基于鏈徑的錨唇厚度基準研究

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)狀結構，見圖 1。由于形狀各異，少有標準，歷來參照母型船設計并適當考慮裕度。

我國自主設計建造的17.5萬t散貨船和10.5萬t原油船錨唇鑄件厚度取100mm，一對錨唇鑄件重23.85t，對比日韓相同船，唇厚為43～55mm，重近14t[1]，超重約10t。究其原因，是設計部門無標準可依，或者僅有一個簡易的經(jīng)驗公式，取值相當保守。

據(jù)稱，我國設計建造的船舶空船重量高出日韓10% 以上[2]，散貨船甚至超過15%。一艘10多萬t好望角型散貨船相比日韓同尺度船超重2000余t情勢下，為改善航運效益降低成本，作為減重降耗的整個系統(tǒng)工程的一步，有必要制定錨唇設計的精細標準。

圖1 錨唇與錨臺、錨、錨鏈關系

1 錨唇受力分析

1.1 不同受力部位

錨唇是一種不完全對稱環(huán)形結構，其不同部位在拋錨，系錨，起錨的工作狀態(tài)時受力差異極大。上部區(qū)域一般僅承受錨爪觸碰、移動、翻轉和貼合緊固之力，而鏈道區(qū)域通常受到錨鏈的壓迫力，在錨鏈移動，尤其是快速移動中，橫豎交叉連接鏈環(huán)又會對錨唇底部形成節(jié)奏性的振動沖擊，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)過度振動跳躍，縮小錨鏈在錨唇上的移動區(qū)域，在錨唇滑道處鑄成凹槽，見圖 2，近似掣鏈器滑道平穩(wěn)過鏈。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，并在起錨過程后期，錨爪觸唇滑動起到錨冠翻轉的作用。錨唇表面設計須避免與錨爪收起時運動軌跡方向形成摩擦死角[3]，因此合理優(yōu)化的錨唇表面設計可保證錨唇其他部位受力撞擊的程度遠小于鏈道部位。由此對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)別處理在實物外觀上也顯得協(xié)調。在設計時，把整個區(qū)域分成上部區(qū)域、鏈道區(qū)域和過渡區(qū)域（即下部區(qū)域）3部分，見圖 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 基準點受力分析

各類型船盡管噸位不同，錨系布置與裝置不同，但均存在錨鏈對錨唇的作用力關系。不同強度等級各種規(guī)格的錨鏈對錨唇不同部位的擠壓、撞擊、彎曲及磨耗，是分析其受力關系的基本點。

錨鏈筒的布置要求為垂直截面中心線相對于水平傾角 30～60°[4]，產(chǎn)品統(tǒng)計 52～58.7°，均值 55.4°。通過受力矢量圖（見圖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《海船用起錨機和起錨絞盤》可以得到起錨機工作負載Fw1為：

1級錨鏈：37.52d；

2級錨鏈：42.52d；

3級錨鏈：47.52d。

當拋錨深度大于82.5m時，工作負載Fw2為：

式中：d——錨鏈直徑，mm；

D——拋錨深度，m；

過載拉力： ≥ 1 .5Fw1。

通過測算，在水深≤82.5m的狀況下，船舶按航行拋錨設備配置錨裝置，錨機過載拉力相對于錨鏈破斷負載(Pd)不超過18%，而3級錨鏈僅在12%以下。錨機鏈輪支持負載為0.45Pd。作用于錨唇的錨鏈支持負載為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°。

代入適當數(shù)值后可得到：

在充分考慮了船舶整個壽命期的安全保障后，對錨唇中上部區(qū)域厚度按照鏈道區(qū)域受力分析，對鏈道及下部區(qū)域實際取值給予 20%～40%的裕度。錨唇鑄件實際采用材料強度相對于船級要求也富有裕度。

2 建立與錨鏈鏈徑相關的關系式

通過對錨唇設計制造及實船長期運行分析，錨鏈所受拉力P和作用于錨唇的法向力F可簡化為以下關系式：

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——錨唇材料屈服應力，N/mm2，取yσ=200N/mm2計算，實際使用材質可以高于計算值。

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

表1 錨鏈拉斷試驗載荷 N

3 基于鏈徑的錨唇厚度選取

在各主要船級社規(guī)范材料與設備要求的基礎上，按不同鏈級列出了各種鏈徑對應選用的錨唇厚度值，見表2，以三級鏈為例，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)歐洲某著名航運公司跟蹤船舶錨唇多年磨損測量數(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。建議本文的推導與結論將作為我國CB行業(yè)標準的基礎。

4 與實船厚度比較

國內船廠在建的船舶產(chǎn)品中，也有原始設計來自于日韓的，這類產(chǎn)品厚度取值沿用原值，就比較接近于本文結果。比如 31.6萬 t超大型油船（VLCC），其錨唇厚度反而大大小于10多萬t的自行設計船，見表3。故而，VLCC唇厚直接采用了日本設計，那么噸位遠小于此的產(chǎn)品采用相同的或更小的厚度應該是合乎情理的，何況在鏈道部位作了40%的增強。由此說明，標準的適用性是可以驗證的。

表3 錨唇實船厚度比較 mm

5 結 語

根據(jù)本文提供的各種規(guī)格錨鏈對應不同部位錨唇厚度基準，錨唇厚度可減小1/3～1/2，重量一般可減輕 40%?？梢钥闯?，國內原有經(jīng)驗公式0.85d+(10～20)mm 相對大型船舶顯得過于保守。有了精益設計標準，以一家船企年產(chǎn)量計，僅此即可減重300t，全行業(yè)更是效益可觀。船只整個壽命期內航運效益得到持久提高。如果在每一方面都做到精細設計，減重降耗接近國外先進指標是完全可以達到的。

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

[2]上海船舶研究設計院. 優(yōu)化設計節(jié)能減排[R]. 上海地區(qū)船企院所海事新規(guī)宣貫報告會，2010.

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

[4]葉邦全，紀國利.錨設備[M]. 船舶設計實用手冊 舾裝分冊. 北京：國防工業(yè)出版社，2002.