船舶機(jī)械機(jī)座設(shè)計(jì)中環(huán)氧樹脂墊片的應(yīng)用解析

王建軍

（廈門船舶重工有限公司，福建 廈門 361026）

船舶機(jī)械機(jī)座設(shè)計(jì)中環(huán)氧樹脂墊片的應(yīng)用解析

王建軍

（廈門船舶重工有限公司，福建 廈門 361026）

船舶機(jī)械機(jī)座質(zhì)量與其能否承受外力和各種力矩密切相關(guān)，隨著環(huán)氧樹脂墊片應(yīng)用的增多，需提高其設(shè)計(jì)水平。首先對船舶機(jī)械機(jī)座的受力情況做了分析，然后結(jié)合實(shí)例探究了其實(shí)際應(yīng)用。

船舶機(jī)械機(jī)座；環(huán)氧樹脂墊片；螺栓

0 引言

隨著船舶機(jī)械制造業(yè)的進(jìn)步，材料也不斷更新，主機(jī)、甲板等處的機(jī)座過去多使用金屬墊片，勞動強(qiáng)度大，但韌性不足。環(huán)氧樹脂是一種有機(jī)化合物，分子中至少含有兩個環(huán)氧基團(tuán)，化學(xué)性質(zhì)活潑，與固化劑交聯(lián)反應(yīng)后會生成具有不溶、不熔性質(zhì)的高聚物。應(yīng)用于船舶機(jī)械機(jī)座中，不但可提高機(jī)座性能，而且造船工期也有所縮短。機(jī)座要承受主機(jī)和發(fā)電機(jī)傳輸?shù)牧?，在如此大的壓力下，如何合理設(shè)計(jì)環(huán)氧樹脂墊片總壓應(yīng)力是考慮的重點(diǎn)。

1 船舶機(jī)械機(jī)座受力情況分析

1.1 概述

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

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

1.2 墊片總壓應(yīng)力

船舶機(jī)械在實(shí)際作業(yè)中承受的工作負(fù)荷具有變動性，在計(jì)算機(jī)座墊片的總壓應(yīng)力時，除了機(jī)械重量和墊片面積，還需考慮其他因素，如被聯(lián)接件的相對硬度、螺栓相對硬度、機(jī)座單側(cè)承受的工作壓力、預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力、工作負(fù)荷下承受的壓應(yīng)力等。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，可給出計(jì)算墊片在工作負(fù)荷下所受總壓應(yīng)力為：

Pt＝W/T+（1+β2）σF+β2σF＝W/T+（1+2β2）σF

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

1.3 螺栓總壓應(yīng)力

在計(jì)算機(jī)座聯(lián)接螺栓的受力時，需考慮螺栓預(yù)緊力、相對硬度、直徑截面積、機(jī)座單側(cè)所受外力等因素。根據(jù)相關(guān)計(jì)算可將其總壓應(yīng)力表示為：

F0＝2F＝2ALσLmax-FZ/N

上式中，F(xiàn)0為螺栓總壓應(yīng)力，F(xiàn)表示機(jī)座單側(cè)所受壓力，AL表示螺栓的最小直徑截面積，σLmax是距離所有聯(lián)接螺栓的最小截面積的慣性矩中性軸線最遠(yuǎn)處，在翻轉(zhuǎn)力矩作用下螺栓最小截面積上產(chǎn)生的拉應(yīng)力。需注意的是，當(dāng)機(jī)械只輸出或輸入扭矩時，與機(jī)座承受的翻轉(zhuǎn)力矩相等；如果機(jī)械的機(jī)座體積小、重心高且受風(fēng)面大，還應(yīng)考慮風(fēng)力和慣性力的影響。

1.4 環(huán)氧樹脂墊片的聯(lián)接校核

據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主機(jī)的總壓應(yīng)力需保持在2.5MPa—3.5MPa之間，其他輔機(jī)一般也不會超過8.5MPa。但環(huán)氧樹脂墊片的壓縮強(qiáng)度至少要為117MPa，再加上轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，應(yīng)對其許用預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行具體分析。由于受剪切能力較差，設(shè)計(jì)時必須避開這一點(diǎn)，由頂緊螺栓或新設(shè)推力擋塊承受橫向外力。此外，在外力作用下，機(jī)座一側(cè)常出現(xiàn)螺栓拉力增大、墊片受壓減輕，而另一側(cè)出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。此時如果對螺栓補(bǔ)充擰緊，則拉力增加側(cè)依據(jù)規(guī)定擰緊螺母后往往不能進(jìn)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?xí)粔簼?。所以在機(jī)械作業(yè)時盡量不要對螺栓進(jìn)行補(bǔ)充擰緊，如果需要擰緊，需先將負(fù)荷解除，再按照設(shè)計(jì)值擰緊。當(dāng)機(jī)械工作負(fù)荷比較穩(wěn)定時，因變化小，可只考慮靜力；如果工作負(fù)荷變動較大，還需考慮螺栓的疲勞強(qiáng)度。

2 實(shí)例分析環(huán)氧樹脂墊片在船舶機(jī)械機(jī)座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

某船舶絞纜機(jī)重2t，采用直徑為60mm的編織尼龍纜繩，機(jī)架一端安裝有徑向柱塞液壓馬達(dá)作為動力部分。為了方便分析，先做出幾個假設(shè)：①纜繩的重心在通過機(jī)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(nèi)，所以在Y方向上的分力為零；③纜繩在滾筒上的作用點(diǎn)大致在滾筒中部偏上。

2.1 纜繩拉力

該船舶機(jī)座使用的是編織尼龍纜繩，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加以計(jì)算，長期工作下的安全負(fù)荷為92586N；偶爾使用時，其工作負(fù)荷為238025N，將此作為計(jì)算依據(jù)，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(shù)

1）除去螺栓孔所占用的面積，環(huán)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(lián)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(jī)機(jī)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(qiáng)度校核

首先是環(huán)氧樹脂墊片的強(qiáng)度校核，利用相關(guān)公式求得墊片所受工作應(yīng)力為3.917MPa，而按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的最大使用壓力值為8.5MPa，所以強(qiáng)度符合要求。

其次是聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度校核，經(jīng)計(jì)算，其靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足要求，所以在該船舶中的設(shè)計(jì)比較合理。

3 結(jié)束語

環(huán)氧樹脂作為船舶機(jī)械機(jī)座墊片，在實(shí)際中的應(yīng)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(shè)計(jì)時必須加強(qiáng)對機(jī)座聯(lián)接的重視，確保其強(qiáng)度符合要求。同時還要盡量減少材料用量，并起到環(huán)保的效果。

［1］張興奎，張華東，韓文科.環(huán)氧樹脂在船舶機(jī)械機(jī)座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2013，20（6）：109-110.

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

［3］周玉起.環(huán)氧樹脂在船舶機(jī)械安裝中的應(yīng)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(xiàng)目經(jīng)理。