船舶鐵舾設備座架的設計

陽 艷，林 飛

（廣州中船龍穴造船有限公司，廣州 511462）

0 引言

在機器（或設備）中支承或容納零部件的零件稱為機架，如固定發動機的機架、容納傳動齒輪的減速器殼體、機床的床身等。機架按外形分類，主要可以劃分為網架式、框架式、梁柱式、板塊式、箱殼式。在船舶行業中，鐵舾設備主要屬于框架式、板塊式和箱殼式，如主機掃氣箱泄放柜、化學清洗柜和空氣瓶等箱柜和容器類設備的機架可以歸屬為框架式；而油泵，如滑油輸送泵等的座架，屬于板塊式。然而，箱殼式機架較少，基本上局限在風機類或容器類設備。

在船舶的鐵舾生產設計中，設備座架設計占有十分重要的位置，也是決定整個設計質量的關鍵因素之一。所以，怎樣提高座架設計質量是設計工作中必須不斷研究和改進的問題。本文主要以30.8萬噸油輪鐵舾生產設計的實際工作為研究對象，結合相關的理論知識，根據設備機架的形式，分別分析和探討在框架式、板塊式和箱殼式設備機架的座架設計過程中可以提高各自座架設計質量的措施。

1 框架式座架的改進措施

設備座架設計質量的好壞與如何合理地支承設備機架各部分的載荷有關。不合適或是不得要領的支承就會成為出現各種問題的根源。進一步說，如果支承不當則會產生變形、永久變形、破損、振動等的問題。對于框架式機架，其特點就是由多個支腳的機架支承其上部設備，如空壓機、汽水分離器等。對于這類設備機架的座架設計，其載荷支承的不可動搖的規則是直接支承[1]，這樣才是比較合理地并且嚴密地支承和傳遞載荷。下文主要分析30.8萬噸油輪的設備設計工作中出現的不合理支承及其改進措施。

圖1顯示，主機液壓油控制泵的機架形式為框架式，由四個垂直的支腳支承，即泵的各類載荷是由四塊垂直的直板傳遞到座架上。而座架的設計，是由六條垂直的槽鋼承受設備載荷，設備傳遞給機架的載荷和座架承受的載荷的作用線不在一條直線上。因此座架未均勻承受設備載荷，其受力情況不理想。從材料力學上分析，該座架的受力可以適當簡化為兩力簡支梁的彎曲模型，這種設計方式未充分利用材料，也未遵循直接支承的規則。從理論上說，受力桿件在彎矩的作用下，其截面上的受力分布是不均勻的，然而受軸力作用時，截面的應力分布均勻。所以，在設計該類型座架時，應盡可能保證座架的支承件與設備傳遞載荷的部件直接接觸。

圖1 主機液壓油控制泵座架圖

圖2 改進后主機液壓油 控制泵座架圖

改進后，設備的座架模型如圖2所示。座架的支腳由四條槽鋼組成，而槽鋼的垂直面與設備機架的垂直直板在同一平面上，這種座架的受力就可以認為是軸向受壓模型，座架的受力就更加均勻，設計要更加合理。另外，對于振動較大的設備，不建議兩臺設備共用一個座架。從振動理論上說，振源越多，引起共振的可能性就越大，尤其對于相同的設備，其振動頻率接近，這種情況振動就更加劇烈。當然，做成一個整體座架是可以給施工帶來方便。總之，在框架式設備的座架設計中，直接支承是至關重要的規則，應該盡力遵守，但設計質量和施工方便也要綜合考慮，二者盡量保持一致。

這類設備的座架設計，還有一個問題比較容易導致座架的設計不合理，即用板材做設備座架時板材的強度和剛度起不到有效支承的作用。此時，就必須加入支承腹板，而腹板的支承位置就決定了其支承作用是否充分。如圖3(a)所示，板材構成壓載水處理排污泵的座架，其中加強腹板的位置位于面板中間。其設備機架的底部與腹板支承的面板沒有接觸，這種腹板加強方式的支承是不充分的，并且因為載荷作用點和支承受力點距離較遠，座架會產生饒曲，并且緊固螺栓梁也會因為出現類似情況而不能充分緊固。所以，加強腹板必須盡可能地靠近設備機架與座架的作用面，既該泵的四塊墊片區域，具體如圖3(b)所示。同時，也必須兼顧螺栓的安裝位置是否足夠。

圖3 壓載水處理排污泵座架圖

2 板塊式座架的改進措施

板塊式機架的主要特點是載荷分布較均勻，其相應座架的受力面的受力也是均勻的，可以認為是均布載荷的簡支梁，一般為兩跨梁、三跨梁等。例如，在30.8萬噸油輪的鐵舾生產設計中，工作空壓機、集控室空調以及飲水柜等箱柜的座架都屬于該類機架。在這類座架的設計中，如上文所述，用板材搭建的座架必須加腹板，而用鋼材搭建的座架必須有多個支腳支承。因此，腹板的位置或鋼材支腳的位置成為確定座架受力是否合理的關鍵。以二力和三力簡支梁為分析模型，受力分析如圖4所示。

分別計算各支點的彎矩，比較其大小，找出各支點受彎矩最小的位置。如圖4(a)所示，合理的支承位置應該使梁中最大的正彎矩和最大的負彎矩的絕對值相等，即|MA|=|MC|。

圖4 簡支梁受力分析圖[2]

由公式（1）和（2）可得：a=0.207L=0.0214qL2。

圖4(b)所示的三力簡支梁，設定其中l=1/2L，該受力模型的支座彎矩為：

由以上計算過程可知：

1）對于兩塊腹板加強的板材座架和兩條鋼材支承的座架，最好使腹板到座架面板兩端的距離為0.207倍面板長度，此時的座架受力情況最為合適。當然，也要同時考慮面板螺栓開孔的位置。在不阻擋螺栓開孔的前提上，建議使腹板的位置盡力滿足以上距離要求。

2）二力簡支梁的彎矩可以比三力簡支梁的彎矩小，這意味著加兩塊腹板的板材座架的受力情況是可以比加三塊腹板的情況理想，同樣適應鋼材座架的受力情況。從節省材料的角度，在板塊式的座架設計設計中，可以優先采用加兩塊腹板的設計，其中腹板的位置距離座架面板兩端為0.207倍面板長度。但是，對于長度較大的設備，為考慮座架的穩定性，也可以采用三塊腹板的形式。總之，具體問題需要具體分析。

3 其它座架的設計

主空氣瓶（圖 5）屬于箱殼式，并且是高壓設備。在這類設備座架的設計過程中，必須注意撐架周圍的殼體板抗彎曲力矩的能力，尤其是在高壓的條件下應該采取不使發生彎曲力矩的支承方式。圖5中藍色側面固定支架的支承方式是不合適的，該種設計會使座架部位的殼體出現彎曲，在超壓情況下，這個部位的鋼材容易出現疲勞等問題，從而發生安全事故。最好的固定方式是把三根垂直船平臺面的鋼材直接焊接在船板上，并且使鋼材緊靠空氣瓶殼體成三角形布置。可是，高壓設備一般不希望殼體的焊接面過大，基本是在殼體上焊接一塊較小的板塊，用以連接座架。這樣的話，也應該是采用直接垂直船體壁面的鋼材組成的座架固定設備。

圖5 主空氣瓶座架圖

圖 6機艙行車檢修平臺圖

另外，經過幾型船的鐵舾生產設計，發現沒有采用桁架形式的設計。從理論上說，在相同跨度和相同載荷下，簡支梁的彎矩最大，靜定多跨梁、組合結構的彎矩次之，而桁架中除受均布載荷作用的桿件有彎矩外，其它桿件的彎矩為零。所以在工程實際中，簡支梁多用于小跨度結構；靜定多跨梁和組合結構可用于跨度較大的結構；當跨度更大時，則多采用桁架。

圖6所示的行車檢修平臺長為17米多，垂直的拉撐角鋼的長為3米多。這種設計不是十分合理，因為：一是由于拉撐角鋼多，很多都不能焊接于船體的骨架上，而必須焊接在船頂板上，導致拉撐角鋼的繞度較大，可能會導致船體板變形；二是3米長的角鋼拉撐的穩定性也成問題，而且浪費材料。如果采用船體骨架大小的分段桁架，就可以克服上述問題。但由于船舶行業施工技術的原因，桁架形式框架設計并不被廣泛采用，從長遠發展看，這種在其他行業被廣泛使用的設計是應該得到采用的。

4 結論

在鐵舾的生產設計中，座架的設計必須以相關的理論知識為指導，綜合考慮現場施工的可行性，二者缺一不可。在材料力學中，提高結構剛度的主要措施有：用構件受拉、壓代替受彎曲；合理布置受彎曲零件的支承（包括支承點數量及其位置），避免對剛度不利的受載形式；正確采用腹板以加強剛度，盡可能使腹板受壓；選用合適的結構，如用桁架和板結構代替梁等[2]。本文根據以上提高結構剛度的措施，并結合材料力學的相關知識，分析了30.8萬噸油輪的設備座架設計，得出的主要結論如下：1）座架設計中，載荷支承的不可動搖的規則是直接支承；2）加強腹板必須盡可能地靠近設備機架與座架的作用面，并且二力腹板的位置距離座架面板兩端為0.207倍面板長度；3）對于壓力容器的水平固定，應該采用垂直于船體墻面支承方式的座架；4）長度較長的懸吊框架推薦采用桁架形式。

[1] 小栗富士熊, 小栗達男. 機械設計禁忌手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011: 208-210.

[2] 成大先. 機械設計手冊: 機械振動 機架設計[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.