甲板機械環(huán)氧樹脂墊塊的應(yīng)用及理論計算研究

吳玉琴

● （上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

甲板機械環(huán)氧樹脂墊塊的應(yīng)用及理論計算研究

吳玉琴

● （上海船舶研究設(shè)計院，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)合式錨絞機安裝的受力分析，對目前的環(huán)氧樹脂墊塊理論計算提出了不同的看法，并研究出一套更為合理的理論計算方法，為拓寬了環(huán)氧樹脂技術(shù)在甲板機械設(shè)備上的應(yīng)用范圍提供了技術(shù)支持。

錨絞機安裝；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、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，并在多年實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。因為根據(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：

1）接觸面積較鋼質(zhì)墊塊大

為安裝及拂刮需要，設(shè)計每塊金屬墊塊的尺寸及重量時都要顧及工人搬運與加工的方便，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基底面、底座面完全接觸，從而保證了設(shè)備的準確安裝；

2）摩擦系統(tǒng)大

在安裝甲板機械和其他機械設(shè)備時，對基座面要求不高，無需機加工，并能在不規(guī)則的表面上進行墊塊的現(xiàn)場澆注工作，并達到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床進行加工，并留有0.1mm～0.2mm的研磨余量。按《中國造船質(zhì)量標準》[1]的要求，對每塊墊塊進行拂刮，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加工面多，拂刮工作量大，而且勞動強度大，施工及檢驗周期長。

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、鑄鐵嚴重；

2）抗壓強度比金屬墊塊低，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算缺乏統(tǒng)一完整的認可方法，目前的理論計算僅依靠廠家提供，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂墊塊在甲板機械安裝上的應(yīng)用還不夠廣泛。

2 現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂墊塊的理論計算

2.1 船級社的設(shè)計認可

目前，錨絞機的安裝理論計算基本上有供應(yīng)商負責，GL、CCS明確要求提供理論計算送審，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 理論計算依據(jù)

按照我國船舶行業(yè)標準《船用環(huán)氧機座墊片技術(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準。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)大于錨絞機的重量的2.5倍）。

根據(jù)公式（2）及表2得：

然后檢驗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度，N/mm2。

7）實例計算

以某船錨絞機為例，用上述計算方法進行螺栓擰緊力的計算。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。對于錨機鏈輪部分的螺栓M36，其擰緊力矩：1304.16Nm；實際選取1300Nm；對系泊絞車部分的螺栓M42，其擰緊力矩：1525.55 Nm；實際選取1500Nm。

到目前為止關(guān)于錨絞機的環(huán)氧墊塊安裝計算，幾乎所有的供應(yīng)商及船級社都是采用上述理論計算方法。但是這樣的計算方法是否合理呢？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在正常工作時的動態(tài)載荷而引起的實際預(yù)緊力呢？

3 結(jié)合動態(tài)載荷，對現(xiàn)有的理論計算作進一步研究

3.1 動態(tài)載荷分析

其實，上述理論計算僅記及了靜態(tài)載荷，而沒有考慮由于錨絞機在正常工作時動態(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，要考慮上浪載荷。當系泊絞車和錨機為整體式時，系泊絞車被認為是錨機的一部分；上浪載荷的計算方法可參考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算方法：

1）分別按 3.1節(jié)中規(guī)定的三種載荷，計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，計算出施加在各環(huán)氧墊塊的實際壓應(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及螺栓的實際壓應(yīng)力之和；

4）按式（6）校核螺栓的強度是否在允許范圍以內(nèi)；

5）按表3驗證總靜壓應(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）進行計算。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，讓他們及時修正計算中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并取得船級社認可；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 實例計算

2.2節(jié)實例計算中已經(jīng)對某客滾船的錨絞機按船級社的規(guī)范值（5.9N/mm2）進行了計算，接下來將按三種實際的動態(tài)載荷工況再作進一步計算：

按圖 1可得：錨機軸線離安裝平面的高度h1為900mm；錨鏈輪出繩點高度h1b為1251mm；系泊索出繩點高度h2b為1278mm；系纜滾筒高度h2為900mm；錨機總高度H為1871mm；平行于軸線的錨機計算寬度B為4091mm；垂直于軸線的錨機計算長度L為2016mm；錨絞機重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)按實際應(yīng)力取值，實際選取1700Nm。

4）按式（2）及表3計算總靜壓應(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）計算螺栓的實際應(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

本文通過理論及實例計算證明，目前送船級社認可的環(huán)氧樹脂墊塊的理論計算是有缺陷的，因為它沒有如實地反映出錨絞機的實際受力情況；通過設(shè)備分類可知，如果錨絞機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可。

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

[2]CCS. 材料與焊接規(guī)范[M]. 2009.

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

[4]機械設(shè)計手冊[M]. 第5版. 北京: 機械工業(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)電裝機容量已達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，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，裝機容量約為25.47萬千瓦，占海南電網(wǎng)各類電源裝機容量的7.2%;正在驗收階段的風(fēng)電廠為東方高排風(fēng)電廠，裝機容量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)能目前已拓展進入風(fēng)光互補綜合應(yīng)用領(lǐng)域。位于臨高的“風(fēng)光互補示范工程6兆瓦風(fēng)電項目”獲得海南省發(fā)改委批準，擬建設(shè)3臺2兆瓦風(fēng)力發(fā)電機組，與已建成的臨高20兆瓦光伏發(fā)電站形成26兆瓦風(fēng)光互補項目，年均總上網(wǎng)電量將達3821萬。此外，據(jù)不完全統(tǒng)計，?？凇⑷齺唭傻厥褂玫摹帮L(fēng)光互補路燈”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)負責人表示，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，近幾年歐美國家均把風(fēng)電開發(fā)的重點轉(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。中國大唐集團新能源股份有限公司所屬的臨高海上試驗風(fēng)機項目位于臨高縣臨高角北面海域，將安裝一臺單機容量6兆瓦的WTG136-6000型風(fēng)電機組作為試驗樣機，該項目成為海南核準的首個海上風(fēng)電項目，也是目前我國單機容量最大的海上風(fēng)力發(fā)電機組。

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：甲板機械安裝設(shè)計。