甲板机械环氧树脂垫块的应用及理论计算研究

吴玉琴

● （上海船舶研究设计院，上海 201203）

甲板机械环氧树脂垫块的应用及理论计算研究

吴玉琴

● （上海船舶研究设计院，上海 201203）

通过对比与传统钢质环氧树脂垫块的优缺点以及对环氧树脂垫块的可靠性分析，得出了其应用于甲板机械设备安装上的优越性；同时结合CCS规范，通过对复合式锚绞机安装的受力分析，对目前的环氧树脂垫块理论计算提出了不同的看法，并研究出一套更为合理的理论计算方法，为拓宽了环氧树脂技术在甲板机械设备上的应用范围提供了技术支持。

锚绞机安装；环氧树脂垫块；螺栓预紧力；动态载荷；总静压应力

0 引言

为有效传递锚绞机的垂向受力问题，传统的安装方法大都采用金属垫块，这样的安装方法至少有几十年的历史。人们对于这种形式的设计、加工和安装过程中的质量控制等问题有着一整套较为成熟的经验，并在多年实践过程中几乎没有发生过重大的质量问题；其次也是受到船级社规范的影响。因为根据规范规定，建议优先选用金属材质的垫块。从上世纪七十年代初，随着出口船舶订单的出现，环氧树脂垫块技术才开始逐渐进入我国的造船业。

1 环氧树脂垫块的可靠性分析

1.1 环氧树脂垫块的优势

通过对比各种材质的性能（表 1），可以总结出环氧树脂垫块具有如下特点：

1）接触面积较钢质垫块大

为安装及拂刮需要，设计每块金属垫块的尺寸及重量时都要顾及工人搬运与加工的方便，有时候一个受力面要分隔成好几块垫块才能满足要求，这样会造成垫块与基座的接触面积减少。而环氧树脂垫块可与锚绞机基底面、底座面完全接触，从而保证了设备的准确安装；

2）摩擦系统大

在安装甲板机械和其他机械设备时，对基座面要求不高，无需机加工，并能在不规则的表面上进行垫块的现场浇注工作，并达到100%的接触。设备基座和底座之间极难发生相对滑动，也不会发生磨损现象，所以螺栓不易松动；

3）比重小

重量轻，能减少空船重量，尤其是对建造大型船舶，如40万吨矿砂船等，甲板机械设备的数量众多的情况下，效果尤为明显；

4）室温浇注，工艺简单，施工周期短

传统安装锚绞机的方法是;在设备基座和底座之间采用采用铸铁件或钢质件作为调整垫块。设备基座面、垫块的上下两面及底座上表面都需要用专用机床进行加工，并留有0.1mm～0.2mm的研磨余量。按《中国造船质量标准》[1]的要求，对每块垫块进行拂刮，以满足表面粗糙度Ra6.3的要求，而且每处垫块与基座及底座之间的间隙用 0.06的塞尺测量，其插入深度不得超过10mm。整个安装过程不仅机加工面多，拂刮工作量大，而且劳动强度大，施工及检验周期长。

表1 环氧树脂垫块与金属垫块物理性能方面的比较

1.2 环氧树脂垫块的不足

1）环氧树脂是一种粘弹性材料，在同样的结构、温度、外力作用下，其蠕变比钢、铸铁严重；

2）抗压强度比金属垫块低，考虑到上浪力及锚链在收放过程中产生的冲击力，有一部分船东对使用环氧树脂垫块有顾虑；

3）各个船级社对于环氧树脂垫块的理论计算缺乏统一完整的认可方法，目前的理论计算仅依靠厂家提供，导致环氧树脂垫块在甲板机械安装上的应用还不够广泛。

2 现有的环氧树脂垫块的理论计算

2.1 船级社的设计认可

目前，锚绞机的安装理论计算基本上有供应商负责，GL、CCS明确要求提供理论计算送审，其它船级社，诸如BV、DNV等没有明确表示一定要审查，而LR明确表示不需要送审。

2.2 理论计算依据

按照我国船舶行业标准《船用环氧机座垫片技术要求》（CB/T3514-92）[3]，设备自重的静压应力σg≤0.7N/mm2；总静压应力σ≤3.5N/mm2；由以上两个参数决定垫块的承压总面积。

1）由设备自重产生在垫块上的静压应力σg

式中，W为锚绞机的重量，N；A为环氧树脂垫块总有效面积，mm2。

2）由设备自重和螺栓的预紧力而产生在垫块上的总静压应力σ

式中，FT为螺栓总的预紧力，N。

对于总静压应力σ，在不同的使用温度下，具有不同的总静压应力允许值，参见表2；而且不同的船级社都有各自的标准。大多数船级社按 70℃的使用温度来选取总静压应力，即σ=5.9N/mm2

表2 环氧树脂垫块在不同使用温度下的总静压应力允许值

3）螺栓的总拧紧力FT

在计算螺栓拧紧力时，除了记及总静压应力的限制，还有确保设备完成安装后不能移动（一般总拧紧力应大于锚绞机的重量的2.5倍）。

根据公式（2）及表2得：

然后检验FT/W是否大于2.5，否则就不能确保设备不移动。

4）单个螺栓的预紧力

式中，Fp为单个螺栓的预紧力，N；n为螺栓总数。

5）螺栓的拧紧力矩（Nm）

式中，dm为安装用的螺栓的螺纹中径，mm。

6）螺栓应力校核[4]

式中，Fb为单个螺栓的预紧力，N；σs为螺栓材料的屈服强度，N/mm2。

7）实例计算

以某船锚绞机为例，用上述计算方法进行螺栓拧紧力的计算。所需的环氧树脂垫块及螺栓分布如图1所示。

图1 环氧树脂垫块及螺栓分布图

垫块总面积为 809800mm2；螺栓通孔总面积为30627mm2；环氧树脂垫块总有效面积A为779173mm2；M36螺栓，其螺纹中径dm为33.4m；M42螺栓，其螺纹中径dm为39.07m。

由公式（1）～（5）可得，单个螺栓的预紧力为195234N。对于锚机链轮部分的螺栓M36，其拧紧力矩：1304.16Nm；实际选取1300Nm；对系泊绞车部分的螺栓M42，其拧紧力矩：1525.55 Nm；实际选取1500Nm。

到目前为止关于锚绞机的环氧垫块安装计算，几乎所有的供应商及船级社都是采用上述理论计算方法。但是这样的计算方法是否合理呢？尽管它已经考虑到总拧紧力应大于锚绞机重量的2.5倍，但这个理论值是否能真正抵消由于上浪载荷及锚绞机在正常工作时的动态载荷而引起的实际预紧力呢？

3 结合动态载荷，对现有的理论计算作进一步研究

3.1 动态载荷分析

其实，上述理论计算仅记及了静态载荷，而没有考虑由于锚绞机在正常工作时动态载荷及规范要求的上浪载荷。按各船级社规定：

1）锚绞机工作时，其链轮部分所承受的最大载荷应为：45%锚链破断载荷；

2）系泊绞车工作时，其卷筒部分所承受的最大载荷应为：80%缆绳破断载荷；

3）对所有船长80m及以上的船舶，距夏季载重线以上高度小于0.1L或22m，取小者，露天甲板上位于距船首0.25L区域内的锚机，要考虑上浪载荷。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；上浪载荷的计算方法可参考2009 CCS《钢规》[5]第2篇第3章要求。

3.2 设备分类

根据CHOCKFAST提供的船用环氧树脂产品的指导性文件692D中的规定，船舶设备一般分成两类：精确对中型及非精确对中型。锚绞机就是属于非精确对中型设备。对于非精确对中型设备，设备自重产生的静压应力可以不受限制，主要考虑总静压应力。表3列出了两种产品在各种状态下总静压应力最大允许值。

表3 不同产品在各种状态下静压应力最大允许值（N/mm2）

从而得出结论：1）采用CHOCKFAST ORANGE产品时，对于非精确对中型设备，其总静压应力可放宽至8.27 N/mm2；2）采用CHOCKFAST ORANGE产品时，对于非精确对中型设备，考虑到偶尔产生的突发冲击力，其总静压应力可短时承受至68.95 N/mm2。

3.3 推荐的理论计算方法

经过对上述动态载荷分析及设备分类，可以得到如下的理论计算方法：

1）分别按 3.1节中规定的三种载荷，计算出作用在单个螺栓上的预紧力，从而得到为克服这些载荷，需要施加在各个螺栓上的最大预应力值；

2）按各个螺栓的预应力值，计算出施加在各环氧垫块的实际压应力；

3）环氧垫块所承受的总静压应力应为设备自重引起的静压应力σg及螺栓的实际压应力之和；

4）按式（6）校核螺栓的强度是否在允许范围以内；

5）按表3验证总静压应力是否在允许范围以内；

6）由于各船级社目前还未认可表3中的数值，所以，除了要考虑上述因克服动态载荷所产生的预应力值外，还要按船级社规范值（5.9N/mm2）进行计算。若动态载荷所产生的预应力值大于规范值，但总静压应力在表3允许范围内，可及时与厂商联系沟通，让他们及时修正计算中的相关数据，并取得船级社认可；若动态载荷所产生的预应力值小于规范值，且总静压应力也在表3允许范围内，则可维持原有的计算；若动态载荷所产生的预应力值大于规范值，且总静压应力也超出了表3中规定的允许值，则一定要及时通知船厂，改用金属材质的垫块，或要求设备厂家加大地脚面积。

3.4 实例计算

2.2节实例计算中已经对某客滚船的锚绞机按船级社的规范值（5.9N/mm2）进行了计算，接下来将按三种实际的动态载荷工况再作进一步计算：

按图 1可得：锚机轴线离安装平面的高度h1为900mm；锚链轮出绳点高度h1b为1251mm；系泊索出绳点高度h2b为1278mm；系缆滚筒高度h2为900mm；锚机总高度H为1871mm；平行于轴线的锚机计算宽度B为4091mm；垂直于轴线的锚机计算长度L为2016mm；锚绞机重W为 106.73kN；垂直于轴线的作用力Px为1530.85kN；平行于轴线的作用力Py为1414.48kN；锚链破断力Fb1为2430kN；系索破断力Fb2为425kN

锚链与止链器夹角αb1为20°；系泊索导出角度αb2为6°；锚机螺栓数量、尺寸及等级为15×M36（8.8级）；系泊绞车螺栓数量、尺寸及等级为 8×M42（8.8级）。计算过程及方法可参考CCS《钢质海船入级规范》第2篇第3章第2节的要求[5]。

从各个螺栓的受力计算（略）中，得出如下结论：

1）分别考虑上浪载荷及链轮的破断载荷，在链轮基座下的15个M36的螺栓中，受力最大值为167.24kN，发生在第12号螺栓的上浪状态下；

2）分别考虑上浪载荷及缆绳的破断载荷，在系泊绞车基座下的8个M42的螺栓中，受力最大值为217.09kN，发生在第1号螺栓的上浪状态下；

3）对于链轮部分的螺栓 M36，其最大拧紧力矩为1117.23Nm。该值比规范值小，实际选取可按规范值，即为1300Nm；对系泊绞车部分的螺栓M42，其最大拧紧力矩为1696.65Nm。该值比规范值大，应按实际应力取值，实际选取1700Nm。

4）按式（2）及表3计算总静压应力值，并校核；

σ=(W+FT)/A=0.137+3.75+2.23=6.117N/mm2≤8.27N/mm2

5）按式（6）计算螺栓的实际应力，并校核；

M42 螺栓：σb=181.56 N/mm2≤0.5σs

M36 螺栓：σb=222.31 N/mm2≤0.5σs

4 结束语

本文通过理论及实例计算证明，目前送船级社认可的环氧树脂垫块的理论计算是有缺陷的，因为它没有如实地反映出锚绞机的实际受力情况；通过设备分类可知，如果锚绞机属于非精确对中型设备，那么其环氧树脂垫块的静压应力最大允许值可以放宽至8.27N/mm2，这无疑拓宽了环氧树脂在船舶设备上的应用范围。但这一参数能否被船级社认可并接受呢？有待于供应商能否提供足够的技术支持让各大船级社认可。

[1]CB/T 4000-2005. 中国造船质量标准[S]. 2005.

[2]CCS. 材料与焊接规范[M]. 2009.

[3]CB/T 3514-92. 船用环氧机座垫片技术要求[S].1992.

[4]机械设计手册[M]. 第5版. 北京: 机械工业出版社,2008.

[5]CCS. 钢质海船入级规范[M]. 2009.

海南首个海上风电项目获批

记者从海南可再生能源协会了解到，目前海南风电行业发展平稳，海南风电装机容量已达30.3万千瓦，华能、国电、中海油等央企已抢占海南风电发展先机，促使形成了海南风电占新能源主导格局的态势。

截至目前，海南已并网运行的陆上风电厂共有5个，分别是海南东方风力发电厂、华能文昌风电厂、中海油四更风电厂、儋州峨蔓风电厂、东方感城风电厂，装机容量约为25.47万千瓦，占海南电网各类电源装机容量的7.2%;正在验收阶段的风电厂为东方高排风电厂，装机容量4.8万千瓦。海南省风电厂送出线路接入110千伏变电站或220千伏变电站的110千伏侧，均能满足送出需要。去年，海南风力发电共2.7亿度。

据海南可再生能源协会秘书长范益民透露，风能目前已拓展进入风光互补综合应用领域。位于临高的“风光互补示范工程6兆瓦风电项目”获得海南省发改委批准，拟建设3台2兆瓦风力发电机组，与已建成的临高20兆瓦光伏发电站形成26兆瓦风光互补项目，年均总上网电量将达3821万。此外，据不完全统计，海口、三亚两地使用的“风光互补路灯”已有上万支。

针对此前海南区域内风电厂发生过多次风电脱网事故，有关负责人表示，随着的技术条件的完善，对风电接纳能力的提高，情况已得到改善。

由于海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，近几年欧美国家均把风电开发的重点转向海上，许多大型风电开发企业、设备制造企业正积极探索海上风电发展之路。海南岛四面环海，所辖海域面积达200多万平方公里，占全国海域面积的2/3，发展海风发电潜力巨大。中国大唐集团新能源股份有限公司所属的临高海上试验风机项目位于临高县临高角北面海域，将安装一台单机容量6兆瓦的WTG136-6000型风电机组作为试验样机，该项目成为海南核准的首个海上风电项目，也是目前我国单机容量最大的海上风力发电机组。

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

吴玉琴（1968-），女，高级工程师。研究方向：甲板机械安装设计。