混合式圓鋼首柱在中小型高速船上的應(yīng)用

摘 要：混合式鑄鋼首柱在中小型高速船上用得較為普遍，本文以混合式圓鋼首柱替代混合式鑄鋼首柱進(jìn)行可行性分析，認(rèn)為在一定條件下，混合式圓鋼首柱比混合式鑄鋼首柱加工成本更低，施工工藝更為簡單。

關(guān)鍵詞：混合式鑄鋼首柱；混合式圓鋼首柱；中小型高速船；成本；工藝

中圖分類號：U671.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

首柱是船舶首部最前端的構(gòu)件，也是船體最重要的構(gòu)件之一，船舶首部的外板、甲板、平臺和舷側(cè)的縱桁都是結(jié)集在首柱處。首柱是一個受力構(gòu)件，要承受各種外力作用，特別是船體與其它物體的激烈碰撞。它能增強(qiáng)船體承受波浪沖擊力和水壓力，還能承受縱向碰撞的震動。所以首柱要有足夠的剛度和強(qiáng)度，能承受各種外力沖擊。

在船舶建造上，按照制造材料和制造方式的不同，首柱一般有三種：

（1）鋼板首柱。用厚鋼板焊接而成，并在縱向設(shè)有加強(qiáng)筋，橫向設(shè)有水平肘板，焊接成一體。鋼板首柱具有重量輕、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以被現(xiàn)代船舶廣泛采用。

（2）鑄鋼首柱。用鋼材鑄造而成，剛度好，可以鑄造各種復(fù)雜形狀。但是其重量大，所以它適用于剖面形狀復(fù)雜和剛度要求高的地方。

（3）混合式首柱。在水線以下做成鑄鋼件，水線以上部分做成鋼板首柱，兩段焊接在一起。這種混合式首柱兼顧了鑄鋼首柱和鋼板首柱的優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)代一些大型船舶上常采用混合式首柱。

船舶首柱乃至整個首部之形狀對船的興波阻力，特別對中小型高速船影響甚大，因此在船體型線設(shè)計(jì)中為降低船舶首部的興波阻力，通常都將設(shè)計(jì)水線以及設(shè)計(jì)水線附近的幾條水線的首端形狀設(shè)計(jì)得十分尖瘦，其圓弧半徑一般都很小，也就是說首柱在設(shè)計(jì)水線附近之剖面其圓弧半徑很小，這種過小的圓弧半徑無疑給首柱的加工帶來困難。

2 首柱在中小型高速船上的應(yīng)用

對中小型船來說，一般采用鋼板做首柱，成本相對低廉，重量較輕，但對中小型高速船來說，首柱過小的圓弧半徑，用鋼板難以加工，存在以下缺點(diǎn)：

（1）在焊接過程中容易變形；

（2）很難形成流線型結(jié)構(gòu)；

（3）焊接過程中內(nèi)部應(yīng)力高；

（4）焊縫影響部件的外觀和可靠性。

鑄鋼首柱的成本高，重量重，對有重量控制要求的高速船來說不適用。混合式鑄鋼首柱在高速船上用得較為普遍，在水線下的較小圓弧半徑用鑄鋼件制作，水線以上則用鋼板成形，兩者再焊接在一起，這種混合式鑄鋼首柱有以下的特點(diǎn)：

（1）更大的設(shè)計(jì)靈活性，可自由地按照設(shè)計(jì)圖紙鑄出形狀變化的鑄件；

（2）提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對高速船來說，由于速度較快，對于發(fā)生首部碰撞，混合式鑄鋼首柱比鋼板首柱強(qiáng)度更好，提高船舶的安全性能；

（3）與鑄鋼首柱相比，成本更低，重量更輕，但比鋼板首柱的成本高，重量重。

3 混合式圓鋼首柱替代混合式鑄鋼首柱可行性分析

盡管混合式鑄鋼首柱具有上述特點(diǎn)，有沒有一種成本更低，加工工藝更簡單的替代方法呢？現(xiàn)以一艘總長33 m的執(zhí)法艇以例（如圖1、2），以混合式圓鋼首柱替代混合式鑄鋼首柱進(jìn)行可行性分析。

（1）加工工藝分析。

如圖1所示，首柱1為鋼板段，厚度t=7 mm；首柱2為鑄鋼段，采用鑄鋼牌號為ZG230-450，現(xiàn)采用圓鋼來替代鑄鋼段。由于首柱2段圓弧半徑是逐步變化的，圓鋼按最大的圓弧半徑購料后還需進(jìn)行加工，在車床上按放樣的長度與首尾的圓弧半徑加工成錐形的圓棒，為方便與中內(nèi)龍骨連接與減輕首柱重量，將圓鋼切除直徑的2/5，首尾及兩邊刨出與連接鋼板厚度相同的連接槽（如圖3所示），以便與外板相接，最后將圓鋼拉彎成首柱2段的縱向形狀后便可進(jìn)行安裝。

圖3 執(zhí)法艇首柱剖面圖

（2）材料力學(xué)性能對比分析（見表1、表2）。

表1 鑄鋼的機(jī)械性能

表2 圓鋼的機(jī)械性能

以表1、表2來看，選用25號的圓鋼在強(qiáng)度上并不比鑄鋼差。

（3）重量對比分析。

材料的密度與加工的尺度一樣，重量相差不大。

（4）成本對比分析。

在成本上來說，鑄鋼材料與加工的成本約為12.5元/kg，圓鋼則為8元/kg，圓鋼的成本更低。

從以上分析來看，用圓鋼替代是鑄鋼是可行的，兩者相比，圓鋼首柱的特點(diǎn)是：

（1）在重量與強(qiáng)度上，圓鋼可替代鑄鋼；

（2）成本比鑄鋼的低，耗能少；

（3）在加工工藝上相對簡單，質(zhì)量穩(wěn)定。鑄鋼首柱在鑄造過程易產(chǎn)生氣孔，在安裝前仍需大量校正打磨，圓鋼首柱不存在氣孔，外表面經(jīng)機(jī)加工后不用打磨，校正也相對容易。

圖4、圖5為圓鋼首柱現(xiàn)場裝配圖，加工后的變形值小，圓弧半徑形狀優(yōu)美，與外板線型銜接流暢。

圖4 圓鋼首柱裝配圖a

圖5 圓鋼艏柱裝配圖b

4 結(jié)束語

圓鋼首柱替代鑄鋼首柱這種方式只能在一定的條件下使用，比如說：只能用于中小型船上，加工的尺寸有局限等。但在一定條件下，不妨是一種節(jié)能、高效的方法。

參考文獻(xiàn)

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[2] 曾正明. 五金速查手冊（第3版）[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社. 2012.