运木船可倒立柱拉放钢丝绳受力分析及长度设计

许咏斌

摘 要：为避免可倒立柱拉放钢丝绳在受力前后长度变化对木材绑扎系统的不利影响，对钢丝绳的每个典型状态进行了受力分析，发现只有少部分钢丝绳受到很大的拉力。为此，提出了对受力大的钢丝绳使用预张拉技术，并加放永久伸长量；对受力小的钢丝绳则按理论长度设计的方案，解决了生产中的难题。本文还简述了运木船木材绑扎系统拉放钢丝绳长度设计的要点，在满足使用要求的前提下，使绑扎系统的设计更简单、安全和可靠。

关键词：运木船；木材绑扎系统；可倒立柱；预张拉

中图分类号：U667.1 文献标识码：A

Abstract： In order to prevent wire ropes length transformation after pulling which is harmful to log lashing system， this paper analyzes the stress for wire ropes on each typical condition and finds only a few are on great strain. Based on this， pre-tensioning wire ropes are used and permanent elongation is added for great strain. For most wire ropes at small force， theoretical length is used in design. This paper also introduces the matters needing attention to design pulling wire ropes for the sake of making the design more simplified， economical， safe and reliable under the premise of satisfying the using requirements

Key words： Log carrier； Log lashing system； Collapsible stanchion； Pre-tensioning wire rope

1 前言

綁扎系统是运木船的重要系统，一般认为系统中的钢丝绳受拉力后会伸长，所以在订购钢丝绳时会扣掉钢丝绳的拉伸长度。但是往往忽视了分析钢丝绳的受力情况，其实通过计算我们发现每根钢丝绳所受到的最大拉力是相差非常大的，大部分钢丝绳受力都比较小，伸长量可以忽略。如果我们将每根钢丝绳都按同样的伸长量减少订货长度，将会导致绑扎系统的钢丝绳松紧程度不一，使可倒立柱拉放不顺，严重时甚至会导致可倒立柱出现扭曲变形，影响使用寿命。

本文结合我司39 800 DWT运木船的绑扎系统钢丝绳长度设计，分析绑扎立柱在拉放过程中每根钢丝绳的受力情况。根据受力计算结果，对于受力较小的钢丝绳按理论长度订货，而对于受力较大的钢丝绳则采用预张力技术，并通过计算预张拉后钢丝绳的永久伸长量，调整钢丝绳两端的眼板位置，从而解决绑扎立柱钢丝绳在拉放过程中长度发生变化的问题。

2 可倒立柱拉放过程中钢丝绳受力分析

2.1 可倒立柱基本情况

本船3号货舱两侧可倒立柱数量最多，在拉放时钢丝绳需要的拉力最大，故以此货舱作典型分析，其它货舱类似。可倒立柱高度9.5 m，每个立柱重量约1.95t，共计有8根可倒立柱，见图1。其中18根拉放用钢丝绳，每根钢丝绳长度均相同，且平行布置。上排钢丝绳命名为F，中排钢丝绳命名为T，下排钢丝绳命名为K，其中仅第一根可倒立柱右侧有三根钢丝绳。

可倒立柱处于存放状态时的位置设为初始位置，此时每根钢丝绳处于松弛状态，均未受力，如图2。

2.2 可倒立柱拉放状态一及钢丝绳受力计算

见图3。

2.3 可倒立柱拉放状态二及钢丝绳受力计算

见图4。

当第三根可倒立柱刚开始拉第二根可倒立柱时，设为拉放状态二。此时第二根可倒立柱仅下排钢丝绳处于受力状态。根据力矩平衡原理，计算此时钢丝绳的受力情况如表2。

当第三根可倒立柱拉动第二根可倒立柱到临界位置时，设为拉放状态三。此时第二根可倒立柱仅下排钢丝绳处于受力状态。根据力矩平衡理，计算此时钢丝绳的受力情况如表3。

2.5 可倒立柱拉放状态四及钢丝绳受力计算

见图6。

当第二根可倒立柱刚开始拉第一根可倒立柱时，设为拉放状态四。此时第一、二根可倒立柱仅下排钢丝绳处于受力状态，根据力矩平衡原理，计算此时钢丝绳的受力情况表4。

2.6 可倒立柱拉放状态五及钢丝绳受力计算

见图7。

当第二根可倒立柱拉动第一根可倒立柱到临界位置时，设为拉放状态五。此时仅第一根可倒立柱下排钢丝绳处于受力状态，第二根可倒立柱上下两根钢丝绳均受力拉紧，根据力矩平衡原理，计算此时钢丝绳的受力情况如表5。

2.7 可倒立柱拉放状态六及钢丝绳受力计算

见图8。

当第二根可倒立柱将第一根可倒立柱拉起时，设为拉放状态六。此时第一、二根可倒立柱上、下排钢丝绳均受力拉紧，根据力矩平衡原理，计算此时钢丝绳的受力情况如表6。

3 可倒立柱拉放钢丝绳预张拉技术的应用

本船绑扎系统选用点接触钢丝绳6X37+FC：其中F8选用Φ28 mm，破断负荷大于400 kN；其余选用Φ26 mm，破断负荷大于353 kN。

对于F0、T0、T2、T3、T4、T5、T6、T7这八根没有受力的钢丝绳和F1、F2这两根受力较小的钢丝绳，可以认为其在拉放过程中基本没有伸长，订货时按理论长度订货即可；但对于K1、T2、F3、F4、F5、F6、F7这七根钢丝绳，由于所受拉力从58.6 kN到130 kN跨度很大，其伸长量也不相同，故很难进行计算。

对于上述受力较大的七根钢丝绳，可以采用预张拉技术，消除因不同拉力产生不同伸长而导致的钢丝绳长短不一的问题。预张拉技术是在一定的张拉循环次数和停留时间下对钢丝绳以最小破断拉力的50%施加载荷（也可特别规定载荷），它能够有效消除钢丝绳的结构伸长以及钢丝绳的捻制应力，使钢丝绳中股和钢丝受力均匀，大大提高钢丝绳的使用寿命。

钢丝绳经过预张拉后，可以通过钢丝绳的永久伸长率来计算钢丝绳的永久伸长：

永久伸长率=（L2/L1-1）X100% （3）

式中，L1为钢丝绳未遭受猛烈拉力影响段的平均捻距值；L2为钢丝绳遭受猛烈拉力段的平均捻距值。

钢丝绳永久伸长率的测量方法规定：把钢丝绳式样夹紧在拉力试验机上，施加最小破断负荷拉力2%的初负荷，标记好250 mm以上的距离L1为标记长度，然后以不大于50 mm/min的拉伸速度加载到最小破断拉力的50%（保持10～12s），再卸载到初负荷，测出标记长度L2，并按上式（3）计算永久伸长率的值。

4 可倒立柱钢丝绳永久拉伸量计算

由于F8钢丝绳一端是自由端，與甲板吊吊钩连接，不需要考虑在拉放过程中钢丝绳的延伸率。针对K1、T2、F3、F4、F5、F6、F7这七根钢丝绳采用预张拉工艺，施加最小破断拉力的50%即176 kN后，钢丝绳的伸长量ΔL=L2-L1=δ*L1=18 mm （L1= 2 566 mm，δ=6.88‰）。

由于绑扎系统的7根钢丝绳做了预张拉处理而产生了18 mm的永久伸长量，其长度将会由目前的2566 mm变为2 584 mm。可倒立柱设计过程中，需要修改这7根钢丝绳两端眼板的位置来适应变长了的钢丝绳。

5 其它注意事项

在定购钢丝绳过程中，需要注意以下问题：

（1）由于钢丝绳两端有铝套压接，导致整条钢丝绳索具的破断负荷有0.1倍的折减系数。因此在预张拉施加载荷时，应该以折减后整条钢丝绳的破断负荷的50%施加载荷，以免发生安全事故。

（2）订货时要求厂家按要求先试生产一条，按要求预张拉后检查钢丝绳的伸长度是否为18 mm，以检验计算是否准确。

（3）对于预张拉的钢丝绳，需要在绳头两端的铝套压接上做预张拉标记，并注明预张拉的拉力，以免和其它钢丝绳混淆使用。

（4）在给船东的完工资料上需注明哪些钢丝绳是需要预张拉的，预张拉的拉力是多少，以便船东更换钢丝绳时不会出现问题。

6 结束语

近年来，我司共计制造了四型运木船，在如何确定钢丝绳的长度方面做了多种尝试。最初的32500DWT船，是利用一套工装钢丝绳来做拉放调试，拉放合格后测量最终的钢丝绳长度，再将此长度减去15 mm的拉伸量给厂家制作钢丝绳。此方法严重影响生产周期，且出现大量钢丝绳被拉得太紧，影响可倒立柱和钢丝绳的使用寿命。

随后在37 000 DWT船我们通过优化眼板布置，将钢丝绳全部设计成相同的长度，并采用了链条代替钢丝绳，效果良好，但是采购成本偏高，且热镀锌的链条在使用过程中容易锈蚀。

在后续的39 000 DWT船我们仍选用了钢丝绳，钢丝绳的长度是按照理论计算长度减去5 mm，再要求厂家按最大公差-10 mm制作钢丝绳。但是在调试过程中还是出现了钢丝绳有长有短的情况，只能通过现场修改眼板的位置来解决问题。

后来我们对39 000 DWT船的拉放过程做受力分析和计算，发现每根钢丝绳在拉放过程中所受到的最大拉力相差非常大，大部分钢丝绳受力很小或者不受力，但是订购钢丝绳时也将其长度减少了，这非常不合理。因此在后续的39 800 DWT船设计时，我们对少数受拉力很大的钢丝绳采用预张拉技术，有效地消除了后续船拉放过程中钢丝绳的伸长问题。采用此方案后，不仅为船厂节约了成本，缩短了安装调试周期，也有利于船舶的后续运营和维护，大大提高钢丝绳的使用寿命。

参考文献

[1]颜慧珍.钢丝绳的伸长率与预张拉技术. 宁夏恒力钢丝绳股份有限

公司.