船舶鐵舾設(shè)備座架的設(shè)計(jì)

陽(yáng) 艷，林 飛

（廣州中船龍穴造船有限公司，廣州 511462）

0 引言

在機(jī)器（或設(shè)備）中支承或容納零部件的零件稱(chēng)為機(jī)架，如固定發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架、容納傳動(dòng)齒輪的減速器殼體、機(jī)床的床身等。機(jī)架按外形分類(lèi)，主要可以劃分為網(wǎng)架式、框架式、梁柱式、板塊式、箱殼式。在船舶行業(yè)中，鐵舾設(shè)備主要屬于框架式、板塊式和箱殼式，如主機(jī)掃氣箱泄放柜、化學(xué)清洗柜和空氣瓶等箱柜和容器類(lèi)設(shè)備的機(jī)架可以歸屬為框架式；而油泵，如滑油輸送泵等的座架，屬于板塊式。然而，箱殼式機(jī)架較少，基本上局限在風(fēng)機(jī)類(lèi)或容器類(lèi)設(shè)備。

在船舶的鐵舾生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，設(shè)備座架設(shè)計(jì)占有十分重要的位置，也是決定整個(gè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。所以，怎樣提高座架設(shè)計(jì)質(zhì)量是設(shè)計(jì)工作中必須不斷研究和改進(jìn)的問(wèn)題。本文主要以30.8萬(wàn)噸油輪鐵舾生產(chǎn)設(shè)計(jì)的實(shí)際工作為研究對(duì)象，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，根據(jù)設(shè)備機(jī)架的形式，分別分析和探討在框架式、板塊式和箱殼式設(shè)備機(jī)架的座架設(shè)計(jì)過(guò)程中可以提高各自座架設(shè)計(jì)質(zhì)量的措施。

1 框架式座架的改進(jìn)措施

設(shè)備座架設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞與如何合理地支承設(shè)備機(jī)架各部分的載荷有關(guān)。不合適或是不得要領(lǐng)的支承就會(huì)成為出現(xiàn)各種問(wèn)題的根源。進(jìn)一步說(shuō)，如果支承不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生變形、永久變形、破損、振動(dòng)等的問(wèn)題。對(duì)于框架式機(jī)架，其特點(diǎn)就是由多個(gè)支腳的機(jī)架支承其上部設(shè)備，如空壓機(jī)、汽水分離器等。對(duì)于這類(lèi)設(shè)備機(jī)架的座架設(shè)計(jì)，其載荷支承的不可動(dòng)搖的規(guī)則是直接支承[1]，這樣才是比較合理地并且嚴(yán)密地支承和傳遞載荷。下文主要分析30.8萬(wàn)噸油輪的設(shè)備設(shè)計(jì)工作中出現(xiàn)的不合理支承及其改進(jìn)措施。

圖1顯示，主機(jī)液壓油控制泵的機(jī)架形式為框架式，由四個(gè)垂直的支腳支承，即泵的各類(lèi)載荷是由四塊垂直的直板傳遞到座架上。而座架的設(shè)計(jì)，是由六條垂直的槽鋼承受設(shè)備載荷，設(shè)備傳遞給機(jī)架的載荷和座架承受的載荷的作用線(xiàn)不在一條直線(xiàn)上。因此座架未均勻承受設(shè)備載荷，其受力情況不理想。從材料力學(xué)上分析，該座架的受力可以適當(dāng)簡(jiǎn)化為兩力簡(jiǎn)支梁的彎曲模型，這種設(shè)計(jì)方式未充分利用材料，也未遵循直接支承的規(guī)則。從理論上說(shuō)，受力桿件在彎矩的作用下，其截面上的受力分布是不均勻的，然而受軸力作用時(shí)，截面的應(yīng)力分布均勻。所以，在設(shè)計(jì)該類(lèi)型座架時(shí)，應(yīng)盡可能保證座架的支承件與設(shè)備傳遞載荷的部件直接接觸。

圖1 主機(jī)液壓油控制泵座架圖

圖2 改進(jìn)后主機(jī)液壓油 控制泵座架圖

改進(jìn)后，設(shè)備的座架模型如圖2所示。座架的支腳由四條槽鋼組成，而槽鋼的垂直面與設(shè)備機(jī)架的垂直直板在同一平面上，這種座架的受力就可以認(rèn)為是軸向受壓模型，座架的受力就更加均勻，設(shè)計(jì)要更加合理。另外，對(duì)于振動(dòng)較大的設(shè)備，不建議兩臺(tái)設(shè)備共用一個(gè)座架。從振動(dòng)理論上說(shuō)，振源越多，引起共振的可能性就越大，尤其對(duì)于相同的設(shè)備，其振動(dòng)頻率接近，這種情況振動(dòng)就更加劇烈。當(dāng)然，做成一個(gè)整體座架是可以給施工帶來(lái)方便?？傊?，在框架式設(shè)備的座架設(shè)計(jì)中，直接支承是至關(guān)重要的規(guī)則，應(yīng)該盡力遵守，但設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工方便也要綜合考慮，二者盡量保持一致。

這類(lèi)設(shè)備的座架設(shè)計(jì)，還有一個(gè)問(wèn)題比較容易導(dǎo)致座架的設(shè)計(jì)不合理，即用板材做設(shè)備座架時(shí)板材的強(qiáng)度和剛度起不到有效支承的作用。此時(shí)，就必須加入支承腹板，而腹板的支承位置就決定了其支承作用是否充分。如圖3(a)所示，板材構(gòu)成壓載水處理排污泵的座架，其中加強(qiáng)腹板的位置位于面板中間。其設(shè)備機(jī)架的底部與腹板支承的面板沒(méi)有接觸，這種腹板加強(qiáng)方式的支承是不充分的，并且因?yàn)檩d荷作用點(diǎn)和支承受力點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，座架會(huì)產(chǎn)生饒曲，并且緊固螺栓梁也會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)類(lèi)似情況而不能充分緊固。所以，加強(qiáng)腹板必須盡可能地靠近設(shè)備機(jī)架與座架的作用面，既該泵的四塊墊片區(qū)域，具體如圖3(b)所示。同時(shí)，也必須兼顧螺栓的安裝位置是否足夠。

圖3 壓載水處理排污泵座架圖

2 板塊式座架的改進(jìn)措施

板塊式機(jī)架的主要特點(diǎn)是載荷分布較均勻，其相應(yīng)座架的受力面的受力也是均勻的，可以認(rèn)為是均布載荷的簡(jiǎn)支梁，一般為兩跨梁、三跨梁等。例如，在30.8萬(wàn)噸油輪的鐵舾生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，工作空壓機(jī)、集控室空調(diào)以及飲水柜等箱柜的座架都屬于該類(lèi)機(jī)架。在這類(lèi)座架的設(shè)計(jì)中，如上文所述，用板材搭建的座架必須加腹板，而用鋼材搭建的座架必須有多個(gè)支腳支承。因此，腹板的位置或鋼材支腳的位置成為確定座架受力是否合理的關(guān)鍵。以二力和三力簡(jiǎn)支梁為分析模型，受力分析如圖4所示。

分別計(jì)算各支點(diǎn)的彎矩，比較其大小，找出各支點(diǎn)受彎矩最小的位置。如圖4(a)所示，合理的支承位置應(yīng)該使梁中最大的正彎矩和最大的負(fù)彎矩的絕對(duì)值相等，即|MA|=|MC|。

圖4 簡(jiǎn)支梁受力分析圖[2]

由公式（1）和（2）可得：a=0.207L=0.0214qL2。

圖4(b)所示的三力簡(jiǎn)支梁，設(shè)定其中l(wèi)=1/2L，該受力模型的支座彎矩為：

由以上計(jì)算過(guò)程可知：

1）對(duì)于兩塊腹板加強(qiáng)的板材座架和兩條鋼材支承的座架，最好使腹板到座架面板兩端的距離為0.207倍面板長(zhǎng)度，此時(shí)的座架受力情況最為合適。當(dāng)然，也要同時(shí)考慮面板螺栓開(kāi)孔的位置。在不阻擋螺栓開(kāi)孔的前提上，建議使腹板的位置盡力滿(mǎn)足以上距離要求。

2）二力簡(jiǎn)支梁的彎矩可以比三力簡(jiǎn)支梁的彎矩小，這意味著加兩塊腹板的板材座架的受力情況是可以比加三塊腹板的情況理想，同樣適應(yīng)鋼材座架的受力情況。從節(jié)省材料的角度，在板塊式的座架設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中，可以?xún)?yōu)先采用加兩塊腹板的設(shè)計(jì)，其中腹板的位置距離座架面板兩端為0.207倍面板長(zhǎng)度。但是，對(duì)于長(zhǎng)度較大的設(shè)備，為考慮座架的穩(wěn)定性，也可以采用三塊腹板的形式?？傊唧w問(wèn)題需要具體分析。

3 其它座架的設(shè)計(jì)

主空氣瓶（圖 5）屬于箱殼式，并且是高壓設(shè)備。在這類(lèi)設(shè)備座架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須注意撐架周?chē)臍んw板抗彎曲力矩的能力，尤其是在高壓的條件下應(yīng)該采取不使發(fā)生彎曲力矩的支承方式。圖5中藍(lán)色側(cè)面固定支架的支承方式是不合適的，該種設(shè)計(jì)會(huì)使座架部位的殼體出現(xiàn)彎曲，在超壓情況下，這個(gè)部位的鋼材容易出現(xiàn)疲勞等問(wèn)題，從而發(fā)生安全事故。最好的固定方式是把三根垂直船平臺(tái)面的鋼材直接焊接在船板上，并且使鋼材緊靠空氣瓶殼體成三角形布置?？墒?，高壓設(shè)備一般不希望殼體的焊接面過(guò)大，基本是在殼體上焊接一塊較小的板塊，用以連接座架。這樣的話(huà)，也應(yīng)該是采用直接垂直船體壁面的鋼材組成的座架固定設(shè)備。

圖5 主空氣瓶座架圖

圖 6機(jī)艙行車(chē)檢修平臺(tái)圖

另外，經(jīng)過(guò)幾型船的鐵舾生產(chǎn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有采用桁架形式的設(shè)計(jì)。從理論上說(shuō)，在相同跨度和相同載荷下，簡(jiǎn)支梁的彎矩最大，靜定多跨梁、組合結(jié)構(gòu)的彎矩次之，而桁架中除受均布載荷作用的桿件有彎矩外，其它桿件的彎矩為零。所以在工程實(shí)際中，簡(jiǎn)支梁多用于小跨度結(jié)構(gòu)；靜定多跨梁和組合結(jié)構(gòu)可用于跨度較大的結(jié)構(gòu)；當(dāng)跨度更大時(shí)，則多采用桁架。

圖6所示的行車(chē)檢修平臺(tái)長(zhǎng)為17米多，垂直的拉撐角鋼的長(zhǎng)為3米多。這種設(shè)計(jì)不是十分合理，因?yàn)椋阂皇怯捎诶瓝谓卿摱?，很多都不能焊接于船體的骨架上，而必須焊接在船頂板上，導(dǎo)致拉撐角鋼的繞度較大，可能會(huì)導(dǎo)致船體板變形；二是3米長(zhǎng)的角鋼拉撐的穩(wěn)定性也成問(wèn)題，而且浪費(fèi)材料。如果采用船體骨架大小的分段桁架，就可以克服上述問(wèn)題。但由于船舶行業(yè)施工技術(shù)的原因，桁架形式框架設(shè)計(jì)并不被廣泛采用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，這種在其他行業(yè)被廣泛使用的設(shè)計(jì)是應(yīng)該得到采用的。

4 結(jié)論

在鐵舾的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，座架的設(shè)計(jì)必須以相關(guān)的理論知識(shí)為指導(dǎo)，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的可行性，二者缺一不可。在材料力學(xué)中，提高結(jié)構(gòu)剛度的主要措施有：用構(gòu)件受拉、壓代替受彎曲；合理布置受彎曲零件的支承（包括支承點(diǎn)數(shù)量及其位置），避免對(duì)剛度不利的受載形式；正確采用腹板以加強(qiáng)剛度，盡可能使腹板受壓；選用合適的結(jié)構(gòu)，如用桁架和板結(jié)構(gòu)代替梁等[2]。本文根據(jù)以上提高結(jié)構(gòu)剛度的措施，并結(jié)合材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，分析了30.8萬(wàn)噸油輪的設(shè)備座架設(shè)計(jì)，得出的主要結(jié)論如下：1）座架設(shè)計(jì)中，載荷支承的不可動(dòng)搖的規(guī)則是直接支承；2）加強(qiáng)腹板必須盡可能地靠近設(shè)備機(jī)架與座架的作用面，并且二力腹板的位置距離座架面板兩端為0.207倍面板長(zhǎng)度；3）對(duì)于壓力容器的水平固定，應(yīng)該采用垂直于船體墻面支承方式的座架；4）長(zhǎng)度較長(zhǎng)的懸吊框架推薦采用桁架形式。

[1] 小栗富士熊, 小栗達(dá)男. 機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 208-210.

[2] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè): 機(jī)械振動(dòng) 機(jī)架設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.