船舶機械機座設計中環氧樹脂墊片的應用解析

王建軍

（廈門船舶重工有限公司，福建 廈門 361026）

船舶機械機座設計中環氧樹脂墊片的應用解析

王建軍

（廈門船舶重工有限公司，福建 廈門 361026）

船舶機械機座質量與其能否承受外力和各種力矩密切相關，隨著環氧樹脂墊片應用的增多，需提高其設計水平。首先對船舶機械機座的受力情況做了分析，然后結合實例探究了其實際應用。

船舶機械機座；環氧樹脂墊片；螺栓

0 引言

隨著船舶機械制造業的進步，材料也不斷更新，主機、甲板等處的機座過去多使用金屬墊片，勞動強度大，但韌性不足。環氧樹脂是一種有機化合物，分子中至少含有兩個環氧基團，化學性質活潑，與固化劑交聯反應后會生成具有不溶、不熔性質的高聚物。應用于船舶機械機座中，不但可提高機座性能，而且造船工期也有所縮短。機座要承受主機和發電機傳輸的力矩，在如此大的壓力下，如何合理設計環氧樹脂墊片總壓應力是考慮的重點。

1 船舶機械機座受力情況分析

1.1 概述

按照船舶機械機座制造標準，在計算環氧樹脂墊片的總壓應力時，公式為：Pt＝（W+T）/A。W表示機械自身重量，T表示螺栓總緊固力，A是環氧樹脂墊片的有效面積。但其并沒有考慮機座聯接平衡輸出轉矩和接受力矩時某一側受到的壓力，故在此對其受力進行分析。

在外力作用下，機座聯接部件會發生一定程度的變形，但通常不會超出線彈性范圍。此時機座墊片壓力的增加側和減小側的受力情況不同，對其設計有一定的要求：機座聯接必須將其壓力增加側受到的壓應力控制在許可范圍內，螺栓要保持足夠的剩余拉應力；而壓力減小側則是控制螺栓拉應力不超過許用范圍，同時保持墊片足夠的壓應力。

1.2 墊片總壓應力

船舶機械在實際作業中承受的工作負荷具有變動性，在計算機座墊片的總壓應力時，除了機械重量和墊片面積，還需考慮其他因素，如被聯接件的相對硬度、螺栓相對硬度、機座單側承受的工作壓力、預緊力作用下產生的壓應力、工作負荷下承受的壓應力等。根據相關計算，可給出計算墊片在工作負荷下所受總壓應力為：

Pt＝W/T+（1+β2）σF+β2σF＝W/T+（1+2β2）σF

上式中，W/T表示機械自重產生的壓應力，（1+β2）σF是螺栓預緊力所產生的壓應力，β2σF則表示來自工作外力的壓應力。

1.3 螺栓總壓應力

在計算機座聯接螺栓的受力時，需考慮螺栓預緊力、相對硬度、直徑截面積、機座單側所受外力等因素。根據相關計算可將其總壓應力表示為：

F0＝2F＝2ALσLmax-FZ/N

上式中，F0為螺栓總壓應力，F表示機座單側所受壓力，AL表示螺栓的最小直徑截面積，σLmax是距離所有聯接螺栓的最小截面積的慣性矩中性軸線最遠處，在翻轉力矩作用下螺栓最小截面積上產生的拉應力。需注意的是，當機械只輸出或輸入扭矩時，與機座承受的翻轉力矩相等；如果機械的機座體積小、重心高且受風面大，還應考慮風力和慣性力的影響。

1.4 環氧樹脂墊片的聯接校核

據行業標準規定，主機的總壓應力需保持在2.5MPa—3.5MPa之間，其他輔機一般也不會超過8.5MPa。但環氧樹脂墊片的壓縮強度至少要為117MPa，再加上轉矩負荷，應對其許用預應力值進行具體分析。由于受剪切能力較差，設計時必須避開這一點，由頂緊螺栓或新設推力擋塊承受橫向外力。此外，在外力作用下，機座一側常出現螺栓拉力增大、墊片受壓減輕，而另一側出現相反的現象。此時如果對螺栓補充擰緊，則拉力增加側依據規定擰緊螺母后往往不能進一步擰緊，但拉力減小測可以，極易使墊片承受更大的壓力，甚至會被壓潰。所以在機械作業時盡量不要對螺栓進行補充擰緊，如果需要擰緊，需先將負荷解除，再按照設計值擰緊。當機械工作負荷比較穩定時，因變化小，可只考慮靜力；如果工作負荷變動較大，還需考慮螺栓的疲勞強度。

2 實例分析環氧樹脂墊片在船舶機械機座設計中的應用

某船舶絞纜機重2t，采用直徑為60mm的編織尼龍纜繩，機架一端安裝有徑向柱塞液壓馬達作為動力部分。為了方便分析，先做出幾個假設：①纜繩的重心在通過機座形心的Z軸上；②纜繩的拉力方向位于X平面和Z平面內，所以在Y方向上的分力為零；③纜繩在滾筒上的作用點大致在滾筒中部偏上。

2.1 纜繩拉力

該船舶機座使用的是編織尼龍纜繩，根據相關標準加以計算，長期工作下的安全負荷為92586N；偶爾使用時，其工作負荷為238025N，將此作為計算依據，則可求得X方向上的分力約為234435N，鉛垂向下的分力為41337N。

2.2 其他有用參數

1）除去螺栓孔所占用的面積，環氧樹脂墊片的有效總面積為239138mm2。

2）其有效面積對Y軸的慣性矩為5.399×1010（mm4），全部聯接螺栓最小截面積對Y軸的慣性矩約為1.945×109（mm4）。

3）螺栓剛度為1.83×106（N/MM），相對剛度為0.47，被連接件的相對剛度為0.53。

4）螺栓的小徑截面積為539mm2。

5）沿X軸方向作用在纜機機座上的彎矩為3.516×108（N/mm）。

6）被連接法蘭的剛度約為2.06×106（N/mm）。

2.3 強度校核

首先是環氧樹脂墊片的強度校核，利用相關公式求得墊片所受工作應力為3.917MPa，而按照行業標準計算得出的最大使用壓力值為8.5MPa，所以強度符合要求。

其次是聯接螺栓的強度校核，經計算，其靜力強度和疲勞強度均滿足要求，所以在該船舶中的設計比較合理。

3 結束語

環氧樹脂作為船舶機械機座墊片，在實際中的應用越來越多，其重要性更是不言而喻。由于船舶所受外力往往不固定，所以設計時必須加強對機座聯接的重視，確保其強度符合要求。同時還要盡量減少材料用量，并起到環保的效果。

［1］張興奎，張華東，韓文科.環氧樹脂在船舶機械機座設計中的應用［J］.船舶標準化工程師，2013，20（6）：109-110.

［2］王仙，李天勻，朱翔，金翔.澆筑型環氧樹脂墊片特性及在我國船舶中的應用［J］.中國船舶研究，2009，27（4）：176-178.

［3］周玉起.環氧樹脂在船舶機械安裝中的應用［J］.中國修船，2004，22（1）：118-120.

王建軍（1970—），男，漢族，山東煙臺，廈門船舶重工股份有限公司，工程師 8500PCTC項目經理。