船舶铁舾设备座架的设计

阳 艳，林 飞

（广州中船龙穴造船有限公司，广州 511462）

0 引言

在机器（或设备）中支承或容纳零部件的零件称为机架，如固定发动机的机架、容纳传动齿轮的减速器壳体、机床的床身等。机架按外形分类，主要可以划分为网架式、框架式、梁柱式、板块式、箱壳式。在船舶行业中，铁舾设备主要属于框架式、板块式和箱壳式，如主机扫气箱泄放柜、化学清洗柜和空气瓶等箱柜和容器类设备的机架可以归属为框架式；而油泵，如滑油输送泵等的座架，属于板块式。然而，箱壳式机架较少，基本上局限在风机类或容器类设备。

在船舶的铁舾生产设计中，设备座架设计占有十分重要的位置，也是决定整个设计质量的关键因素之一。所以，怎样提高座架设计质量是设计工作中必须不断研究和改进的问题。本文主要以30.8万吨油轮铁舾生产设计的实际工作为研究对象，结合相关的理论知识，根据设备机架的形式，分别分析和探讨在框架式、板块式和箱壳式设备机架的座架设计过程中可以提高各自座架设计质量的措施。

1 框架式座架的改进措施

设备座架设计质量的好坏与如何合理地支承设备机架各部分的载荷有关。不合适或是不得要领的支承就会成为出现各种问题的根源。进一步说，如果支承不当则会产生变形、永久变形、破损、振动等的问题。对于框架式机架，其特点就是由多个支脚的机架支承其上部设备，如空压机、汽水分离器等。对于这类设备机架的座架设计，其载荷支承的不可动摇的规则是直接支承[1]，这样才是比较合理地并且严密地支承和传递载荷。下文主要分析30.8万吨油轮的设备设计工作中出现的不合理支承及其改进措施。

图1显示，主机液压油控制泵的机架形式为框架式，由四个垂直的支脚支承，即泵的各类载荷是由四块垂直的直板传递到座架上。而座架的设计，是由六条垂直的槽钢承受设备载荷，设备传递给机架的载荷和座架承受的载荷的作用线不在一条直线上。因此座架未均匀承受设备载荷，其受力情况不理想。从材料力学上分析，该座架的受力可以适当简化为两力简支梁的弯曲模型，这种设计方式未充分利用材料，也未遵循直接支承的规则。从理论上说，受力杆件在弯矩的作用下，其截面上的受力分布是不均匀的，然而受轴力作用时，截面的应力分布均匀。所以，在设计该类型座架时，应尽可能保证座架的支承件与设备传递载荷的部件直接接触。

图1 主机液压油控制泵座架图

图2 改进后主机液压油 控制泵座架图

改进后，设备的座架模型如图2所示。座架的支脚由四条槽钢组成，而槽钢的垂直面与设备机架的垂直直板在同一平面上，这种座架的受力就可以认为是轴向受压模型，座架的受力就更加均匀，设计要更加合理。另外，对于振动较大的设备，不建议两台设备共用一个座架。从振动理论上说，振源越多，引起共振的可能性就越大，尤其对于相同的设备，其振动频率接近，这种情况振动就更加剧烈。当然，做成一个整体座架是可以给施工带来方便。总之，在框架式设备的座架设计中，直接支承是至关重要的规则，应该尽力遵守，但设计质量和施工方便也要综合考虑，二者尽量保持一致。

这类设备的座架设计，还有一个问题比较容易导致座架的设计不合理，即用板材做设备座架时板材的强度和刚度起不到有效支承的作用。此时，就必须加入支承腹板，而腹板的支承位置就决定了其支承作用是否充分。如图3(a)所示，板材构成压载水处理排污泵的座架，其中加强腹板的位置位于面板中间。其设备机架的底部与腹板支承的面板没有接触，这种腹板加强方式的支承是不充分的，并且因为载荷作用点和支承受力点距离较远，座架会产生饶曲，并且紧固螺栓梁也会因为出现类似情况而不能充分紧固。所以，加强腹板必须尽可能地靠近设备机架与座架的作用面，既该泵的四块垫片区域，具体如图3(b)所示。同时，也必须兼顾螺栓的安装位置是否足够。

图3 压载水处理排污泵座架图

2 板块式座架的改进措施

板块式机架的主要特点是载荷分布较均匀，其相应座架的受力面的受力也是均匀的，可以认为是均布载荷的简支梁，一般为两跨梁、三跨梁等。例如，在30.8万吨油轮的铁舾生产设计中，工作空压机、集控室空调以及饮水柜等箱柜的座架都属于该类机架。在这类座架的设计中，如上文所述，用板材搭建的座架必须加腹板，而用钢材搭建的座架必须有多个支脚支承。因此，腹板的位置或钢材支脚的位置成为确定座架受力是否合理的关键。以二力和三力简支梁为分析模型，受力分析如图4所示。

分别计算各支点的弯矩，比较其大小，找出各支点受弯矩最小的位置。如图4(a)所示，合理的支承位置应该使梁中最大的正弯矩和最大的负弯矩的绝对值相等，即|MA|=|MC|。

图4 简支梁受力分析图[2]

由公式（1）和（2）可得：a=0.207L=0.0214qL2。

图4(b)所示的三力简支梁，设定其中l=1/2L，该受力模型的支座弯矩为：

由以上计算过程可知：

1）对于两块腹板加强的板材座架和两条钢材支承的座架，最好使腹板到座架面板两端的距离为0.207倍面板长度，此时的座架受力情况最为合适。当然，也要同时考虑面板螺栓开孔的位置。在不阻挡螺栓开孔的前提上，建议使腹板的位置尽力满足以上距离要求。

2）二力简支梁的弯矩可以比三力简支梁的弯矩小，这意味着加两块腹板的板材座架的受力情况是可以比加三块腹板的情况理想，同样适应钢材座架的受力情况。从节省材料的角度，在板块式的座架设计设计中，可以优先采用加两块腹板的设计，其中腹板的位置距离座架面板两端为0.207倍面板长度。但是，对于长度较大的设备，为考虑座架的稳定性，也可以采用三块腹板的形式。总之，具体问题需要具体分析。

3 其它座架的设计

主空气瓶（图 5）属于箱壳式，并且是高压设备。在这类设备座架的设计过程中，必须注意撑架周围的壳体板抗弯曲力矩的能力，尤其是在高压的条件下应该采取不使发生弯曲力矩的支承方式。图5中蓝色侧面固定支架的支承方式是不合适的，该种设计会使座架部位的壳体出现弯曲，在超压情况下，这个部位的钢材容易出现疲劳等问题，从而发生安全事故。最好的固定方式是把三根垂直船平台面的钢材直接焊接在船板上，并且使钢材紧靠空气瓶壳体成三角形布置。可是，高压设备一般不希望壳体的焊接面过大，基本是在壳体上焊接一块较小的板块，用以连接座架。这样的话，也应该是采用直接垂直船体壁面的钢材组成的座架固定设备。

图5 主空气瓶座架图

图 6机舱行车检修平台图

另外，经过几型船的铁舾生产设计，发现没有采用桁架形式的设计。从理论上说，在相同跨度和相同载荷下，简支梁的弯矩最大，静定多跨梁、组合结构的弯矩次之，而桁架中除受均布载荷作用的杆件有弯矩外，其它杆件的弯矩为零。所以在工程实际中，简支梁多用于小跨度结构；静定多跨梁和组合结构可用于跨度较大的结构；当跨度更大时，则多采用桁架。

图6所示的行车检修平台长为17米多，垂直的拉撑角钢的长为3米多。这种设计不是十分合理，因为：一是由于拉撑角钢多，很多都不能焊接于船体的骨架上，而必须焊接在船顶板上，导致拉撑角钢的绕度较大，可能会导致船体板变形；二是3米长的角钢拉撑的稳定性也成问题，而且浪费材料。如果采用船体骨架大小的分段桁架，就可以克服上述问题。但由于船舶行业施工技术的原因，桁架形式框架设计并不被广泛采用，从长远发展看，这种在其他行业被广泛使用的设计是应该得到采用的。

4 结论

在铁舾的生产设计中，座架的设计必须以相关的理论知识为指导，综合考虑现场施工的可行性，二者缺一不可。在材料力学中，提高结构刚度的主要措施有：用构件受拉、压代替受弯曲；合理布置受弯曲零件的支承（包括支承点数量及其位置），避免对刚度不利的受载形式；正确采用腹板以加强刚度，尽可能使腹板受压；选用合适的结构，如用桁架和板结构代替梁等[2]。本文根据以上提高结构刚度的措施，并结合材料力学的相关知识，分析了30.8万吨油轮的设备座架设计，得出的主要结论如下：1）座架设计中，载荷支承的不可动摇的规则是直接支承；2）加强腹板必须尽可能地靠近设备机架与座架的作用面，并且二力腹板的位置距离座架面板两端为0.207倍面板长度；3）对于压力容器的水平固定，应该采用垂直于船体墙面支承方式的座架；4）长度较长的悬吊框架推荐采用桁架形式。

[1] 小栗富士熊, 小栗达男. 机械设计禁忌手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011: 208-210.

[2] 成大先. 机械设计手册: 机械振动 机架设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010.