吳玉琴

● （上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

甲板機(jī)械環(huán)氧樹脂墊塊的應(yīng)用及理論計(jì)算研究

吳玉琴

● （上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

通過對比與傳統(tǒng)鋼質(zhì)環(huán)氧樹脂墊塊的優(yōu)缺點(diǎn)以及對環(huán)氧樹脂墊塊的可靠性分析，得出了其應(yīng)用于甲板機(jī)械設(shè)備安裝上的優(yōu)越性；同時結(jié)合CCS規(guī)范，通過對復(fù)合式錨絞機(jī)安裝的受力分析，對目前的環(huán)氧樹脂墊塊理論計(jì)算提出了不同的看法，并研究出一套更為合理的理論計(jì)算方法，為拓寬了環(huán)氧樹脂技術(shù)在甲板機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用范圍提供了技術(shù)支持。

錨絞機(jī)安裝；環(huán)氧樹脂墊塊；螺栓預(yù)緊力；動態(tài)載荷；總靜壓應(yīng)力

0 引言

為有效傳遞錨絞機(jī)的垂向受力問題，傳統(tǒng)的安裝方法大都采用金屬墊塊，這樣的安裝方法至少有幾十年的歷史。人們對于這種形式的設(shè)計(jì)、加工和安裝過程中的質(zhì)量控制等問題有著一整套較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，并在多年實(shí)踐過程中幾乎沒有發(fā)生過重大的質(zhì)量問題；其次也是受到船級社規(guī)范的影響。因?yàn)楦鶕?jù)規(guī)范規(guī)定，建議優(yōu)先選用金屬材質(zhì)的墊塊。從上世紀(jì)七十年代初，隨著出口船舶訂單的出現(xiàn)，環(huán)氧樹脂墊塊技術(shù)才開始逐漸進(jìn)入我國的造船業(yè)。

1 環(huán)氧樹脂墊塊的可靠性分析

1.1 環(huán)氧樹脂墊塊的優(yōu)勢

通過對比各種材質(zhì)的性能（表 1），可以總結(jié)出環(huán)氧樹脂墊塊具有如下特點(diǎn)：

1）接觸面積較鋼質(zhì)墊塊大

為安裝及拂刮需要，設(shè)計(jì)每塊金屬墊塊的尺寸及重量時都要顧及工人搬運(yùn)與加工的方便，有時候一個受力面要分隔成好幾塊墊塊才能滿足要求，這樣會造成墊塊與基座的接觸面積減少。而環(huán)氧樹脂墊塊可與錨絞機(jī)基底面、底座面完全接觸，從而保證了設(shè)備的準(zhǔn)確安裝；

2）摩擦系統(tǒng)大

在安裝甲板機(jī)械和其他機(jī)械設(shè)備時，對基座面要求不高，無需機(jī)加工，并能在不規(guī)則的表面上進(jìn)行墊塊的現(xiàn)場澆注工作，并達(dá)到100%的接觸。設(shè)備基座和底座之間極難發(fā)生相對滑動，也不會發(fā)生磨損現(xiàn)象，所以螺栓不易松動；

3）比重小

重量輕，能減少空船重量，尤其是對建造大型船舶，如40萬噸礦砂船等，甲板機(jī)械設(shè)備的數(shù)量眾多的情況下，效果尤為明顯；

4）室溫澆注，工藝簡單，施工周期短

傳統(tǒng)安裝錨絞機(jī)的方法是;在設(shè)備基座和底座之間采用采用鑄鐵件或鋼質(zhì)件作為調(diào)整墊塊。設(shè)備基座面、墊塊的上下兩面及底座上表面都需要用專用機(jī)床進(jìn)行加工，并留有0.1mm～0.2mm的研磨余量。按《中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[1]的要求，對每塊墊塊進(jìn)行拂刮，以滿足表面粗糙度Ra6.3的要求，而且每處墊塊與基座及底座之間的間隙用 0.06的塞尺測量，其插入深度不得超過10mm。整個安裝過程不僅機(jī)加工面多，拂刮工作量大，而且勞動強(qiáng)度大，施工及檢驗(yàn)周期長。

表1 環(huán)氧樹脂墊塊與金屬墊塊物理性能方面的比較

1.2 環(huán)氧樹脂墊塊的不足

1）環(huán)氧樹脂是一種粘彈性材料，在同樣的結(jié)構(gòu)、溫度、外力作用下，其蠕變比鋼、鑄鐵嚴(yán)重；

2）抗壓強(qiáng)度比金屬墊塊低，考慮到上浪力及錨鏈在收放過程中產(chǎn)生的沖擊力，有一部分船東對使用環(huán)氧樹脂墊塊有顧慮；

3）各個船級社對于環(huán)氧樹脂墊塊的理論計(jì)算缺乏統(tǒng)一完整的認(rèn)可方法，目前的理論計(jì)算僅依靠廠家提供，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂墊塊在甲板機(jī)械安裝上的應(yīng)用還不夠廣泛。

2 現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂墊塊的理論計(jì)算

2.1 船級社的設(shè)計(jì)認(rèn)可

目前，錨絞機(jī)的安裝理論計(jì)算基本上有供應(yīng)商負(fù)責(zé)，GL、CCS明確要求提供理論計(jì)算送審，其它船級社，諸如BV、DNV等沒有明確表示一定要審查，而LR明確表示不需要送審。

2.2 理論計(jì)算依據(jù)

按照我國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)要求》（CB/T3514-92）[3]，設(shè)備自重的靜壓應(yīng)力σg≤0.7N/mm2；總靜壓應(yīng)力σ≤3.5N/mm2；由以上兩個參數(shù)決定墊塊的承壓總面積。

1）由設(shè)備自重產(chǎn)生在墊塊上的靜壓應(yīng)力σg

式中，W為錨絞機(jī)的重量，N；A為環(huán)氧樹脂墊塊總有效面積，mm2。

2）由設(shè)備自重和螺栓的預(yù)緊力而產(chǎn)生在墊塊上的總靜壓應(yīng)力σ

式中，F(xiàn)T為螺栓總的預(yù)緊力，N。

對于總靜壓應(yīng)力σ，在不同的使用溫度下，具有不同的總靜壓應(yīng)力允許值，參見表2；而且不同的船級社都有各自的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)船級社按 70℃的使用溫度來選取總靜壓應(yīng)力，即σ=5.9N/mm2

表2 環(huán)氧樹脂墊塊在不同使用溫度下的總靜壓應(yīng)力允許值

3）螺栓的總擰緊力FT

在計(jì)算螺栓擰緊力時，除了記及總靜壓應(yīng)力的限制，還有確保設(shè)備完成安裝后不能移動（一般總擰緊力應(yīng)大于錨絞機(jī)的重量的2.5倍）。

根據(jù)公式（2）及表2得：

然后檢驗(yàn)FT/W是否大于2.5，否則就不能確保設(shè)備不移動。

4）單個螺栓的預(yù)緊力

式中，F(xiàn)p為單個螺栓的預(yù)緊力，N；n為螺栓總數(shù)。

5）螺栓的擰緊力矩（Nm）

式中，dm為安裝用的螺栓的螺紋中徑，mm。

6）螺栓應(yīng)力校核[4]

式中，F(xiàn)b為單個螺栓的預(yù)緊力，N；σs為螺栓材料的屈服強(qiáng)度，N/mm2。

7）實(shí)例計(jì)算

以某船錨絞機(jī)為例，用上述計(jì)算方法進(jìn)行螺栓擰緊力的計(jì)算。所需的環(huán)氧樹脂墊塊及螺栓分布如圖1所示。

圖1 環(huán)氧樹脂墊塊及螺栓分布圖

墊塊總面積為 809800mm2；螺栓通孔總面積為30627mm2；環(huán)氧樹脂墊塊總有效面積A為779173mm2；M36螺栓，其螺紋中徑dm為33.4m；M42螺栓，其螺紋中徑dm為39.07m。

由公式（1）～（5）可得，單個螺栓的預(yù)緊力為195234N。對于錨機(jī)鏈輪部分的螺栓M36，其擰緊力矩：1304.16Nm；實(shí)際選取1300Nm；對系泊絞車部分的螺栓M42，其擰緊力矩：1525.55 Nm；實(shí)際選取1500Nm。

到目前為止關(guān)于錨絞機(jī)的環(huán)氧墊塊安裝計(jì)算，幾乎所有的供應(yīng)商及船級社都是采用上述理論計(jì)算方法。但是這樣的計(jì)算方法是否合理呢？盡管它已經(jīng)考慮到總擰緊力應(yīng)大于錨絞機(jī)重量的2.5倍，但這個理論值是否能真正抵消由于上浪載荷及錨絞機(jī)在正常工作時的動態(tài)載荷而引起的實(shí)際預(yù)緊力呢？

3 結(jié)合動態(tài)載荷，對現(xiàn)有的理論計(jì)算作進(jìn)一步研究

3.1 動態(tài)載荷分析

其實(shí)，上述理論計(jì)算僅記及了靜態(tài)載荷，而沒有考慮由于錨絞機(jī)在正常工作時動態(tài)載荷及規(guī)范要求的上浪載荷。按各船級社規(guī)定：

1）錨絞機(jī)工作時，其鏈輪部分所承受的最大載荷應(yīng)為：45%錨鏈破斷載荷；

2）系泊絞車工作時，其卷筒部分所承受的最大載荷應(yīng)為：80%纜繩破斷載荷；

3）對所有船長80m及以上的船舶，距夏季載重線以上高度小于0.1L或22m，取小者，露天甲板上位于距船首0.25L區(qū)域內(nèi)的錨機(jī)，要考慮上浪載荷。當(dāng)系泊絞車和錨機(jī)為整體式時，系泊絞車被認(rèn)為是錨機(jī)的一部分；上浪載荷的計(jì)算方法可參考2009 CCS《鋼規(guī)》[5]第2篇第3章要求。

3.2 設(shè)備分類

根據(jù)CHOCKFAST提供的船用環(huán)氧樹脂產(chǎn)品的指導(dǎo)性文件692D中的規(guī)定，船舶設(shè)備一般分成兩類：精確對中型及非精確對中型。錨絞機(jī)就是屬于非精確對中型設(shè)備。對于非精確對中型設(shè)備，設(shè)備自重產(chǎn)生的靜壓應(yīng)力可以不受限制，主要考慮總靜壓應(yīng)力。表3列出了兩種產(chǎn)品在各種狀態(tài)下總靜壓應(yīng)力最大允許值。

表3 不同產(chǎn)品在各種狀態(tài)下靜壓應(yīng)力最大允許值（N/mm2）

從而得出結(jié)論：1）采用CHOCKFAST ORANGE產(chǎn)品時，對于非精確對中型設(shè)備，其總靜壓應(yīng)力可放寬至8.27 N/mm2；2）采用CHOCKFAST ORANGE產(chǎn)品時，對于非精確對中型設(shè)備，考慮到偶爾產(chǎn)生的突發(fā)沖擊力，其總靜壓應(yīng)力可短時承受至68.95 N/mm2。

3.3 推薦的理論計(jì)算方法

經(jīng)過對上述動態(tài)載荷分析及設(shè)備分類，可以得到如下的理論計(jì)算方法：

1）分別按 3.1節(jié)中規(guī)定的三種載荷，計(jì)算出作用在單個螺栓上的預(yù)緊力，從而得到為克服這些載荷，需要施加在各個螺栓上的最大預(yù)應(yīng)力值；

2）按各個螺栓的預(yù)應(yīng)力值，計(jì)算出施加在各環(huán)氧墊塊的實(shí)際壓應(yīng)力；

3）環(huán)氧墊塊所承受的總靜壓應(yīng)力應(yīng)為設(shè)備自重引起的靜壓應(yīng)力σg及螺栓的實(shí)際壓應(yīng)力之和；

4）按式（6）校核螺栓的強(qiáng)度是否在允許范圍以內(nèi)；

5）按表3驗(yàn)證總靜壓應(yīng)力是否在允許范圍以內(nèi)；

6）由于各船級社目前還未認(rèn)可表3中的數(shù)值，所以，除了要考慮上述因克服動態(tài)載荷所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力值外，還要按船級社規(guī)范值（5.9N/mm2）進(jìn)行計(jì)算。若動態(tài)載荷所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力值大于規(guī)范值，但總靜壓應(yīng)力在表3允許范圍內(nèi)，可及時與廠商聯(lián)系溝通，讓他們及時修正計(jì)算中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并取得船級社認(rèn)可；若動態(tài)載荷所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力值小于規(guī)范值，且總靜壓應(yīng)力也在表3允許范圍內(nèi)，則可維持原有的計(jì)算；若動態(tài)載荷所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力值大于規(guī)范值，且總靜壓應(yīng)力也超出了表3中規(guī)定的允許值，則一定要及時通知船廠，改用金屬材質(zhì)的墊塊，或要求設(shè)備廠家加大地腳面積。

3.4 實(shí)例計(jì)算

2.2節(jié)實(shí)例計(jì)算中已經(jīng)對某客滾船的錨絞機(jī)按船級社的規(guī)范值（5.9N/mm2）進(jìn)行了計(jì)算，接下來將按三種實(shí)際的動態(tài)載荷工況再作進(jìn)一步計(jì)算：

按圖 1可得：錨機(jī)軸線離安裝平面的高度h1為900mm；錨鏈輪出繩點(diǎn)高度h1b為1251mm；系泊索出繩點(diǎn)高度h2b為1278mm；系纜滾筒高度h2為900mm；錨機(jī)總高度H為1871mm；平行于軸線的錨機(jī)計(jì)算寬度B為4091mm；垂直于軸線的錨機(jī)計(jì)算長度L為2016mm；錨絞機(jī)重W為 106.73kN；垂直于軸線的作用力Px為1530.85kN；平行于軸線的作用力Py為1414.48kN；錨鏈破斷力Fb1為2430kN；系索破斷力Fb2為425kN

錨鏈與止鏈器夾角αb1為20°；系泊索導(dǎo)出角度αb2為6°；錨機(jī)螺栓數(shù)量、尺寸及等級為15×M36（8.8級）；系泊絞車螺栓數(shù)量、尺寸及等級為 8×M42（8.8級）。計(jì)算過程及方法可參考CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2篇第3章第2節(jié)的要求[5]。

從各個螺栓的受力計(jì)算（略）中，得出如下結(jié)論：

1）分別考慮上浪載荷及鏈輪的破斷載荷，在鏈輪基座下的15個M36的螺栓中，受力最大值為167.24kN，發(fā)生在第12號螺栓的上浪狀態(tài)下；

2）分別考慮上浪載荷及纜繩的破斷載荷，在系泊絞車基座下的8個M42的螺栓中，受力最大值為217.09kN，發(fā)生在第1號螺栓的上浪狀態(tài)下；

3）對于鏈輪部分的螺栓 M36，其最大擰緊力矩為1117.23Nm。該值比規(guī)范值小，實(shí)際選取可按規(guī)范值，即為1300Nm；對系泊絞車部分的螺栓M42，其最大擰緊力矩為1696.65Nm。該值比規(guī)范值大，應(yīng)按實(shí)際應(yīng)力取值，實(shí)際選取1700Nm。

4）按式（2）及表3計(jì)算總靜壓應(yīng)力值，并校核；

σ=(W+FT)/A=0.137+3.75+2.23=6.117N/mm2≤8.27N/mm2

5）按式（6）計(jì)算螺栓的實(shí)際應(yīng)力，并校核；

M42 螺栓：σb=181.56 N/mm2≤0.5σs

M36 螺栓：σb=222.31 N/mm2≤0.5σs

4 結(jié)束語

本文通過理論及實(shí)例計(jì)算證明，目前送船級社認(rèn)可的環(huán)氧樹脂墊塊的理論計(jì)算是有缺陷的，因?yàn)樗鼪]有如實(shí)地反映出錨絞機(jī)的實(shí)際受力情況；通過設(shè)備分類可知，如果錨絞機(jī)屬于非精確對中型設(shè)備，那么其環(huán)氧樹脂墊塊的靜壓應(yīng)力最大允許值可以放寬至8.27N/mm2，這無疑拓寬了環(huán)氧樹脂在船舶設(shè)備上的應(yīng)用范圍。但這一參數(shù)能否被船級社認(rèn)可并接受呢？有待于供應(yīng)商能否提供足夠的技術(shù)支持讓各大船級社認(rèn)可。

[1]CB/T 4000-2005. 中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2005.

[2]CCS. 材料與焊接規(guī)范[M]. 2009.

[3]CB/T 3514-92. 船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)要求[S].1992.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 第5版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]CCS. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M]. 2009.

海南首個海上風(fēng)電項(xiàng)目獲批

記者從海南可再生能源協(xié)會了解到，目前海南風(fēng)電行業(yè)發(fā)展平穩(wěn)，海南風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)30.3萬千瓦，華能、國電、中海油等央企已搶占海南風(fēng)電發(fā)展先機(jī)，促使形成了海南風(fēng)電占新能源主導(dǎo)格局的態(tài)勢。

截至目前，海南已并網(wǎng)運(yùn)行的陸上風(fēng)電廠共有5個，分別是海南東方風(fēng)力發(fā)電廠、華能文昌風(fēng)電廠、中海油四更風(fēng)電廠、儋州峨蔓風(fēng)電廠、東方感城風(fēng)電廠，裝機(jī)容量約為25.47萬千瓦，占海南電網(wǎng)各類電源裝機(jī)容量的7.2%;正在驗(yàn)收階段的風(fēng)電廠為東方高排風(fēng)電廠，裝機(jī)容量4.8萬千瓦。海南省風(fēng)電廠送出線路接入110千伏變電站或220千伏變電站的110千伏側(cè)，均能滿足送出需要。去年，海南風(fēng)力發(fā)電共2.7億度。

據(jù)海南可再生能源協(xié)會秘書長范益民透露，風(fēng)能目前已拓展進(jìn)入風(fēng)光互補(bǔ)綜合應(yīng)用領(lǐng)域。位于臨高的“風(fēng)光互補(bǔ)示范工程6兆瓦風(fēng)電項(xiàng)目”獲得海南省發(fā)改委批準(zhǔn)，擬建設(shè)3臺2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，與已建成的臨高20兆瓦光伏發(fā)電站形成26兆瓦風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目，年均總上網(wǎng)電量將達(dá)3821萬。此外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，?？?、三亞兩地使用的“風(fēng)光互補(bǔ)路燈”已有上萬支。

針對此前海南區(qū)域內(nèi)風(fēng)電廠發(fā)生過多次風(fēng)電脫網(wǎng)事故，有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，隨著的技術(shù)條件的完善，對風(fēng)電接納能力的提高，情況已得到改善。

由于海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規(guī)模開發(fā)的特點(diǎn)，近幾年歐美國家均把風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向海上，許多大型風(fēng)電開發(fā)企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)正積極探索海上風(fēng)電發(fā)展之路。海南島四面環(huán)海，所轄海域面積達(dá)200多萬平方公里，占全國海域面積的2/3，發(fā)展海風(fēng)發(fā)電潛力巨大。中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司所屬的臨高海上試驗(yàn)風(fēng)機(jī)項(xiàng)目位于臨高縣臨高角北面海域，將安裝一臺單機(jī)容量6兆瓦的WTG136-6000型風(fēng)電機(jī)組作為試驗(yàn)樣機(jī)，該項(xiàng)目成為海南核準(zhǔn)的首個海上風(fēng)電項(xiàng)目，也是目前我國單機(jī)容量最大的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

Application of Epoxy Resin Pad to Deck Machinery Installation &Study on Its Theoretical Calculation

WU Yu-qin
(Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute，Shanghai 200032)

Compared with the traditional steel pad, this paper shows the advantages and disadvantages of application of epoxy resin pad. Through the reliability analysis, it shows the superiority of the application in the deck machinery installation. The theoretical calculation for a combined windlass/ mooring winch installation and stress analysis are also studied and analyzed in this paper on the basis of CCS rules, on which it shows a different view with the existing calculation, and to develop a more reasonable theoretical calculation, supplied technical support to broaden the technology of epoxy resin pad in the deck machinery on the application.

combined windlass/mooring winch Installation; epoxy resin pad; bolt tightening force; operational load; total static stress

U664.4

A

吳玉琴（1968-），女，高級工程師。研究方向：甲板機(jī)械安裝設(shè)計(jì)。