甲板機械環氧樹脂墊塊的應用及理論計算研究

吳玉琴

● （上海船舶研究設計院，上海 201203）

甲板機械環氧樹脂墊塊的應用及理論計算研究

吳玉琴

● （上海船舶研究設計院，上海 201203）

通過對比與傳統鋼質環氧樹脂墊塊的優缺點以及對環氧樹脂墊塊的可靠性分析，得出了其應用于甲板機械設備安裝上的優越性；同時結合CCS規范，通過對復合式錨絞機安裝的受力分析，對目前的環氧樹脂墊塊理論計算提出了不同的看法，并研究出一套更為合理的理論計算方法，為拓寬了環氧樹脂技術在甲板機械設備上的應用范圍提供了技術支持。

錨絞機安裝；環氧樹脂墊塊；螺栓預緊力；動態載荷；總靜壓應力

0 引言

為有效傳遞錨絞機的垂向受力問題，傳統的安裝方法大都采用金屬墊塊，這樣的安裝方法至少有幾十年的歷史。人們對于這種形式的設計、加工和安裝過程中的質量控制等問題有著一整套較為成熟的經驗，并在多年實踐過程中幾乎沒有發生過重大的質量問題；其次也是受到船級社規范的影響。因為根據規范規定，建議優先選用金屬材質的墊塊。從上世紀七十年代初，隨著出口船舶訂單的出現，環氧樹脂墊塊技術才開始逐漸進入我國的造船業。

1 環氧樹脂墊塊的可靠性分析

1.1 環氧樹脂墊塊的優勢

通過對比各種材質的性能（表 1），可以總結出環氧樹脂墊塊具有如下特點：

1）接觸面積較鋼質墊塊大

為安裝及拂刮需要，設計每塊金屬墊塊的尺寸及重量時都要顧及工人搬運與加工的方便，有時候一個受力面要分隔成好幾塊墊塊才能滿足要求，這樣會造成墊塊與基座的接觸面積減少。而環氧樹脂墊塊可與錨絞機基底面、底座面完全接觸，從而保證了設備的準確安裝；

2）摩擦系統大

在安裝甲板機械和其他機械設備時，對基座面要求不高，無需機加工，并能在不規則的表面上進行墊塊的現場澆注工作，并達到100%的接觸。設備基座和底座之間極難發生相對滑動，也不會發生磨損現象，所以螺栓不易松動；

3）比重小

重量輕，能減少空船重量，尤其是對建造大型船舶，如40萬噸礦砂船等，甲板機械設備的數量眾多的情況下，效果尤為明顯；

4）室溫澆注，工藝簡單，施工周期短

傳統安裝錨絞機的方法是;在設備基座和底座之間采用采用鑄鐵件或鋼質件作為調整墊塊。設備基座面、墊塊的上下兩面及底座上表面都需要用專用機床進行加工，并留有0.1mm～0.2mm的研磨余量。按《中國造船質量標準》[1]的要求，對每塊墊塊進行拂刮，以滿足表面粗糙度Ra6.3的要求，而且每處墊塊與基座及底座之間的間隙用 0.06的塞尺測量，其插入深度不得超過10mm。整個安裝過程不僅機加工面多，拂刮工作量大，而且勞動強度大，施工及檢驗周期長。

表1 環氧樹脂墊塊與金屬墊塊物理性能方面的比較

1.2 環氧樹脂墊塊的不足

1）環氧樹脂是一種粘彈性材料，在同樣的結構、溫度、外力作用下，其蠕變比鋼、鑄鐵嚴重；

2）抗壓強度比金屬墊塊低，考慮到上浪力及錨鏈在收放過程中產生的沖擊力，有一部分船東對使用環氧樹脂墊塊有顧慮；

3）各個船級社對于環氧樹脂墊塊的理論計算缺乏統一完整的認可方法，目前的理論計算僅依靠廠家提供，導致環氧樹脂墊塊在甲板機械安裝上的應用還不夠廣泛。

2 現有的環氧樹脂墊塊的理論計算

2.1 船級社的設計認可

目前，錨絞機的安裝理論計算基本上有供應商負責，GL、CCS明確要求提供理論計算送審，其它船級社，諸如BV、DNV等沒有明確表示一定要審查，而LR明確表示不需要送審。

2.2 理論計算依據

按照我國船舶行業標準《船用環氧機座墊片技術要求》（CB/T3514-92）[3]，設備自重的靜壓應力σg≤0.7N/mm2；總靜壓應力σ≤3.5N/mm2；由以上兩個參數決定墊塊的承壓總面積。

1）由設備自重產生在墊塊上的靜壓應力σg

式中，W為錨絞機的重量，N；A為環氧樹脂墊塊總有效面積，mm2。

2）由設備自重和螺栓的預緊力而產生在墊塊上的總靜壓應力σ

式中，FT為螺栓總的預緊力，N。

對于總靜壓應力σ，在不同的使用溫度下，具有不同的總靜壓應力允許值，參見表2；而且不同的船級社都有各自的標準。大多數船級社按 70℃的使用溫度來選取總靜壓應力，即σ=5.9N/mm2

表2 環氧樹脂墊塊在不同使用溫度下的總靜壓應力允許值

3）螺栓的總擰緊力FT

在計算螺栓擰緊力時，除了記及總靜壓應力的限制，還有確保設備完成安裝后不能移動（一般總擰緊力應大于錨絞機的重量的2.5倍）。

根據公式（2）及表2得：

然后檢驗FT/W是否大于2.5，否則就不能確保設備不移動。

4）單個螺栓的預緊力

式中，Fp為單個螺栓的預緊力，N；n為螺栓總數。

5）螺栓的擰緊力矩（Nm）

式中，dm為安裝用的螺栓的螺紋中徑，mm。

6）螺栓應力校核[4]

式中，Fb為單個螺栓的預緊力，N；σs為螺栓材料的屈服強度，N/mm2。

7）實例計算

以某船錨絞機為例，用上述計算方法進行螺栓擰緊力的計算。所需的環氧樹脂墊塊及螺栓分布如圖1所示。

圖1 環氧樹脂墊塊及螺栓分布圖

墊塊總面積為 809800mm2；螺栓通孔總面積為30627mm2；環氧樹脂墊塊總有效面積A為779173mm2；M36螺栓，其螺紋中徑dm為33.4m；M42螺栓，其螺紋中徑dm為39.07m。

由公式（1）～（5）可得，單個螺栓的預緊力為195234N。對于錨機鏈輪部分的螺栓M36，其擰緊力矩：1304.16Nm；實際選取1300Nm；對系泊絞車部分的螺栓M42，其擰緊力矩：1525.55 Nm；實際選取1500Nm。

到目前為止關于錨絞機的環氧墊塊安裝計算，幾乎所有的供應商及船級社都是采用上述理論計算方法。但是這樣的計算方法是否合理呢？盡管它已經考慮到總擰緊力應大于錨絞機重量的2.5倍，但這個理論值是否能真正抵消由于上浪載荷及錨絞機在正常工作時的動態載荷而引起的實際預緊力呢？

3 結合動態載荷，對現有的理論計算作進一步研究

3.1 動態載荷分析

其實，上述理論計算僅記及了靜態載荷，而沒有考慮由于錨絞機在正常工作時動態載荷及規范要求的上浪載荷。按各船級社規定：

1）錨絞機工作時，其鏈輪部分所承受的最大載荷應為：45%錨鏈破斷載荷；

2）系泊絞車工作時，其卷筒部分所承受的最大載荷應為：80%纜繩破斷載荷；

3）對所有船長80m及以上的船舶，距夏季載重線以上高度小于0.1L或22m，取小者，露天甲板上位于距船首0.25L區域內的錨機，要考慮上浪載荷。當系泊絞車和錨機為整體式時，系泊絞車被認為是錨機的一部分；上浪載荷的計算方法可參考2009 CCS《鋼規》[5]第2篇第3章要求。

3.2 設備分類

根據CHOCKFAST提供的船用環氧樹脂產品的指導性文件692D中的規定，船舶設備一般分成兩類：精確對中型及非精確對中型。錨絞機就是屬于非精確對中型設備。對于非精確對中型設備，設備自重產生的靜壓應力可以不受限制，主要考慮總靜壓應力。表3列出了兩種產品在各種狀態下總靜壓應力最大允許值。

表3 不同產品在各種狀態下靜壓應力最大允許值（N/mm2）

從而得出結論：1）采用CHOCKFAST ORANGE產品時，對于非精確對中型設備，其總靜壓應力可放寬至8.27 N/mm2；2）采用CHOCKFAST ORANGE產品時，對于非精確對中型設備，考慮到偶爾產生的突發沖擊力，其總靜壓應力可短時承受至68.95 N/mm2。

3.3 推薦的理論計算方法

經過對上述動態載荷分析及設備分類，可以得到如下的理論計算方法：

1）分別按 3.1節中規定的三種載荷，計算出作用在單個螺栓上的預緊力，從而得到為克服這些載荷，需要施加在各個螺栓上的最大預應力值；

2）按各個螺栓的預應力值，計算出施加在各環氧墊塊的實際壓應力；

3）環氧墊塊所承受的總靜壓應力應為設備自重引起的靜壓應力σg及螺栓的實際壓應力之和；

4）按式（6）校核螺栓的強度是否在允許范圍以內；

5）按表3驗證總靜壓應力是否在允許范圍以內；

6）由于各船級社目前還未認可表3中的數值，所以，除了要考慮上述因克服動態載荷所產生的預應力值外，還要按船級社規范值（5.9N/mm2）進行計算。若動態載荷所產生的預應力值大于規范值，但總靜壓應力在表3允許范圍內，可及時與廠商聯系溝通，讓他們及時修正計算中的相關數據，并取得船級社認可；若動態載荷所產生的預應力值小于規范值，且總靜壓應力也在表3允許范圍內，則可維持原有的計算；若動態載荷所產生的預應力值大于規范值，且總靜壓應力也超出了表3中規定的允許值，則一定要及時通知船廠，改用金屬材質的墊塊，或要求設備廠家加大地腳面積。

3.4 實例計算

2.2節實例計算中已經對某客滾船的錨絞機按船級社的規范值（5.9N/mm2）進行了計算，接下來將按三種實際的動態載荷工況再作進一步計算：

按圖 1可得：錨機軸線離安裝平面的高度h1為900mm；錨鏈輪出繩點高度h1b為1251mm；系泊索出繩點高度h2b為1278mm；系纜滾筒高度h2為900mm；錨機總高度H為1871mm；平行于軸線的錨機計算寬度B為4091mm；垂直于軸線的錨機計算長度L為2016mm；錨絞機重W為 106.73kN；垂直于軸線的作用力Px為1530.85kN；平行于軸線的作用力Py為1414.48kN；錨鏈破斷力Fb1為2430kN；系索破斷力Fb2為425kN

錨鏈與止鏈器夾角αb1為20°；系泊索導出角度αb2為6°；錨機螺栓數量、尺寸及等級為15×M36（8.8級）；系泊絞車螺栓數量、尺寸及等級為 8×M42（8.8級）。計算過程及方法可參考CCS《鋼質海船入級規范》第2篇第3章第2節的要求[5]。

從各個螺栓的受力計算（略）中，得出如下結論：

1）分別考慮上浪載荷及鏈輪的破斷載荷，在鏈輪基座下的15個M36的螺栓中，受力最大值為167.24kN，發生在第12號螺栓的上浪狀態下；

2）分別考慮上浪載荷及纜繩的破斷載荷，在系泊絞車基座下的8個M42的螺栓中，受力最大值為217.09kN，發生在第1號螺栓的上浪狀態下；

3）對于鏈輪部分的螺栓 M36，其最大擰緊力矩為1117.23Nm。該值比規范值小，實際選取可按規范值，即為1300Nm；對系泊絞車部分的螺栓M42，其最大擰緊力矩為1696.65Nm。該值比規范值大，應按實際應力取值，實際選取1700Nm。

4）按式（2）及表3計算總靜壓應力值，并校核；

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

5）按式（6）計算螺栓的實際應力，并校核；

M42 螺栓：σb=181.56 N/mm2≤0.5σs

M36 螺栓：σb=222.31 N/mm2≤0.5σs

4 結束語

本文通過理論及實例計算證明，目前送船級社認可的環氧樹脂墊塊的理論計算是有缺陷的，因為它沒有如實地反映出錨絞機的實際受力情況；通過設備分類可知，如果錨絞機屬于非精確對中型設備，那么其環氧樹脂墊塊的靜壓應力最大允許值可以放寬至8.27N/mm2，這無疑拓寬了環氧樹脂在船舶設備上的應用范圍。但這一參數能否被船級社認可并接受呢？有待于供應商能否提供足夠的技術支持讓各大船級社認可。

[1]CB/T 4000-2005. 中國造船質量標準[S]. 2005.

[2]CCS. 材料與焊接規范[M]. 2009.

[3]CB/T 3514-92. 船用環氧機座墊片技術要求[S].1992.

[4]機械設計手冊[M]. 第5版. 北京: 機械工業出版社,2008.

[5]CCS. 鋼質海船入級規范[M]. 2009.

海南首個海上風電項目獲批

記者從海南可再生能源協會了解到，目前海南風電行業發展平穩，海南風電裝機容量已達30.3萬千瓦，華能、國電、中海油等央企已搶占海南風電發展先機，促使形成了海南風電占新能源主導格局的態勢。

截至目前，海南已并網運行的陸上風電廠共有5個，分別是海南東方風力發電廠、華能文昌風電廠、中海油四更風電廠、儋州峨蔓風電廠、東方感城風電廠，裝機容量約為25.47萬千瓦，占海南電網各類電源裝機容量的7.2%;正在驗收階段的風電廠為東方高排風電廠，裝機容量4.8萬千瓦。海南省風電廠送出線路接入110千伏變電站或220千伏變電站的110千伏側，均能滿足送出需要。去年，海南風力發電共2.7億度。

據海南可再生能源協會秘書長范益民透露，風能目前已拓展進入風光互補綜合應用領域。位于臨高的“風光互補示范工程6兆瓦風電項目”獲得海南省發改委批準，擬建設3臺2兆瓦風力發電機組，與已建成的臨高20兆瓦光伏發電站形成26兆瓦風光互補項目，年均總上網電量將達3821萬。此外，據不完全統計，海口、三亞兩地使用的“風光互補路燈”已有上萬支。

針對此前海南區域內風電廠發生過多次風電脫網事故，有關負責人表示，隨著的技術條件的完善，對風電接納能力的提高，情況已得到改善。

由于海上風電具有資源豐富、發電利用小時數高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規模開發的特點，近幾年歐美國家均把風電開發的重點轉向海上，許多大型風電開發企業、設備制造企業正積極探索海上風電發展之路。海南島四面環海，所轄海域面積達200多萬平方公里，占全國海域面積的2/3，發展海風發電潛力巨大。中國大唐集團新能源股份有限公司所屬的臨高海上試驗風機項目位于臨高縣臨高角北面海域，將安裝一臺單機容量6兆瓦的WTG136-6000型風電機組作為試驗樣機，該項目成為海南核準的首個海上風電項目，也是目前我國單機容量最大的海上風力發電機組。

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

吳玉琴（1968-），女，高級工程師。研究方向：甲板機械安裝設計。