楊晨，劉寰

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著疏浚技術(shù)的日益發(fā)展，新的作業(yè)方式和能力不斷進(jìn)化，傳統(tǒng)“疏浚”的概念發(fā)生了很大變化，疏浚領(lǐng)域的范圍更加寬泛，疏浚施工難度越來越大，促使疏浚船舶向大型化趨勢發(fā)展[1]。目前世界最大絞吸船“SPARTACUS”號（在建）總裝機(jī)功率已達(dá)44 180 kW，絞刀功率9 000 kW。疏浚船舶的大型化必然推動其配套設(shè)備的同步發(fā)展。

大型工作絞車——起橋及橫移絞車，作為絞吸式挖泥船的輔助核心設(shè)備之一，具有體積大、載荷重、沖擊強(qiáng)、工作時間長的特點，額定工作載荷高達(dá)上百噸，如此重載的絞車與船體之間需通過高強(qiáng)度螺栓固定[2]。本文以“天鯤號”大型絞吸式挖泥船為例，對絞車地腳螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保絞車工作的安全性，同時為同類大型絞車地腳螺栓設(shè)計提供參考。

1 絞吸船起橋和橫移絞車簡介

起橋絞車多安裝在艏部甲板，運用鋼絲繩與橋架連接。根據(jù)不同挖泥深度，操縱橋架上下起落，使絞刀頭和泥面保持接觸。在施工過程中，當(dāng)挖完一層泥面，起橋絞車松鋼絲繩放低橋架高度，進(jìn)行下一層泥面挖掘。

橫移絞車通常安裝于橋架后部兩側(cè)，通過收放左右舷錨纜使挖泥船繞鋼樁運動。這些錨纜穿過設(shè)在絞刀附近的滑輪并與左右兩側(cè)的橫移絞車相連。收纜絞車稱為牽引絞車，拉動絞刀橫移，放纜絞車確保2根錨纜具有正確的張力[3-4]。

2 絞車地腳螺栓強(qiáng)度理論分析

2.1 計算依據(jù)

參照CCS《鋼質(zhì)海船入級》規(guī)范錨機(jī)固定強(qiáng)度要求，絞車第i個螺栓軸向受力可按式（1）、式（2）進(jìn)行計算[5]，計算模型示意圖見圖1。

式中：Rxi和Ryi為傾覆力矩作用在第i個螺栓上的軸向力，kN；Rzi為垂向外載作用在第i個螺栓上的軸向力，kN；Rsi為由設(shè)備重量作用在第i個螺栓組上的靜反力，kN；Px為垂直于軸線的水平作用力，kN；Py為平行于軸線的作用力，kN，舷內(nèi)側(cè)或舷外側(cè)，取較大者；Pz為垂直于軸線的豎直作用力，kN；h為錨機(jī)軸線離安裝平面的高度，mm；xi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的x方向坐標(biāo)，mm；yi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的y方向坐標(biāo)，mm；Ai為第i個螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，mm2；N為地腳螺栓總數(shù)；Ix為N個螺栓組對y軸慣性矩之和，Ix=∑Aixi2，mm4；Iy為N個螺栓組對x軸慣性矩之和，Iy=∑Aiyi2，mm4。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Model of calculation

2.2 工作載荷條件螺栓強(qiáng)度分析

起橋絞車為下出繩，出繩角度始終不變，而橫移絞車為上出繩，出繩角度隨挖深變化，同時橫移絞車工作頻率較高，地腳螺栓受力更大。鑒于篇幅限制，下文僅以橫移絞車為例進(jìn)行分析計算，起橋絞車類似。

“天鯤號”橫移絞車地腳螺栓布置如圖2所示，以左下角為起點沿逆時針方向為螺栓編號1—32，每4個螺栓為一組，共8組。螺栓規(guī)格為M42，Ai=1 385 mm2，Ix=2.142 × 1011mm4，Iy=2.107 ×1011mm4，強(qiáng)度等級8.8級，保證應(yīng)力600 MPa[6]。以1號螺栓中心為原點，水平向右為X軸，豎直向上為Y軸，建立輔助相對坐標(biāo)系X′O′Y′。各螺栓以及螺栓組形心相對坐標(biāo)（X′，Y′）如表1所示，借助相對坐標(biāo)系即可確定各螺栓的絕對坐標(biāo)（X，Y），其值見表1。

圖2 橫移絞車外形及地腳螺栓布置圖Fig.2 The shape of the side-winch and the layout of the foundation bolt

表1 橫移絞車地腳螺栓數(shù)據(jù)表Table 1 The data of the side-winch foundation bolt

如圖2所示，由于挖深不同，橫移絞車正常施工情況下，絞車出繩角度在48°～-17°范圍內(nèi)變化。將絞車?yán)ρ刎Q直方向和水平方向分解，可根據(jù)式（1）進(jìn)行螺栓軸向力計算。在不考慮絞車自重的條件下，絞車第i個地腳螺栓受力Ri為：

對于1臺確定的絞車，式中的P、h、Ai、Ix、N都為常數(shù)，因此Ri的大小與xi成正比，根據(jù)表1，第13號至第16號螺栓xi最大，ximax=2 923。絞車額定拉力P=1 450 kN，將各參數(shù)代入式（3）計算不同θ角度條件下Ri的最大值。

式中：ψ =arctan（67.55/45.3）=56°

當(dāng) sin（θ+ψ）=1時，即 θ為34°時Ri最大：Rimax=81.33 kN

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》，M42的應(yīng)力截面積As公稱=1 120 mm2。螺栓正應(yīng)力：σ =Rimax/As公稱=72.6 MPa

（2）長距離攻擊。長距離攻擊與短距離攻擊不同，指攻擊者在擁有一部分資源的情況下，直接對已經(jīng)存在的區(qū)塊進(jìn)行分叉，可能獲得更多的挖礦獎勵或者否認(rèn)某筆交易。

螺栓的保證應(yīng)力為 [σ]=600 MPa，因此安全系數(shù)n=[σ]/σ=8.26，工作載荷下螺栓強(qiáng)度滿足使用要求。

2.3 支持載荷條件螺栓強(qiáng)度分析

“天鯤號”橫移絞車支持負(fù)載為2 320 kN。絞車制動條件下出繩角度一定，為水平向上48°。絞車傾覆作用力臂由卷筒轉(zhuǎn)軸中心高度h升高到出繩切線高度H。在支持負(fù)載，不考慮絞車自重的條件下，絞車第i個地腳螺栓受力Ri：

同額定載荷一樣，距螺栓組形心距離最遠(yuǎn)的螺栓受力最大。代入各參數(shù)，求得：

因此安全系數(shù)n=[σ]/σ=4.4，支持載荷下螺栓強(qiáng)度滿足使用要求。

3 絞車地腳螺栓組強(qiáng)度有限元分析

上述理論計算將絞車機(jī)架做為剛性體，未考慮機(jī)架變形對螺栓受力的影響。在此假設(shè)條件下絞車鋼絲繩在圖3位置1或位置2出繩對地腳螺栓軸向受力沒有影響。都可以根據(jù)力的平移定理將出繩拉力F1或F2平移到螺栓組形心位置，用相同大小的作用力F和一個附加力偶M等效。而力偶M只會對螺栓Y向產(chǎn)生作用力，不會影響螺栓軸向受力大小。但在實際情況下，不同的出繩位置必然會對地腳螺栓軸向受力產(chǎn)生一定影響。因此，下文采用有限元法對支持載荷條件下單邊出繩工況地腳螺栓受力進(jìn)行分析，并與理論計算對比。

圖3 絞車出繩位置示意圖Fig.3 The position of the winch wirerope

3.1 有限元模型

利用三維軟件建立機(jī)架和螺栓模型。由于本計算旨在分析地腳螺栓受力情況，因此未將實體合并，共創(chuàng)建33個part（1個機(jī)架+32個螺栓）。為保證計算精度，螺栓和機(jī)架全部采用實體單元，利用mesh controll方法細(xì)化螺栓網(wǎng)格。螺栓和機(jī)架接觸面定義綁定約束。分別固定每個螺栓下表面，以便提取每個螺栓受力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因為絞車底座Z向（圖4所示方向）設(shè)有抗剪塊，實際條件下螺栓不受Z方向的剪切力，所以對機(jī)架施加Z向為0，X、Y方向為free的位移約束。在圖3所示位置1處施加遠(yuǎn)端載荷，水平分力1 552 kN，垂直分力1 724 kN，選取軸承座和齒輪箱固定面作為載荷作用面，從而模擬支持載荷條件下單邊出繩工況[7]，計算模型如圖4所示。

圖4 絞車有限元計算模型圖Fig.4 Finite element calculation model of the winch

3.2 計算結(jié)果分析

表2 地腳螺栓受力數(shù)據(jù)表Table 2 The force data of the foundation bolt kN

從表中可以看出各螺栓受力分布發(fā)生變化，但平均值基本一致。理論計算最大值為第13號至第15號螺栓，而模擬計算最大值為第21號螺栓，模擬結(jié)果最大值大于理論計算，計算結(jié)果增大31%。因此單純根據(jù)理論計算進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核時安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)放大。

對比第2組和第6組，第3組和第5組相同絕對坐標(biāo)（X向）的螺栓，其軸向受力理論值相同，如表2所示5號和24號，9號和20號等。但實際絞車出繩位置靠近第5組和第6組螺栓，靠近出繩端的螺栓受力要大于另外一側(cè)，有限元模擬值更符合事實。因而對存在單側(cè)出繩工況的絞車而言，若僅采用理論計算，為保證安全可按單邊螺栓受力進(jìn)行。

由于絞車X向（圖4所示）沒有設(shè)置抗剪塊，機(jī)架變形導(dǎo)致的X向受力同樣由地腳螺栓平衡，因此有限元計算結(jié)果中螺栓存在X向受力，但X向受力相對Y向較小，其最大值僅為Y向最大值的1/10。結(jié)合圖5和表2，對比9號和13號螺栓，雖然13號螺栓軸向受力大于9號，但由于彎矩作用，9號應(yīng)力值仍大于13號?？梢娪捎趶澗刈饔脤?dǎo)致的螺栓應(yīng)力增大趨勢不可小視。

圖5 螺栓應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of the bolts

分別從第3、4、5、6組螺栓中選取一個受力較大的螺栓，即9號、13號、17號、21號螺栓分析其應(yīng)力。各螺栓應(yīng)力云圖如圖5所示，從中可以看出螺栓除受軸向拉伸外還受彎矩作用，即X方向上的作用力對螺栓產(chǎn)生彎矩，使得螺栓軸線右側(cè)應(yīng)力值高于螺栓左側(cè)。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在螺桿底部與螺帽交接處，這是因為三維建模時忽略了此處的圓弧過度，而實物都會對該處進(jìn)行倒鈍及圓弧處理，此處不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此可忽略該處應(yīng)力值，只分析螺桿上應(yīng)力大小[8]。對比4組云圖，21號螺栓應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值在300 MPa左右，此結(jié)果與該螺栓所受X、Y向作用力都最大一致。

根據(jù)上述分析結(jié)果，橫移絞車在單側(cè)出繩條件下，螺栓的最大應(yīng)力值在300 MPa左右，而螺栓的保證應(yīng)力 [σ]=600 MPa，仍有2倍左右的安全系數(shù)，因此支持載荷下螺栓強(qiáng)度滿足使用要求。

4 結(jié)語

本文通過理論和有限元法對“天鯤號”絞吸船橫移絞車地腳螺栓強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）本橫移絞車地腳螺栓設(shè)計滿足額定負(fù)載以及支持負(fù)載的使用要求。

2）有限元計算考慮了物體彈性變形對螺栓受力的影響，螺栓除受軸向拉力作用外還受彎矩作用，地腳螺栓的最大綜合應(yīng)力值要大于理論值，計算結(jié)果更接近真實情況。若僅采用理論分析時應(yīng)增大螺栓安全系數(shù)。

3）理論計算將鋼絲繩拉力作用點視為螺栓組形心位置，出繩位置對地腳螺栓軸向受力大小沒有影響。而事實上當(dāng)卷筒寬度較大，鋼絲繩單側(cè)出繩時，靠近出繩側(cè)的螺栓受力會增大。為保證絞車使用安全，此時可按單側(cè)螺栓組受力進(jìn)行分析計算。