锚机固定设施强度衡准研究

刘碧军

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

锚机是重要的船用设备，主要有两种固定方式。一种方式是通过地脚螺栓连接固定在锚机底座上，另一种方式是直接焊接固定在甲板上。锚机固定设施是锚机正常工作的有力保证，其强度衡准是锚机固定设施设计的主要依据。在共同结构规范（CSR）中对锚机固定设施强度衡准作了具体的规定。本文选取通过地脚螺栓固定在基座上的船首锚机作为研究对象，对其固定设施所受载荷进行分析。在此基础上建立固定设施的强度校核计算模型，并根据上述强度校核模型提出固定设施设计对策。

1 载荷分析

对于安装在船首露天甲板上的锚机，所受的外加载荷主要有两个来源。一是船舶航行时，海水越过露天甲板产生的上浪载荷；二是正常锚泊作业过程中，锚机制动产生的支持负荷。其中，上浪载荷为均布载荷，支持负荷为集中载荷。由于锚机自身的重量对固定设施的强度计算也会产生影响，因此载荷分析时应予以考虑。

1.1 上浪载荷

对于船首锚机固定设施的强度衡准是否需要考虑上浪载荷的影响，各船级社规范略有不同，概括如下：

1）CSR（油船）规定，锚机位于露天甲板上位于船首1/4船长（L）区域内；

2）CSR（散货船）进一步规定，露天甲板高度小于0.1L或夏季载重水线以上22 m（取小者）；

3）除上述规定外，通常各船级社规定船长大于80 m的船舶必需计算上浪载荷。

根据国际船级社协会统一要求 （IACS UR S27）提供的模型计算上浪载荷的大小，锚机受力如图1所示。另外，规范规定，当系泊绞车和锚机为整体式时，系泊绞车被认为是锚机的一部分。

图1 锚机受力示意图

1）垂直于轴线由船首向后方向，力Px为200kN/m2乘以该方向的投影面积Ax。即：

2）平行于轴线分别作用于舷内侧和舷外侧，力Py为150 kN/m2乘以f倍该方向的投影面积Ay。即：

式中：B——平行于轴线的锚机计算宽度，m；

H——锚机最大高度，m

3）力Pz为锚机自身的重力，即：

式中：g——重力加速度，取9.81 m/s2；

W——锚机的质量，t

1.2 支持负荷

根据CSR的规定，锚泊作业时的支持负荷应根据锚机是否带挚链器来确定。即：

式中：K——挚链器影响因子，若带挚链器，取0.45；若不带挚链器，取 0.8；

PMBL——锚链的破断强度，kN

设锚链和水平面的夹角为β，则：

2 紧固设施强度衡准模型

2.1 强度衡准依据

由上面的载荷分析可知，锚机受到的载荷均为静载荷，故对锚机固定设施的强度衡准只需进行静强度计算，不需进行疲劳强度计算。由于受到轴向及横向载荷的作用，故锚机常用的固定方式有两种：

1）普通螺栓承受轴向载荷，止推块承受横向载荷；

2）紧配螺栓既承受轴向载荷，又承受一个或两个方向的横向载荷。

根据IACS UR S27的规定，地脚螺栓受到的轴向拉伸应力或von Mises等效应力，应满足式（8）要求：

式中：σs——螺栓材料的屈服极限，N/mm

对于承担横向载荷的止推块，其焊缝的von Mises等效应力，应满足式（9）要求：

式中：σs——焊缝材料的屈服极限，N/mm

2.2 螺栓强度衡准模型

为了简化讨论，本文首先建立普通螺栓强度衡准模型。锚机地脚螺栓组布置图见图2。

由上述载荷分析可知，对上浪载荷和支持负荷两种工况下的螺栓强度，可按照下述方法分别进行计算。

设锚机共由N个螺栓组支撑，在未考虑螺栓预紧力的情况下，第i个螺栓组的轴向载荷Ri可由（10）～（13）计算：

图2 锚机地脚螺栓组布置及符号说明

式中：h——对上浪载荷而言，h为锚机中心轴线离安装平面的高度（见图1），对支持负荷而言，h为锚链和链轮相互作用点离安装平面的高度，cm；

xi，yi——第i个螺栓组到所有N个螺栓组中心x和y方向的坐标，作用力的相反向为正值；

Ai——螺栓组所有螺栓横剖面面积之和，cm2；Ix——为∑Aixi2，对N个螺栓组，cm4；

Iy——为∑Aiyi2，对N个螺栓组，cm4；

Rsi——锚机重量作用在第i个螺栓组上的静反力，kN

为了增强连接的可靠性和紧密性，在锚机装配时需要给地脚螺栓施加一定的预紧力。因此，连接螺栓在承受轴向工作载荷后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力和工作载荷之和。其中单个螺栓-地基受力变形图如图 3［1］所示。

图3 单个螺栓-地基受力变形图

由图3可知，受力最大的螺栓的总拉力F2可由式（14）计算：

式中：F0——螺栓预紧力，kN；

Cb——螺栓的刚度，N/mm；

Cm——基座的刚度，N/mm；

Fmax——最大工作载荷，kN

下面简要讨论一下上面各参数的计算。

1）刚度的计算可由式（15）计算：

式中：A——螺栓、垫块或者螺母的接触面积，mm2；

E——弹性模量，N/mm2，钢取206000 N/mm2，环氧垫片取值由制造厂提供或者取3660 N/mm2；

L——螺栓长度、垫块厚度或者锚机底座厚度，mm

2）通常锚机设备制造厂会提供螺栓预紧力F0。如无资料，也可按式（16）计算：

式中：F1——残余预紧力，kN，对于地脚螺栓连接，通常取 F1≥F；

F——螺栓承受的工作载荷，kN

3）根据式（13）可计算出未施加预紧力时各个螺栓组的受力大小。为简化计算，可认为同一个螺栓组内的每个螺栓受到的轴向载荷大小相等，从而可计算出每个螺栓受到的轴向载荷大小。根据计算结果，确定受力最大的螺栓作为轴向拉伸应力衡准

2.3 止推块强度衡准模型

由上述载荷分析可知，作用在第i个螺栓组的横向载荷可由式（18）～（19）计算：

式中：α——摩擦因数，规范建议取0.5。

通常，在X和Y两个水平方向均设止推块来承担各自方向横向载荷Fxi和Fyi。典型的止推块焊缝示意图如图4所示。

图4 止推块焊缝示意图

由图4可知，止推块的焊缝是危险截面。其应力可由式（20）～（21）计算：

式中：MT——等于FH，倾覆力矩，N·mm；

σT——弯曲应力，N/mm；的对象。

由上可知，螺栓轴向拉伸强度衡准可由式（17）确定：

WT——等于IT/y2，横剖面模数，mm3；

τT——剪切应力，N/mm；

AT——抗剪面积，mm2

故止推块等效应力的衡准可由式（22）确定：

2.4 紧配螺栓强度衡准模型

当锚机装配空间有限时，也可以采用铰制的紧配合地脚螺栓承担全部的横向载荷。紧配合螺栓的剪切合力和应力可由式（23）～（25）计算：

式中：Fxi、Fyi——可根据式（18）和式（19）计算

故铰制螺栓的等效应力的衡准可由式 （26）确定：

3 结语

本文提出的锚机固定设施强度衡准方法，对锚机以及其他船用设备的地脚螺栓和止推块强度衡准具有指导意义。根据上述模型计算的结果，可以得知设备所选用的螺栓和设计的止推块是否满足固定设施的强度要求。若计算的结果不满足要求，可采取相应的措施改进设计。例如，螺栓强度不够时，可提高螺栓强度等级或增加地脚螺栓的数量；止推块强度不够时，可以增加焊缝的有效面积或增加焊喉的高度等。对于水平剪力较大的场合，建议止推座采用深熔焊固定到锚机底座上。

［1］濮良贵.机械设计［M］.8 版.北京：高等教育出版社，2006.