船體變形對主機(jī)液壓頂撐校中的影響分析1

王 彧

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

主機(jī)液壓調(diào)節(jié)式頂撐主要由1 個液壓缸和2 套球軸承構(gòu)成。凸輪軸潤滑系統(tǒng)向頂撐提供液壓油，通過設(shè)置1 只溢流閥防止產(chǎn)生過高壓力。主機(jī)液壓頂撐的吸振性能好，且允許主機(jī)機(jī)架和船體之間存在一定的相對變形量，這不僅能有效緩解因船舶裝載不同導(dǎo)致的橫向支撐預(yù)應(yīng)力，還能減小因主機(jī)搖擺而產(chǎn)生的附加載荷。主機(jī)液壓頂撐裝在主機(jī)的一側(cè)，無論船體如何變形，主機(jī)和船體間的作用力都保持固定不變[1]。主機(jī)液壓頂撐是一種用于減小主機(jī)和船體結(jié)構(gòu)振動的裝置，已廣泛應(yīng)用于多種類型的船舶上。

然而，近些年已發(fā)現(xiàn)數(shù)艘船舶在營運(yùn)過程中出現(xiàn)主機(jī)液壓頂撐變形超出許用衡準(zhǔn)的問題。一旦主機(jī)液壓頂撐的變形超出許用衡準(zhǔn)，且變形無法自主恢復(fù)原位，則液壓頂撐的減振效果會大打折扣，主機(jī)的振動水平相應(yīng)增大，甚至?xí)?dǎo)致橫向頂撐發(fā)生斷裂或機(jī)損等事故[2]。

本文基于某多用途船的主機(jī)液壓頂撐，對船體變形情況進(jìn)行有限元計算，對變形對液壓頂撐校準(zhǔn)的影響進(jìn)行分析，并提出有針對性的優(yōu)化措施。

1 液壓頂撐變形

1.1 船舶主尺度

某多用途船的主尺度信息見表1。

表1 船舶主尺度信息

1.2 液壓頂撐變形情況

某多用途船采用MAN B&W 5G60ME-C9.5 型主機(jī)，據(jù)船東反饋，該船在一次滿載航行的過程中遭遇惡劣海況，且當(dāng)時船舶的航速相對較高，航行過程中未出現(xiàn)主機(jī)振動異常的情況。然而，在設(shè)備檢查保養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)主機(jī)液壓橫撐在靠主機(jī)側(cè)有明顯的變形。

此外，根據(jù)主機(jī)后側(cè)連接管路的油漆表面破損痕跡可知，連接管路存在明顯的向艏部移動的趨勢。在船舶靠港卸載部分貨物后，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測勘驗，未發(fā)現(xiàn)主機(jī)固定螺栓有松動情況，相應(yīng)管路已基本恢復(fù)到初始安裝位置，但主機(jī)橫撐變形并未恢復(fù)。

主機(jī)液壓頂撐變形示意圖見圖1，實(shí)際變形數(shù)據(jù)測量如下：

圖1 主機(jī)液壓頂撐變形示意圖

1）船體側(cè)最大變形值Hmax=78 mm。

2）船體側(cè)最小變形值Hmin=67 mm。

3）船體側(cè)變形量ΔH=11 mm。

4）主機(jī)側(cè)最大變形值Emax=78 mm。

5）主機(jī)側(cè)最小變形值Emin=67 mm。

6）主機(jī)側(cè)變形量ΔE=11 mm。

船體側(cè)和主機(jī)側(cè)的許用變形量均為10 mm。

2 變形影響及優(yōu)化措施

2.1 船體變形對液壓頂撐的影響

船舶整體可視為一個船體梁，一般情況下，在滿載工況時船舶會出現(xiàn)中垂變形，而在壓載工況時船舶會出現(xiàn)中拱變形[3]。

在船舶運(yùn)營過程中，船體彈性變形會使主機(jī)液壓頂撐產(chǎn)生縱向位移。這是由于船體發(fā)生彈性變形的過程中主機(jī)和船體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生了相對位移。

針對不同型號的船舶，對船體變形情況進(jìn)行有限元計算，并對船體變形對液壓頂撐校準(zhǔn)的影響進(jìn)行分析。在進(jìn)行有限元分析時，選取主機(jī)前端一點(diǎn)和機(jī)艙二甲板前端一點(diǎn)作為參考點(diǎn)（見圖2），計算滿載工況和壓載工況下主機(jī)與機(jī)艙下平臺之間的相對變形，見表1。在滿載工況下，主機(jī)相對平臺通常會有朝向艏部的相對位移；在壓載工況下，主機(jī)相對平臺通常會有朝向艉部的相對位移，且位移大小不及滿載工況。此外，船舶的噸位或主尺度越大，主機(jī)與機(jī)艙下平臺之間的相對變形值越大。

圖2 參考點(diǎn)選取情況

表1 主機(jī)與機(jī)艙下平臺變形情況（x 方向）

船舶在滿載工況下，全船總的變形表現(xiàn)為中垂變形，主機(jī)與機(jī)艙下平臺在x方向的變形情況見圖3。船舶在壓載工況下，全船總的變形表現(xiàn)為中拱變形，主機(jī)與機(jī)艙下平臺在x方向的變形情況見圖4。

圖3 主機(jī)與機(jī)艙下平臺在x 方向的變形情況（滿載工況）

圖4 主機(jī)與機(jī)艙下平臺在x 方向的變形情況（壓載工況）

由于主機(jī)本身剛度較大，可認(rèn)為主機(jī)和內(nèi)底板的變形情況一致，而平臺的變形則沒有內(nèi)底板變形大，故平臺與主機(jī)之間存在相對位移。圖3 和圖4中，AB代表變形前的機(jī)艙下平臺輪廓線；CD代表變形前的機(jī)艙內(nèi)底輪廓線；A'B'代表變形后的機(jī)艙下平臺輪廓線；C'D'代表變形后的機(jī)艙內(nèi)底輪廓線；A"B"C'D'代表主機(jī)外輪廓線；A"A'代表主機(jī)后端點(diǎn)與機(jī)艙平臺之間的相對變形；B"B'代表主機(jī)前端點(diǎn)與機(jī)艙平臺之間的相對變形。

通過分析變形情況，可得出如下結(jié)論：

1）在不同工況下主機(jī)與機(jī)艙下平臺的相對位移會導(dǎo)致頂撐變形。

2）在滿載工況下，主機(jī)相對機(jī)艙下平臺通常會有朝向艏部的相對位移；在壓載工況下，主機(jī)相對機(jī)艙下平臺通常會有朝向艉部的相對位移。

3）在惡劣海況下，波浪彎矩的疊加可能會增加船舶的總變形量。此外，主機(jī)本身的振動也可能增大主機(jī)與機(jī)艙下平臺的相對位移。

2.2 優(yōu)化措施

1）在設(shè)計階段，通過有限元等方法提前預(yù)判主機(jī)與船體結(jié)構(gòu)之間的相對變形情況，若某一方向的變形量超出了許用范圍，可建議設(shè)備供應(yīng)商改進(jìn)主機(jī)液壓頂撐的設(shè)計，以增加主機(jī)液壓頂撐的許用變形值。

2）在主機(jī)液壓頂撐安裝階段，要保證主機(jī)液壓頂撐處于合理狀態(tài)，校中過程應(yīng)考慮船體變形的影響[4]。在通常情況下，液壓頂撐的安裝和校中均在輕載工況下進(jìn)行。在滿載工況下，結(jié)構(gòu)的彈性變形最大，考慮主機(jī)振動的影響，容易出現(xiàn)錯位現(xiàn)象。因此，建議在半載工況下重新調(diào)整液壓頂撐的位置，半載工況介于輕載工況和滿載工況之間，可兼顧結(jié)構(gòu)彈性變形的影響。此外，可在后續(xù)船舶頂撐校中時設(shè)定一個提前偏置量，使?jié)M載工況和壓載工況的變形均在許用范圍內(nèi)。

3）為盡可能避免主機(jī)支撐超出許用變形值，建議在船舶營運(yùn)過程中對主機(jī)液壓頂撐進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，必要時要重新進(jìn)行校中調(diào)整。

3 結(jié)論

主機(jī)液壓頂撐廣泛應(yīng)用于多種類型的船舶，本文基于某多用途船的主機(jī)液壓頂撐，對船體變形情況進(jìn)行了有限元計算，分析了變形對液壓頂撐校準(zhǔn)的影響，并提出了有針對性的優(yōu)化措施。結(jié)果表明：船體變形會對主機(jī)液壓頂撐的校中產(chǎn)生影響，校中誤差隨船體變形程度的增加逐漸增大。