各主要船級(jí)社規(guī)范材料與設(shè)備要求的基礎(chǔ)上，按不同鏈級(jí)列出了各種鏈徑對(duì)應(yīng)選用的錨唇厚度值，見(jiàn)表2，以三級(jí)鏈為例，分別列出錨唇上部，下部，鏈道不同部位的厚度選取值。錨唇下部考慮到磨損，擠壓，彎曲等因素后，給予20%裕度，鏈道給予40%裕度。

表2 基于鏈徑的錨唇厚度選取 mm

據(jù)歐洲某著名航運(yùn)公司跟蹤船舶錨唇多年磨損測(cè)量數(shù)據(jù)及照片資料，本文數(shù)據(jù)表給出的多磨部位20%～40%的裕度是充足的。建議本文的推導(dǎo)與結(jié)論將作為我國(guó)CB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

4 與實(shí)船厚度比較

國(guó)內(nèi)船廠在建的船舶產(chǎn)品中，也有原始設(shè)計(jì)來(lái)自于日韓的，這類(lèi)產(chǎn)品厚度取值沿用原值，就比較接近于本文結(jié)果。比如 31.6萬(wàn) t超大型油船（VLCC），其錨唇厚度反而大大小于10多萬(wàn)t的自行設(shè)計(jì)船，見(jiàn)表3。故而，VLCC唇厚直接采用了日本設(shè)計(jì)，那么噸位遠(yuǎn)小于此的產(chǎn)品采用相同的或更小的厚度應(yīng)該是合乎情理的，何況在鏈道部位作了40%的增強(qiáng)。由此說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)的適用性是可以驗(yàn)證的。

表3 錨唇實(shí)船厚度比較 mm

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本文提供的各種規(guī)格錨鏈對(duì)應(yīng)不同部位錨唇厚度基準(zhǔn)，錨唇厚度可減小1/3～1/2，重量一般可減輕 40%?？梢钥闯?，國(guó)內(nèi)原有經(jīng)驗(yàn)公式0.85d+(10～20)mm 相對(duì)大型船舶顯得過(guò)于保守。有了精益設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以一家船企年產(chǎn)量計(jì)，僅此即可減重300t，全行業(yè)更是效益可觀。船只整個(gè)壽命期內(nèi)航運(yùn)效益得到持久提高。如果在每一方面都做到精細(xì)設(shè)計(jì)，減重降耗接近國(guó)外先進(jìn)指標(biāo)是完全可以達(dá)到的。

[1]沈治平. 基于 GBS的造船綜合標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 上海造船，2010, (3)∶ .67-70.

[2]上海船舶研究設(shè)計(jì)院. 優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能減排[R]. 上海地區(qū)船企院所海事新規(guī)宣貫報(bào)告會(huì)，2010.

[3]沈治平，高建華，劉建維.錨臺(tái)（包括錨唇）[P]. 中國(guó)：03330693.1，2004.

[4]葉邦全，紀(jì)國(guó)利.錨設(shè)備[M]. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 舾裝分冊(cè). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.