潘良高，柏祥華

· （海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇 南京210006）

錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓強(qiáng)度校核計(jì)算分析

潘良高，柏祥華

· （海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇 南京210006）

為滿(mǎn)足CRS規(guī)范對(duì)甲板機(jī)械地腳螺栓受力的要求，本文介紹了地腳螺栓連接方法的選擇，并討論了上浪載荷和支持負(fù)載在不同工況下錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓的軸向載荷和橫向載荷的計(jì)算方法。

CRS規(guī)范；預(yù)緊力；上浪載荷；支持負(fù)載；當(dāng)量摩擦系數(shù)；剛度比

0 引言

當(dāng)前不同的甲板機(jī)械企業(yè)在錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容和方法上差異較大，因此其計(jì)算結(jié)果也大相徑庭，這嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的安全性。尤其在“CRS規(guī)范”實(shí)施后，為使該計(jì)算方法更加統(tǒng)一和嚴(yán)密，本文介紹了主要計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程和部分系數(shù)的選擇。

1 企業(yè)的習(xí)慣計(jì)算方法存在的問(wèn)題

(1)沒(méi)有考慮除各種工作負(fù)荷以外的附加負(fù)荷。如CB/T3877-2005“甲板機(jī)械一般要求”3.2條明確規(guī)定：“甲板機(jī)械的所有零部件應(yīng)能承受船上使用條件下所特有的載荷和應(yīng)力，如船的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、傾斜、搖擺、以及波浪沖擊等引起的額外載荷”。又如IACS“國(guó)際船級(jí)社”編寫(xiě)的CSR“共同結(jié)構(gòu)規(guī)范”(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為CRS規(guī)范)要求考慮上浪載荷對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。

(2)在錨機(jī)和絞車(chē)的左右側(cè)和后方?jīng)]有安裝止推塊，由工作載荷以外的附加載荷產(chǎn)生的剪切力只能靠螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力承擔(dān)，但圖紙上沒(méi)有規(guī)定地腳螺栓的預(yù)緊力和預(yù)緊力矩，計(jì)算書(shū)中摩擦力沒(méi)有考慮由螺栓軸向力產(chǎn)生的螺栓伸長(zhǎng)對(duì)摩擦力的減小值，實(shí)際上采用的是“松連接”的計(jì)算方法。

(3)螺栓強(qiáng)度安全系數(shù)許用值、螺栓的預(yù)緊力、結(jié)合面摩擦系數(shù)的取值都沒(méi)有對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，取值比較混亂。

(4)CRS規(guī)范規(guī)定結(jié)合面摩擦系數(shù)為0.5與實(shí)際情況不符，有待討論。

2 錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓連接方法的選擇

在錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓連接方式可以有以下4種方法可供選擇：

(1)松連接方式

這種螺栓在連接裝配時(shí)，螺母不需擰緊，在承受工作載荷之前，螺栓不受力。這種螺栓使用在拉桿、起重釣鉤等場(chǎng)合，對(duì)于錨機(jī)和絞車(chē)顯然是不合適的。

(2)不控制預(yù)緊力的連接方式

這種連接安裝時(shí)要預(yù)緊，但圖紙或技術(shù)資料沒(méi)有規(guī)定預(yù)緊力的數(shù)值，安裝操作控制不嚴(yán)，由于螺栓承載能力與預(yù)緊力的大小關(guān)系極大，對(duì)于重要的受力零件是不合適的。我們的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，大部分是采用這種設(shè)計(jì)，而且螺栓的許用拉伸應(yīng)力是按松連接方式選取，顯然是不合理的。

(3)控制預(yù)緊力的連接方式

螺栓一般選用高強(qiáng)度螺栓，螺栓可同時(shí)承受軸向力和橫向剪力，整體性能好，抗疲勞能力強(qiáng)，在起重機(jī)機(jī)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。這種連接方式的關(guān)鍵是如何施加預(yù)緊力。在GB/T 16823.2-1997“螺紋緊固件緊固通則”中提出了3種擰緊方法：第一種方法是扭矩法，只對(duì)緊固扭矩進(jìn)行控制，操作簡(jiǎn)便，但是，由于緊固扭矩的90%左右被螺紋和和支承面所消耗，由于摩擦系數(shù)與螺栓的材料、加工精度、潤(rùn)滑情況、支承面的光潔度或墊片材料等多種因素有關(guān)，因此離散度較大，預(yù)緊力控制不準(zhǔn)。第二種方法是轉(zhuǎn)角法，將螺栓與螺母相對(duì)回轉(zhuǎn)角度作為指標(biāo)進(jìn)行控制，該方法由于轉(zhuǎn)角的計(jì)算誤差較大轉(zhuǎn)角大小的測(cè)量也較困難。第三種方法是扭矩斜率法，該方法對(duì)初始預(yù)緊力的控制和螺栓的屈服點(diǎn)要控制很?chē)?yán)，緊固工具較復(fù)雜。根據(jù)我們跟國(guó)外合作生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，采用液壓拉力扳手應(yīng)是預(yù)緊力最準(zhǔn)確操作、最簡(jiǎn)單的一種方法，其原理是先把螺栓拉伸變形(拉伸力等于預(yù)緊力)，再把螺母旋緊，該工具市場(chǎng)有售。

(4)利用止推快或鉸制孔螺栓連接

用止推快或鉸制孔螺栓來(lái)承受波浪產(chǎn)生的橫向剪力。

隨著連接方法的不同，螺栓連接的安全系數(shù)相差很大，具體見(jiàn)表1，所以連接方法的確定是螺栓強(qiáng)度計(jì)算的前提，同時(shí)不同的連接方式對(duì)可靠性和經(jīng)濟(jì)性都至關(guān)重要。

表1 螺紋連接的安全系數(shù)[SL]

表1中：[SL]為拉伸強(qiáng)度安全系數(shù)；[ST]為剪切強(qiáng)度安全系數(shù)；[SP]為擠壓強(qiáng)度安全系數(shù)；[SLa]為疲勞計(jì)算拉伸強(qiáng)度安全系數(shù)。

碳鋼螺栓是指強(qiáng)度等級(jí)在6.8級(jí)以下的普通螺栓，合金鋼螺栓是指高于或等于8.8級(jí)的高強(qiáng)度螺栓。

3 地腳螺栓軸向力的計(jì)算

錨機(jī)和絞車(chē)地腳螺栓軸向力的計(jì)算除了要考慮各種使用工況外，還要考慮制動(dòng)器緊邊拉板的固定方式。具體有以下幾種因素要加以考慮。

A.絞車(chē)額定工況和錨機(jī)的超載工況強(qiáng)度計(jì)算

錨機(jī)和絞車(chē)在一定拉力下工作時(shí)，對(duì)于地腳螺釘來(lái)說(shuō)，根據(jù)r=Pmax/Pmin=1，即其應(yīng)力特性既不是對(duì)稱(chēng)循環(huán)也不是脈動(dòng)循環(huán)，而是靜力，故不需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。

B.支持負(fù)載作用下的靜強(qiáng)度計(jì)算。由于絞車(chē)的出繩方向是任意的，只有通過(guò)計(jì)算才能判斷是支持負(fù)載和額定工況哪種情況螺栓受力最大。

C.CRS規(guī)范規(guī)定的上浪沖擊引起的傾覆力矩靜強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品功能，具體計(jì)算內(nèi)容要求如表2所示。

表2 螺栓軸的產(chǎn)品功能、具體結(jié)構(gòu)以及計(jì)算項(xiàng)目

4 上浪載荷作用下螺栓軸向力的計(jì)算

CRS規(guī)范只是對(duì)由波浪所產(chǎn)生的軸向力和剪切力大小提供了單項(xiàng)計(jì)算方法，沒(méi)有對(duì)選擇螺栓總體計(jì)算提出方法和要求，如采用哪一種連接方式，螺栓總拉力如何計(jì)算，預(yù)緊力要求、安全系數(shù)的選擇等，設(shè)計(jì)者必須自己創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型。

在上浪載荷作用下，單個(gè)螺栓軸向力計(jì)算方法如下：

船首來(lái)浪作用下單個(gè)螺栓的軸向力Rxi

船側(cè)來(lái)浪作用下單個(gè)螺栓的軸向力RYi

錨機(jī)或絞車(chē)自重對(duì)螺栓軸向力的減小值RSi

上浪載荷工況單個(gè)螺栓軸向力之和Ri

Ri是一組數(shù)據(jù)大小不等，取Ri的最大值Rimax進(jìn)行強(qiáng)度較核。

式(1)、(2)、(3)、(4)中：Px(kN)為船首來(lái)浪作用力；PY(kN)為船側(cè)來(lái)浪作用力；h(cm)為錨機(jī)軸線離安裝平面的高度(中心高)；A(cm2)為單個(gè)螺栓的橫剖面面積；Ix(cm4）為各螺栓橫剖面面積對(duì)Y軸的慣性距之和；IY(cm4)為各螺栓橫剖面面積對(duì)X軸的慣性距之和；RSi(kN)為由錨機(jī)重量作用在單個(gè)螺栓上的靜反力；W(T)為錨機(jī)或絞車(chē)的自重；N為螺栓的總數(shù)量；X(1-i)為螺栓編號(hào)為i的X坐標(biāo)；Y(1-i)為螺栓編號(hào)為i的Y坐標(biāo)。

在式(1)、(2)計(jì)算前，首先要確定如何建立平面坐表體系，對(duì)于錨機(jī)“CRS規(guī)范”已有示例，坐標(biāo)以錨鏈輪中心平面俯視投影為X軸；以鏈輪軸的俯視投影為Y，與施加力的方向相反的方向?yàn)檎?。?duì)于絞車(chē)或組合機(jī)，“CRS規(guī)范”沒(méi)有示例，情況比較復(fù)雜分別討論如下：

① 在作上浪載荷計(jì)算時(shí)，對(duì)于同軸式起錨/系泊組合機(jī)可作為整體考慮，以最外側(cè)兩組螺栓軸線的中間平分線為X軸，以鏈輪軸(卷筒軸)的俯視投影為Y軸。對(duì)于非同軸式起錨/系泊組合機(jī)，應(yīng)將錨機(jī)和絞車(chē)部分單獨(dú)計(jì)算。

② 在作上浪載荷計(jì)算時(shí)，對(duì)于絞車(chē)以最外側(cè)兩組螺栓軸線的中間平分線為X軸，以卷筒軸的俯視投影為Y軸。

③ 在作支持負(fù)載計(jì)算時(shí)，對(duì)于起錨/系泊組合機(jī)要用兩種程序分別對(duì)起錨和系泊兩種工況分別計(jì)算。

螺栓在預(yù)緊力和上浪載荷產(chǎn)生的軸向拉力的共同作用下，由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力并不等于二者之和，其具體數(shù)值要按(5)式來(lái)計(jì)算。

考慮預(yù)緊力后，上浪載荷工況下螺栓的總拉力FBL：

式(5)中：F0(kN)為螺栓的預(yù)緊力，在本地腳螺栓計(jì)算程序的附錄中查找，該附錄中的數(shù)據(jù)是本公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

K為螺栓和被連接件的相對(duì)剛度。

K值的大小見(jiàn)表3，為機(jī)械設(shè)計(jì)推薦值。

表3 K值的大小

從式(5)、(6)可以看出，增加底座的剛度K值減小，螺栓的總拉力FBL將減小，但是底座的剛度增加會(huì)提高制造成本。預(yù)緊力F0減小螺栓的總拉力F2也將減小，但預(yù)緊力F0減小，摩擦力承受剪力的能力會(huì)減少，所以如果使用止推快承受剪力，預(yù)緊力可選小值。從式(5)還可說(shuō)明，如不控制預(yù)緊力，螺栓的強(qiáng)度是無(wú)法進(jìn)行計(jì)算的。上浪載荷工況下螺栓軸向拉伸載荷安全系數(shù)SBL：

式(7)中：F1為螺栓的保證載荷，從GB/T 3098.1-2000中選取

[SL]為軸向拉伸許用安全系數(shù)。從表1可看出：[SL]的大小與連接方式有很大關(guān)系。

5 緊邊拉板焊接在錨機(jī)底座上承受支持負(fù)載時(shí)螺栓軸向力的計(jì)算

由于支持負(fù)載數(shù)值很大，幾乎所有的設(shè)計(jì)都是靠錨機(jī)或絞車(chē)前方的止推快來(lái)承受剪切力，此時(shí)只用對(duì)螺栓的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。由于支持負(fù)載與上浪載荷的方向相反，故必須重新設(shè)定坐標(biāo)系，X軸方向與前相反。

支持負(fù)載力的作用點(diǎn)距安裝平面的高度h1

式(8)、(9)中：d為錨鏈直徑(mm)；dS為繩索直徑(mm)；Z為錨鏈輪齒數(shù)；DT為卷筒直徑(mm)；C為出繩方向代號(hào)，上出繩C=+1；下出繩C=-1；支持負(fù)載X方向水平分力PmZX

支持負(fù)載垂直分力PmZZ

式(10)、(11)中：PmZ為支持負(fù)載(kN)，γ為錨鏈或繩索與水平面的夾角(度)，當(dāng)出繩方向在水平面以上時(shí)γ取負(fù)值，水平面以下時(shí)γ取正值。

支持負(fù)載水平分力產(chǎn)生的單個(gè)螺栓軸向力RZXi

支持負(fù)載垂直分力產(chǎn)生的單個(gè)螺栓軸向力RZZi

式(13)中：N為地腳螺栓的總數(shù)

支持負(fù)載時(shí)單個(gè)螺栓的軸向外力合力的最大值RZimax

式(14)中RxiZmax為支持負(fù)載X方向水平分力產(chǎn)生的單個(gè)螺栓軸向力RxiZ的最大值。

考慮預(yù)緊力后，支持負(fù)載時(shí)螺栓的總拉力FZZ

支持負(fù)載時(shí)螺栓軸向載荷計(jì)算的安全系數(shù)SZZ

對(duì)于制動(dòng)器緊邊拉板焊在船體上的支持負(fù)載、卷筒負(fù)載和錨機(jī)的超載工況螺栓強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算方法與上相似，這里不再介紹。

6 關(guān)于上浪載荷橫向力與螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力關(guān)系

在傳統(tǒng)的地腳螺栓強(qiáng)度計(jì)算中，沒(méi)有考慮上浪載荷產(chǎn)生的切向力，在CRS規(guī)范的螺栓強(qiáng)度計(jì)算方法中，只是將波浪載荷分解為螺栓的軸向載荷及水平方向的剪切力，提出“按這些要求計(jì)算的軸向拉力和壓力以及橫向力，也在支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮”，在支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，橫向力可由鉸制孔螺栓、止推塊或者由螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向力都是可以的。

到底能不能用螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受剪切力，分析如下：

在船用回轉(zhuǎn)起重機(jī)與機(jī)座的連接中基本都是靠預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向載荷的，但是必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的計(jì)算和嚴(yán)格控制安裝預(yù)緊力。

錨機(jī)和絞車(chē)在沒(méi)有采用CRS規(guī)范要求的考慮橫向力計(jì)算以前，也是極少發(fā)現(xiàn)錨機(jī)和絞車(chē)掉到海里去的，這說(shuō)明采用高強(qiáng)度螺栓控制預(yù)緊力的方法是可行的。

普通螺栓由于強(qiáng)度不高，在外載荷軸向力的作用下，伸長(zhǎng)變形量大，使錨機(jī)底座和船上安裝底座之間易產(chǎn)生間隙，隨著正壓力的減小，摩擦力梯減速度很快，所以靠摩擦力來(lái)承受橫向力的連接，必須采用8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度螺栓。

控制預(yù)緊力的高強(qiáng)度螺栓連接剪切力計(jì)算方法如下：

上浪載荷作用在第i個(gè)螺栓上X方向剪力Fxi

上浪載荷作用在第i個(gè)螺栓上Y方向剪力FYi

式(17)、(18)中：α為摩擦系數(shù)；g為重力加速度摩擦系數(shù)α的大小對(duì)摩擦力的影響極大，取值多少各種標(biāo)準(zhǔn)和資料不一致，為便于分析介紹如下：

GB 3811-2008“起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范”要求按表4選取。

“機(jī)械設(shè)計(jì)”西北工業(yè)大學(xué)推薦按表5選取。

CRS規(guī)范取摩擦系數(shù)為0.5。

表4 “起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范”連接結(jié)合面的摩擦系數(shù)

表5 “機(jī)械設(shè)計(jì)”連接結(jié)合面的摩擦系數(shù)

分析意見(jiàn)：

根據(jù)CB/T 4000-2005“中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”3.4.2的規(guī)定：船上安裝必須用厚度大于12mm的鋼墊片，鋼墊片的表面粗糙度在0.0063～0.0125mm，墊片與基座間間隙在0.06～0.10mm,因此摩擦系數(shù)的取值按表4中“干燥的加工表面”來(lái)選取，摩擦系數(shù)最大為0.16，CRS規(guī)范取0.5顯然不安全。用α=0.16，g=9.81代入式(17)、(18)得：

單個(gè)螺栓上浪載荷產(chǎn)生的合成剪力Fi

在上浪載荷和預(yù)緊力作用下對(duì)單個(gè)螺栓對(duì)底座產(chǎn)生的正壓力F3，可計(jì)算如下。

由于上浪載荷產(chǎn)生的軸向力Rimax作用在底座上，使螺栓的拉力增大，螺栓在預(yù)緊力伸長(zhǎng)的基礎(chǔ)上再伸長(zhǎng)一個(gè)數(shù)值，使錨機(jī)或絞車(chē)底痤與船上底座的正壓力減小，其減小量除與Rimax有關(guān)外，還與螺栓和底座的剛度比β有關(guān)。根據(jù)有關(guān)資料介紹，β一般為0.8～0.9，但考慮到由于壓力減少，接觸面上的當(dāng)量摩擦系數(shù)也可能變小，(實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)度螺栓的抗剪能力主要是由于壓緊面粗糙不平的相嵌產(chǎn)生的)，故將β值適當(dāng)放大，常取1.25～1.4，本計(jì)算程序取β＝1.3，于是得到：

摩擦力抵剪力的強(qiáng)度條件：

[SZ]根據(jù)表1取1.3。

7 結(jié)論

對(duì)錨機(jī)和絞車(chē)地腳受力進(jìn)行計(jì)算，必須對(duì)計(jì)算結(jié)果分析后確定連接型式；當(dāng)螺栓的軸向拉力安全系數(shù)[SZ]合格，而剪切強(qiáng)度安全系數(shù)[SL]不合格時(shí)，必須考慮用止推快來(lái)承受上浪載荷的橫向力；如果軸向拉力安全系數(shù)[SZ]不合格，則必須增加螺栓的數(shù)量或加大螺栓的直徑。不管采用何種連接方法連接，設(shè)備總圖上都必須標(biāo)出螺栓的預(yù)緊力，其大小必須符合計(jì)算采用的數(shù)值。

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

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,

[3]GB 3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]“鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范”第10篇 散貨船結(jié)構(gòu)(CSR).

[5]CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[M].北京:人民交通出版社,2012.

[6]CB/T 3877-2005 甲板機(jī)械一般要求[S].

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

Strength Check Calculation and Analysis of Base Bolts of Anchor Windlass and Mooring Winch

PAN Liang-gao,BO Xiang-hua
(Navy Representative at Space Mechanical and Electrical,Nanjing 210006,China)

For the deck machinery,in order to meet the requirements of the CRS specification with the force of the base bolts,this article introduces the selection of the joined methods.The calculation method of the axial load and the horizontal load of base bolts under different working conditions with the waves load and the holding load are discussed.

CRS specification; pre-tightening force; wind and waves load; holding load; equivalent coefficient of friction; stiffness ratio

U662

A

潘良高（1965-），男，高級(jí)工程師，研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備監(jiān)造及發(fā)展研究。