某船伸縮推進器安裝應對結(jié)構(gòu)變形影響的分析

徐 亮,金偉平,閆 偉

(1.江蘇航運職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 南通 226010;2.舟山嵊泗國海航運有限公司,浙江 舟山 316000)

0 引言

伸縮推進器通過與主推進系統(tǒng)、管隧式側(cè)推等推進器組合并形成全船定位主要動力源,是當前船舶動力定位和船舶操縱的重要推進器。全船推進遙控系統(tǒng)根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境下的特殊工況,通過DP動力系統(tǒng)能力分析計算和各推進器不同負載配置,滿足適應當前環(huán)境的船舶DP動力定位需求。在整個船舶營運環(huán)境和船舶設(shè)計逐漸復雜化、智能化的前提下,伸縮推進器的應用越來越普遍,其可伸縮的特性使正常航行中船舶外部線形得以保持,保證了船舶正常航行性能;同時在DP動力定位的工況需求下,又賦予船舶定位更多的能力和選擇[1]。伸縮推進器作為可升降的推進器,其推進槳部分的整體收放及安裝定位控制直接影響船舶DP動力定位系統(tǒng)的可適應性。特別是伸縮推進器在輸出推進力時,由于頸部力臂較大,受水流的反作用力影響力矩也較大,因此在伸縮推進器下放區(qū)域的圍井區(qū)域需考慮設(shè)置相應的止推裝置或受力結(jié)構(gòu),避免伸縮推進器本體產(chǎn)生大的變形。根據(jù)伸縮推進器的收放特性,整個伸縮推進器圍井結(jié)構(gòu)因受力而變形的情況需得到有效的控制。此外,止推裝置如何在保證自身安裝精度情況下配合結(jié)構(gòu)變形進行調(diào)整,都值得進行更深入的研究[2]。本文以某船伸縮推進器圍井結(jié)構(gòu)強度分析和伸縮推進器止推裝置安裝為例,通過精度與結(jié)構(gòu)設(shè)計型式對整體伸縮推進器及附近結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造進行分析。

1 伸縮推進器安裝及圍井結(jié)構(gòu)概述

某平臺供應船伸縮推進器功率為1 200 kW,其推進電機輸出中心線到螺旋槳軸中心線的高度為6.372 m,伸縮推進器下放最大行程為2.697 m。伸縮推進器本體基座安裝法蘭面呈凸字型,通過螺栓和密封與船體基座連接形成固定和密封。船體基座下方結(jié)構(gòu)圍繞伸縮推進器升降通道形成圍井結(jié)構(gòu)。相關(guān)伸縮推進器安裝型式見圖1。

圖1 伸縮推進器安裝型式

整個伸縮推進器通過液壓泵站驅(qū)動液壓油缸完成伸縮行程。當伸縮推進器下放到最大深度時,本體△型結(jié)構(gòu)與配置的V型止推裝置形成配合間隙。配合間隙推薦值為0.5 mm,可調(diào)整范圍為0.4～0.7 mm。V型止推裝置的設(shè)置主要用于規(guī)范伸縮推進器升降活動的行程,同時限制當推進力增大后整個垂直段軸頸的變形,將推進力的反作用力有效傳遞到船體結(jié)構(gòu)上去。伸縮推進器下降后與圍井及止推裝置配合型式見圖2。

圖2 伸縮推進器下降后與圍井及止推裝置配合型式

2 伸縮推進器基座的結(jié)構(gòu)受力分析

基于伸縮推進器自重和整個伸縮推進器工作模式,伸縮推進器升降區(qū)域的圍井圍壁、船體基座及伸縮推進器頂部支撐需承擔推進器最大功率運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的相應受力。伸縮推進器基座及附近船體結(jié)構(gòu)需通過受力分析來評估整體結(jié)構(gòu)強度是否滿足船舶使用要求,以此作為整個伸縮推進器安裝定位的前提。

結(jié)合伸縮推進器廠家提供的設(shè)備參數(shù)及受力等數(shù)據(jù),伸縮推進器在止推裝置、船體基座、頂部支撐等3個受力部位的最大受力情況見表1和圖3。

表1 伸縮推進器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況

圖3 伸縮推進器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況

基于廠家數(shù)據(jù),對伸縮推進器基座、圍井圍壁和附近加強結(jié)構(gòu)進行有限元分析,以此來核實船體結(jié)構(gòu)受力和變形情況,分別見圖4和圖5。該船伸縮推進器船體法蘭基座采用70 mm的厚鋼板,圍井圍壁立板采用厚度為15 mm的鋼板,外圍加強筋板板厚為12 mm,依次向外延伸的船體結(jié)構(gòu)板材厚度為10 mm。加載各數(shù)據(jù)模型分析得出的效果圖顯示:基座法蘭板所受最大應力約為4.8 MPa,圍井圍壁立板及外圍加強筋板所受最大應力約為25.0 MPa;基座法蘭板及外圍加強筋板最大變形量約為5 mm,外圍加強筋板最大變形量約為4 mm。

圖4 伸縮推進器相關(guān)結(jié)構(gòu)受力情況(單位:MPa)

圖5 伸縮推進器相關(guān)結(jié)構(gòu)變形情況(單位:mm)

基于整個受力分析,伸縮推進器周邊整個船體結(jié)構(gòu)存在主要強度來支撐和傳遞伸縮推進器的各種運行工況。結(jié)構(gòu)變形中局部變形不至于導致伸縮推進器軸系中心線發(fā)生偏移變化,整個伸縮推進器升降通道結(jié)構(gòu)的整體變形量不足以導致伸縮推進器△型結(jié)構(gòu)與配置的V型止推進器裝置發(fā)生明顯位移。

3 伸縮推進器安裝及止推裝置的適應性定位

在伸縮推進器附近船體結(jié)構(gòu)強度滿足各種運行工況的前提下,伸縮推進器下降到最大行程后,需要確保與止推裝置的配合間隙,以滿足整體伸縮推進器的使用性能并有效傳遞推力。由于止推裝置的配合間隙要求在0.4～0.7 mm之間,伸縮推進器正常狀態(tài)下降的整體行程必須考慮整個圍井圍壁的船體結(jié)構(gòu)制作和焊接變形影響,同時也要提前核實伸縮推進器正常下降的實際行程。

3.1 伸縮推進器安裝

(1)伸縮推進器必須在確保船體強度足夠的前提下,在伸縮推進器的船體基座精度確認滿足要求后,再進行推進器的安裝工作,以免產(chǎn)生難以承受的重大偏差。

(2)止推裝置的安裝還需考慮以下問題:

①止推裝置所處圍井圍壁的安裝區(qū)域必須在伸縮推進器實際下放后才能具體測量兩側(cè)間距,前期提前測量只存在參考意義,而不能作為完全滿足安裝要求的前置條件;

②如果伸縮推進器實際下放到最大行程位置處,在止推裝置按照安裝間隙要求的推薦值定位的前提下,整個焊接引起的變形是否能保證止推裝置最終不超過間隙要求。

因此,基于最終定位的間隙要求,止推裝置安裝定位方案需另尋突破口。

關(guān)于止推裝置與圍井圍壁之間的焊接定位,需考慮以下問題:

(1)止推裝置與圍井圍壁焊接過程中是否會因焊接應力導致V型接觸面的表面變形。

(2)圍井圍壁板厚為15 mm,焊接是否會導致整個鋼板表面產(chǎn)生空鼓和凹陷而最終影響定位。

3.2 止推裝置的適應性方案

(1)進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn),30 mm厚的止推裝置座板與15 mm厚的鋼板焊接后表面變形量控制在0.1 mm左右時,評估該船存在一定的風險。

因此,將圍井圍壁板板厚從15 mm調(diào)整為30 mm,并通過一系列焊接工藝的調(diào)整,將鋼板表面焊接變形量控制在0.05 mm以內(nèi)。

(2)圍井圍壁的焊接變化對精度控制的影響最大,即使圍井圍壁板調(diào)整為板厚30 mm的鋼板后能夠在一定程度上減小焊接應力導致的空鼓和凹陷變形,但在此基礎(chǔ)上仍需做好前期定位加強措施。首先在伸縮推進器下放到最大行程處時,需根據(jù)止推裝置間隙要求做好定位工作。其次,在整個止推裝置和其接觸的圍井圍壁定位過程中,需在圍壁板反面從上下兩端向中間的方向上,不斷做好對應的加強定位工作,確保整個定位穩(wěn)定、強度充足來逐步減小變形風險。

在實際安裝定位工作中,通過有限元分析、安裝方案制定和焊接工藝調(diào)整。另外,對設(shè)備本體和V型止推裝置進行了細致測量,最終止推裝置與圍井圍壁片體先行焊接消除止推裝置焊接變形影響,圍井圍壁片體焊接定位產(chǎn)生的變形量通過反變形控制最終控制在0.06 mm以內(nèi),伸縮推進器下放和回收工作操作情況良好。

4 結(jié)論

(1)隨著船舶自動化程度越來越高,DP系統(tǒng)、推進器遙控及自動化系統(tǒng)的設(shè)計越來越先進,伸縮推進器的良好性能和靈活使用性使得各類型工程船舶對伸縮推進器的應用越來越廣泛。

(2)基于伸縮推進器的升降使用特性,船舶設(shè)計必須圍繞結(jié)構(gòu)強度分析、船舶受力下的彈性變形影響、伸縮推進器定位逐步展開研究,制定合理可靠的設(shè)計方案。

(3)對于裝載量較大或者調(diào)載工況較為復雜的船舶,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應同時考慮伸縮推進器相關(guān)局部結(jié)構(gòu)強度是否適應船舶裝載量變化對整個船體結(jié)構(gòu)變形的影響。