“天鯤號”橫移絞車地腳螺栓強度分析

楊晨，劉寰

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著疏浚技術的日益發展，新的作業方式和能力不斷進化，傳統“疏浚”的概念發生了很大變化，疏浚領域的范圍更加寬泛，疏浚施工難度越來越大，促使疏浚船舶向大型化趨勢發展[1]。目前世界最大絞吸船“SPARTACUS”號（在建）總裝機功率已達44 180 kW，絞刀功率9 000 kW。疏浚船舶的大型化必然推動其配套設備的同步發展。

大型工作絞車——起橋及橫移絞車，作為絞吸式挖泥船的輔助核心設備之一，具有體積大、載荷重、沖擊強、工作時間長的特點，額定工作載荷高達上百噸，如此重載的絞車與船體之間需通過高強度螺栓固定[2]。本文以“天鯤號”大型絞吸式挖泥船為例，對絞車地腳螺栓連接強度進行分析，確保絞車工作的安全性，同時為同類大型絞車地腳螺栓設計提供參考。

1 絞吸船起橋和橫移絞車簡介

起橋絞車多安裝在艏部甲板，運用鋼絲繩與橋架連接。根據不同挖泥深度，操縱橋架上下起落，使絞刀頭和泥面保持接觸。在施工過程中，當挖完一層泥面，起橋絞車松鋼絲繩放低橋架高度，進行下一層泥面挖掘。

橫移絞車通常安裝于橋架后部兩側，通過收放左右舷錨纜使挖泥船繞鋼樁運動。這些錨纜穿過設在絞刀附近的滑輪并與左右兩側的橫移絞車相連。收纜絞車稱為牽引絞車，拉動絞刀橫移，放纜絞車確保2根錨纜具有正確的張力[3-4]。

2 絞車地腳螺栓強度理論分析

2.1 計算依據

參照CCS《鋼質海船入級》規范錨機固定強度要求，絞車第i個螺栓軸向受力可按式（1）、式（2）進行計算[5]，計算模型示意圖見圖1。

式中：Rxi和Ryi為傾覆力矩作用在第i個螺栓上的軸向力，kN；Rzi為垂向外載作用在第i個螺栓上的軸向力，kN；Rsi為由設備重量作用在第i個螺栓組上的靜反力，kN；Px為垂直于軸線的水平作用力，kN；Py為平行于軸線的作用力，kN，舷內側或舷外側，取較大者；Pz為垂直于軸線的豎直作用力，kN；h為錨機軸線離安裝平面的高度，mm；xi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的x方向坐標，mm；yi為第i個螺栓組到所有N個螺栓組的中心的y方向坐標，mm；Ai為第i個螺栓組所有螺栓橫剖面面積之和，mm2；N為地腳螺栓總數；Ix為N個螺栓組對y軸慣性矩之和，Ix=∑Aixi2，mm4；Iy為N個螺栓組對x軸慣性矩之和，Iy=∑Aiyi2，mm4。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Model of calculation

2.2 工作載荷條件螺栓強度分析

起橋絞車為下出繩，出繩角度始終不變，而橫移絞車為上出繩，出繩角度隨挖深變化，同時橫移絞車工作頻率較高，地腳螺栓受力更大。鑒于篇幅限制，下文僅以橫移絞車為例進行分析計算，起橋絞車類似。

“天鯤號”橫移絞車地腳螺栓布置如圖2所示，以左下角為起點沿逆時針方向為螺栓編號1—32，每4個螺栓為一組，共8組。螺栓規格為M42，Ai=1 385 mm2，Ix=2.142 × 1011mm4，Iy=2.107 ×1011mm4，強度等級8.8級，保證應力600 MPa[6]。以1號螺栓中心為原點，水平向右為X軸，豎直向上為Y軸，建立輔助相對坐標系X′O′Y′。各螺栓以及螺栓組形心相對坐標（X′，Y′）如表1所示，借助相對坐標系即可確定各螺栓的絕對坐標（X，Y），其值見表1。

圖2 橫移絞車外形及地腳螺栓布置圖Fig.2 The shape of the side-winch and the layout of the foundation bolt

表1 橫移絞車地腳螺栓數據表Table 1 The data of the side-winch foundation bolt

如圖2所示，由于挖深不同，橫移絞車正常施工情況下，絞車出繩角度在48°～-17°范圍內變化。將絞車拉力沿豎直方向和水平方向分解，可根據式（1）進行螺栓軸向力計算。在不考慮絞車自重的條件下，絞車第i個地腳螺栓受力Ri為：

對于1臺確定的絞車，式中的P、h、Ai、Ix、N都為常數，因此Ri的大小與xi成正比，根據表1，第13號至第16號螺栓xi最大，ximax=2 923。絞車額定拉力P=1 450 kN，將各參數代入式（3）計算不同θ角度條件下Ri的最大值。

式中：ψ =arctan（67.55/45.3）=56°

當 sin（θ+ψ）=1時，即 θ為34°時Ri最大：Rimax=81.33 kN

根據標準GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》，M42的應力截面積As公稱=1 120 mm2。螺栓正應力：σ =Rimax/As公稱=72.6 MPa

（2）長距離攻擊。長距離攻擊與短距離攻擊不同，指攻擊者在擁有一部分資源的情況下，直接對已經存在的區塊進行分叉，可能獲得更多的挖礦獎勵或者否認某筆交易。

螺栓的保證應力為 [σ]=600 MPa，因此安全系數n=[σ]/σ=8.26，工作載荷下螺栓強度滿足使用要求。

2.3 支持載荷條件螺栓強度分析

“天鯤號”橫移絞車支持負載為2 320 kN。絞車制動條件下出繩角度一定，為水平向上48°。絞車傾覆作用力臂由卷筒轉軸中心高度h升高到出繩切線高度H。在支持負載，不考慮絞車自重的條件下，絞車第i個地腳螺栓受力Ri：

同額定載荷一樣，距螺栓組形心距離最遠的螺栓受力最大。代入各參數，求得：

因此安全系數n=[σ]/σ=4.4，支持載荷下螺栓強度滿足使用要求。

3 絞車地腳螺栓組強度有限元分析

上述理論計算將絞車機架做為剛性體，未考慮機架變形對螺栓受力的影響。在此假設條件下絞車鋼絲繩在圖3位置1或位置2出繩對地腳螺栓軸向受力沒有影響。都可以根據力的平移定理將出繩拉力F1或F2平移到螺栓組形心位置，用相同大小的作用力F和一個附加力偶M等效。而力偶M只會對螺栓Y向產生作用力，不會影響螺栓軸向受力大小。但在實際情況下，不同的出繩位置必然會對地腳螺栓軸向受力產生一定影響。因此，下文采用有限元法對支持載荷條件下單邊出繩工況地腳螺栓受力進行分析，并與理論計算對比。

圖3 絞車出繩位置示意圖Fig.3 The position of the winch wirerope

3.1 有限元模型

利用三維軟件建立機架和螺栓模型。由于本計算旨在分析地腳螺栓受力情況，因此未將實體合并，共創建33個part（1個機架+32個螺栓）。為保證計算精度，螺栓和機架全部采用實體單元，利用mesh controll方法細化螺栓網格。螺栓和機架接觸面定義綁定約束。分別固定每個螺栓下表面，以便提取每個螺栓受力數據進行分析。因為絞車底座Z向（圖4所示方向）設有抗剪塊，實際條件下螺栓不受Z方向的剪切力，所以對機架施加Z向為0，X、Y方向為free的位移約束。在圖3所示位置1處施加遠端載荷，水平分力1 552 kN，垂直分力1 724 kN，選取軸承座和齒輪箱固定面作為載荷作用面，從而模擬支持載荷條件下單邊出繩工況[7]，計算模型如圖4所示。

圖4 絞車有限元計算模型圖Fig.4 Finite element calculation model of the winch

3.2 計算結果分析

表2 地腳螺栓受力數據表Table 2 The force data of the foundation bolt kN

從表中可以看出各螺栓受力分布發生變化，但平均值基本一致。理論計算最大值為第13號至第15號螺栓，而模擬計算最大值為第21號螺栓，模擬結果最大值大于理論計算，計算結果增大31%。因此單純根據理論計算進行螺栓強度校核時安全系數應適當放大。

對比第2組和第6組，第3組和第5組相同絕對坐標（X向）的螺栓，其軸向受力理論值相同，如表2所示5號和24號，9號和20號等。但實際絞車出繩位置靠近第5組和第6組螺栓，靠近出繩端的螺栓受力要大于另外一側，有限元模擬值更符合事實。因而對存在單側出繩工況的絞車而言，若僅采用理論計算，為保證安全可按單邊螺栓受力進行。

由于絞車X向（圖4所示）沒有設置抗剪塊，機架變形導致的X向受力同樣由地腳螺栓平衡，因此有限元計算結果中螺栓存在X向受力，但X向受力相對Y向較小，其最大值僅為Y向最大值的1/10。結合圖5和表2，對比9號和13號螺栓，雖然13號螺栓軸向受力大于9號，但由于彎矩作用，9號應力值仍大于13號。可見由于彎矩作用導致的螺栓應力增大趨勢不可小視。

圖5 螺栓應力云圖Fig.5 Stress nephogram of the bolts

分別從第3、4、5、6組螺栓中選取一個受力較大的螺栓，即9號、13號、17號、21號螺栓分析其應力。各螺栓應力云圖如圖5所示，從中可以看出螺栓除受軸向拉伸外還受彎矩作用，即X方向上的作用力對螺栓產生彎矩，使得螺栓軸線右側應力值高于螺栓左側。應力最大值出現在螺桿底部與螺帽交接處，這是因為三維建模時忽略了此處的圓弧過度，而實物都會對該處進行倒鈍及圓弧處理，此處不會產生應力集中，因此可忽略該處應力值，只分析螺桿上應力大小[8]。對比4組云圖，21號螺栓應力最大，最大應力值在300 MPa左右，此結果與該螺栓所受X、Y向作用力都最大一致。

根據上述分析結果，橫移絞車在單側出繩條件下，螺栓的最大應力值在300 MPa左右，而螺栓的保證應力 [σ]=600 MPa，仍有2倍左右的安全系數，因此支持載荷下螺栓強度滿足使用要求。

4 結語

本文通過理論和有限元法對“天鯤號”絞吸船橫移絞車地腳螺栓強度進行分析，得出以下結論：

1）本橫移絞車地腳螺栓設計滿足額定負載以及支持負載的使用要求。

2）有限元計算考慮了物體彈性變形對螺栓受力的影響，螺栓除受軸向拉力作用外還受彎矩作用，地腳螺栓的最大綜合應力值要大于理論值，計算結果更接近真實情況。若僅采用理論分析時應增大螺栓安全系數。

3）理論計算將鋼絲繩拉力作用點視為螺栓組形心位置，出繩位置對地腳螺栓軸向受力大小沒有影響。而事實上當卷筒寬度較大，鋼絲繩單側出繩時，靠近出繩側的螺栓受力會增大。為保證絞車使用安全，此時可按單側螺栓組受力進行分析計算。