“天鲲号”横移绞车地脚螺栓强度分析

2018-11-21杨晨刘寰

中国港湾建设 2018年11期

杨晨，刘寰

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

随着疏浚技术的日益发展，新的作业方式和能力不断进化，传统“疏浚”的概念发生了很大变化，疏浚领域的范围更加宽泛，疏浚施工难度越来越大，促使疏浚船舶向大型化趋势发展[1]。目前世界最大绞吸船“SPARTACUS”号（在建）总装机功率已达44 180 kW，绞刀功率9 000 kW。疏浚船舶的大型化必然推动其配套设备的同步发展。

大型工作绞车——起桥及横移绞车，作为绞吸式挖泥船的辅助核心设备之一，具有体积大、载荷重、冲击强、工作时间长的特点，额定工作载荷高达上百吨，如此重载的绞车与船体之间需通过高强度螺栓固定[2]。本文以“天鲲号”大型绞吸式挖泥船为例，对绞车地脚螺栓连接强度进行分析，确保绞车工作的安全性，同时为同类大型绞车地脚螺栓设计提供参考。

1 绞吸船起桥和横移绞车简介

起桥绞车多安装在艏部甲板，运用钢丝绳与桥架连接。根据不同挖泥深度，操纵桥架上下起落，使绞刀头和泥面保持接触。在施工过程中，当挖完一层泥面，起桥绞车松钢丝绳放低桥架高度，进行下一层泥面挖掘。

横移绞车通常安装于桥架后部两侧，通过收放左右舷锚缆使挖泥船绕钢桩运动。这些锚缆穿过设在绞刀附近的滑轮并与左右两侧的横移绞车相连。收缆绞车称为牵引绞车，拉动绞刀横移，放缆绞车确保2根锚缆具有正确的张力[3-4]。

2 绞车地脚螺栓强度理论分析

2.1 计算依据

参照CCS《钢质海船入级》规范锚机固定强度要求，绞车第i个螺栓轴向受力可按式（1）、式（2）进行计算[5]，计算模型示意图见图1。

式中：Rxi和Ryi为倾覆力矩作用在第i个螺栓上的轴向力，kN；Rzi为垂向外载作用在第i个螺栓上的轴向力，kN；Rsi为由设备重量作用在第i个螺栓组上的静反力，kN；Px为垂直于轴线的水平作用力，kN；Py为平行于轴线的作用力，kN，舷内侧或舷外侧，取较大者；Pz为垂直于轴线的竖直作用力，kN；h为锚机轴线离安装平面的高度，mm；xi为第i个螺栓组到所有N个螺栓组的中心的x方向坐标，mm；yi为第i个螺栓组到所有N个螺栓组的中心的y方向坐标，mm；Ai为第i个螺栓组所有螺栓横剖面面积之和，mm2；N为地脚螺栓总数；Ix为N个螺栓组对y轴惯性矩之和，Ix=∑Aixi2，mm4；Iy为N个螺栓组对x轴惯性矩之和，Iy=∑Aiyi2，mm4。

图1 计算模型示意图Fig.1 Model of calculation

2.2 工作载荷条件螺栓强度分析

起桥绞车为下出绳，出绳角度始终不变，而横移绞车为上出绳，出绳角度随挖深变化，同时横移绞车工作频率较高，地脚螺栓受力更大。鉴于篇幅限制，下文仅以横移绞车为例进行分析计算，起桥绞车类似。

“天鲲号”横移绞车地脚螺栓布置如图2所示，以左下角为起点沿逆时针方向为螺栓编号1—32，每4个螺栓为一组，共8组。螺栓规格为M42，Ai=1 385 mm2，Ix=2.142 × 1011mm4，Iy=2.107 ×1011mm4，强度等级8.8级，保证应力600 MPa[6]。以1号螺栓中心为原点，水平向右为X轴，竖直向上为Y轴，建立辅助相对坐标系X′O′Y′。各螺栓以及螺栓组形心相对坐标（X′，Y′）如表1所示，借助相对坐标系即可确定各螺栓的绝对坐标（X，Y），其值见表1。

图2 横移绞车外形及地脚螺栓布置图Fig.2 The shape of the side-winch and the layout of the foundation bolt

表1 横移绞车地脚螺栓数据表Table 1 The data of the side-winch foundation bolt

如图2所示，由于挖深不同，横移绞车正常施工情况下，绞车出绳角度在48°～-17°范围内变化。将绞车拉力沿竖直方向和水平方向分解，可根据式（1）进行螺栓轴向力计算。在不考虑绞车自重的条件下，绞车第i个地脚螺栓受力Ri为：

对于1台确定的绞车，式中的P、h、Ai、Ix、N都为常数，因此Ri的大小与xi成正比，根据表1，第13号至第16号螺栓xi最大，ximax=2 923。绞车额定拉力P=1 450 kN，将各参数代入式（3）计算不同θ角度条件下Ri的最大值。

式中：ψ =arctan（67.55/45.3）=56°

当 sin（θ+ψ）=1时，即 θ为34°时Ri最大：Rimax=81.33 kN

根据标准GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》，M42的应力截面积As公称=1 120 mm2。螺栓正应力：σ =Rimax/As公称=72.6 MPa

（2）长距离攻击。长距离攻击与短距离攻击不同，指攻击者在拥有一部分资源的情况下，直接对已经存在的区块进行分叉，可能获得更多的挖矿奖励或者否认某笔交易。

螺栓的保证应力为 [σ]=600 MPa，因此安全系数n=[σ]/σ=8.26，工作载荷下螺栓强度满足使用要求。

2.3 支持载荷条件螺栓强度分析

“天鲲号”横移绞车支持负载为2 320 kN。绞车制动条件下出绳角度一定，为水平向上48°。绞车倾覆作用力臂由卷筒转轴中心高度h升高到出绳切线高度H。在支持负载，不考虑绞车自重的条件下，绞车第i个地脚螺栓受力Ri：

同额定载荷一样，距螺栓组形心距离最远的螺栓受力最大。代入各参数，求得：

因此安全系数n=[σ]/σ=4.4，支持载荷下螺栓强度满足使用要求。

3 绞车地脚螺栓组强度有限元分析

上述理论计算将绞车机架做为刚性体，未考虑机架变形对螺栓受力的影响。在此假设条件下绞车钢丝绳在图3位置1或位置2出绳对地脚螺栓轴向受力没有影响。都可以根据力的平移定理将出绳拉力F1或F2平移到螺栓组形心位置，用相同大小的作用力F和一个附加力偶M等效。而力偶M只会对螺栓Y向产生作用力，不会影响螺栓轴向受力大小。但在实际情况下，不同的出绳位置必然会对地脚螺栓轴向受力产生一定影响。因此，下文采用有限元法对支持载荷条件下单边出绳工况地脚螺栓受力进行分析，并与理论计算对比。

图3 绞车出绳位置示意图Fig.3 The position of the winch wirerope

3.1 有限元模型

利用三维软件建立机架和螺栓模型。由于本计算旨在分析地脚螺栓受力情况，因此未将实体合并，共创建33个part（1个机架+32个螺栓）。为保证计算精度，螺栓和机架全部采用实体单元，利用mesh controll方法细化螺栓网格。螺栓和机架接触面定义绑定约束。分别固定每个螺栓下表面，以便提取每个螺栓受力数据进行分析。因为绞车底座Z向（图4所示方向）设有抗剪块，实际条件下螺栓不受Z方向的剪切力，所以对机架施加Z向为0，X、Y方向为free的位移约束。在图3所示位置1处施加远端载荷，水平分力1 552 kN，垂直分力1 724 kN，选取轴承座和齿轮箱固定面作为载荷作用面，从而模拟支持载荷条件下单边出绳工况[7]，计算模型如图4所示。

图4 绞车有限元计算模型图Fig.4 Finite element calculation model of the winch

3.2 计算结果分析

表2 地脚螺栓受力数据表Table 2 The force data of the foundation bolt kN

从表中可以看出各螺栓受力分布发生变化，但平均值基本一致。理论计算最大值为第13号至第15号螺栓，而模拟计算最大值为第21号螺栓，模拟结果最大值大于理论计算，计算结果增大31%。因此单纯根据理论计算进行螺栓强度校核时安全系数应适当放大。

对比第2组和第6组，第3组和第5组相同绝对坐标（X向）的螺栓，其轴向受力理论值相同，如表2所示5号和24号，9号和20号等。但实际绞车出绳位置靠近第5组和第6组螺栓，靠近出绳端的螺栓受力要大于另外一侧，有限元模拟值更符合事实。因而对存在单侧出绳工况的绞车而言，若仅采用理论计算，为保证安全可按单边螺栓受力进行。

由于绞车X向（图4所示）没有设置抗剪块，机架变形导致的X向受力同样由地脚螺栓平衡，因此有限元计算结果中螺栓存在X向受力，但X向受力相对Y向较小，其最大值仅为Y向最大值的1/10。结合图5和表2，对比9号和13号螺栓，虽然13号螺栓轴向受力大于9号，但由于弯矩作用，9号应力值仍大于13号。可见由于弯矩作用导致的螺栓应力增大趋势不可小视。

图5 螺栓应力云图Fig.5 Stress nephogram of the bolts

分别从第3、4、5、6组螺栓中选取一个受力较大的螺栓，即9号、13号、17号、21号螺栓分析其应力。各螺栓应力云图如图5所示，从中可以看出螺栓除受轴向拉伸外还受弯矩作用，即X方向上的作用力对螺栓产生弯矩，使得螺栓轴线右侧应力值高于螺栓左侧。应力最大值出现在螺杆底部与螺帽交接处，这是因为三维建模时忽略了此处的圆弧过度，而实物都会对该处进行倒钝及圆弧处理，此处不会产生应力集中，因此可忽略该处应力值，只分析螺杆上应力大小[8]。对比4组云图，21号螺栓应力最大，最大应力值在300 MPa左右，此结果与该螺栓所受X、Y向作用力都最大一致。

根据上述分析结果，横移绞车在单侧出绳条件下，螺栓的最大应力值在300 MPa左右，而螺栓的保证应力 [σ]=600 MPa，仍有2倍左右的安全系数，因此支持载荷下螺栓强度满足使用要求。