新型系泊絞車免基座安裝方法

宋鋒,王忠強,李永福

(滬東中華造船(集團)有限公司 研發(fā)設(shè)計院,上海 200129)

系泊絞車是重要的舾裝設(shè)備,傳統(tǒng)的安裝工藝就是通過螺栓將系泊絞車固定在基座上,然后基座燒焊在甲板上。過程雖然簡單,但實際施工時每個碩大的絞車基座都需要吊裝,占用大量的船塢吊裝工時。而且,由于傳統(tǒng)的框架式基座均由細長肘板組成,很難精確對準(zhǔn)甲板反面的加強筋,稍有制作誤差就很有可能完全錯位,現(xiàn)場工人需要花費大量的時間來調(diào)整。所以從施工的便捷性,縮短造船周期和成本優(yōu)化出發(fā),需對傳統(tǒng)的系泊絞車基座進行改進,直接用一塊底腳復(fù)板代替體積龐大的框架式基座結(jié)構(gòu),將原基座所有的功能都集成在這塊復(fù)板上。這樣,系泊絞車的高度會大幅降低,相應(yīng)地,可取消系泊絞車的操作平臺,用于系泊導(dǎo)向的羊角滾輪基座高度可隨之降低,也可省去絞車基座的制作和安裝成本。

具體實施思路為在底腳復(fù)板上機加工螺紋孔,將底腳復(fù)板焊接在甲板面上,然后通過環(huán)氧調(diào)平系泊絞車,將緊固螺栓從系泊絞車底腳往下旋入到底腳復(fù)板的螺紋孔中,雙螺母鎖緊防松,再在底腳復(fù)板上安裝止動塊來限制系泊絞車水平移動,參見圖1。

新技術(shù)實施過程中存在很多難點,需重點進行技術(shù)攻關(guān),涉及設(shè)計、工藝、檢驗要求等,確保新技術(shù)的平穩(wěn)實施。

1 主要研究工作及方案實施難點

1.1 系泊絞車底腳復(fù)板的厚度、材料強度及螺紋剪切強度計算

由于要在絞車底腳復(fù)板上攻螺紋,底腳螺栓直接旋入底腳復(fù)板,則底腳復(fù)板的厚度直接決定螺栓有效受力的螺紋高度。通過螺栓緊固力矩下的螺紋剪力計算,可確認最小所需螺紋高度,也就是底腳復(fù)板的最小厚度,以及底腳復(fù)板的材料強度。

由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件,只是用底腳復(fù)板取代了螺母,所以只需對底腳復(fù)板上的內(nèi)螺紋進行抗剪切強度校核。

螺紋抗剪切強度校核計算如下。

τ=F/(π×D×b×z)≤[τ]

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力,MPa;F為垂直軸向力,N;D為螺紋大徑,mm;b為螺紋牙底寬度,mm,對于普通螺紋,b=0.75p,其中p為螺距;z為螺紋結(jié)合圈數(shù),一般不超過10(各圈螺紋牙因旋合受力不均,z不宜大于10);[τ]為許用剪應(yīng)力,MPa,對于材質(zhì)為鋼,一般取[τ]=0.6[σ],[σ]為材料許用拉應(yīng)力,[σ]=σs/S,MPa,其中σs為屈服應(yīng)力,MPa,S為安全系數(shù),一般取3～5。

螺栓垂直軸向力F換算如下。

F=5 000×T/d

(2)

式中：T為螺栓的擰緊力矩,N·m;d為螺栓的公稱直徑,mm。

關(guān)于擰緊力矩T,由系泊絞車制造方給出數(shù)據(jù),如果計算得到τ>[τ],則可通過以下方法來優(yōu)化：①增加底腳復(fù)板厚度,從而增加式(1)中的z值;②將底腳復(fù)板材質(zhì)換成高強度鋼,提升[τ]值;③與系泊廠家協(xié)調(diào),適當(dāng)增大螺栓直徑d;④調(diào)整系泊絞車工作卷筒和存儲卷筒的位置,使工作卷筒盡量靠近減速齒輪箱,利用齒輪箱底腳間長距離的力臂來有效降低所需垂直軸向力F。

1.2 系泊絞車底腳螺栓緊固方式

傳統(tǒng)基座的螺栓擰緊都是靠六角頭螺栓從下往上穿入設(shè)備底腳,然后用螺母鎖緊。但在免基座安裝情況下,螺栓無法從下往上穿入,底腳復(fù)板是直接焊接在甲板上的。為了解決免基座安裝情況下的螺栓緊固問題,經(jīng)過分析,最終選取雙頭螺柱的單側(cè)雙螺母緊固方式。先將雙頭螺柱從上往下順向擰緊,再上1個螺母進行預(yù)緊,然后再上1個鎖緊螺母進行最終鎖緊防松[1]。預(yù)緊螺母與雙頭螺柱同向旋轉(zhuǎn),防止雙頭螺柱回旋,確保雙頭螺柱旋到螺紋最根部,有效保證螺紋接觸面積,見圖2。

圖2 底腳螺栓緊固方式

1.3 底腳復(fù)板和船體結(jié)構(gòu)的強度計算

系泊絞車卷筒工作時,絞車會受到纜繩極大的拉力,出于結(jié)構(gòu)安全性考慮必須對絞車支撐結(jié)構(gòu)強度進行計算和校核[2]。考慮到止動塊承受較大載荷,受力面積又小,直接作用在甲板面上的話會導(dǎo)致甲板面局部載荷過大,常規(guī)的12 mm左右的甲板厚度可能承受不住止動塊所帶來的過大剪切力和彎曲應(yīng)力。最直接的解決方案是將底腳復(fù)板加大包住止動塊,讓止動塊直接燒焊在大的厚的底腳復(fù)板上,這樣再傳遞到甲板面上的應(yīng)力就會小很多。止動塊主要承受系泊絞車水平方向止動的剪切力,底腳復(fù)板主要承受系泊絞車鎖緊螺栓向上的拉力和止動塊傳遞的水平剪切力,另外還要計算甲板面及反面加強筋的受力。可用有限元分析軟件進行力的加載,對底腳復(fù)板和甲板及反面加強筋進行驗證,根據(jù)各船級社的規(guī)范要求確認強度是否滿足[3]。

以24 100 TEU實船數(shù)據(jù)代入計算校核,分3種情況進行強度校核。

1)止動塊直接作用到甲板面上時,對船體結(jié)構(gòu)強度校核。系泊絞車的水平推力作用到止動塊,直接傳遞至甲板。建立系泊絞車底部船體及其加強筋的有限元模型,采用50 mm×50 mm的平面細網(wǎng)格。

模型邊界自由端剛固,限制其3個轉(zhuǎn)動自由度和3個平動自由度。加載系泊絞車底腳受力數(shù)據(jù),采用MPC將單點力傳遞至止動塊與結(jié)構(gòu)連接處。有限元分析計算結(jié)果參見圖3,最大應(yīng)力為1 660 MPa,遠超船體甲板材料許用應(yīng)力極限。顯然,直接將止動塊燒焊在船體甲板上的方法不可取。

圖3 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果

2) 止動塊燒焊在底腳復(fù)板上,通過底腳復(fù)板將力傳遞至甲板,對底腳復(fù)板強度校核。系泊絞車的水平推力通過止動塊傳遞到底腳復(fù)板,系泊絞車的垂直拉力通過螺紋傳遞至底腳復(fù)板。

此處校核底腳復(fù)板強度,建立止動塊和底腳復(fù)板模型,采用四面體三維網(wǎng)格模型。

因底腳復(fù)板僅邊緣一圈與船體焊接,所以邊界條件為僅限制底腳復(fù)板底部一圈的6自由度。

系泊絞車水平推力通過均布力加載在止動塊上,并傳遞至底腳復(fù)板。系泊絞車垂直拉力通過MPC加載在底腳復(fù)板的3個螺栓孔上。

有限元分析計算結(jié)果見圖4,底腳復(fù)板最大應(yīng)力為281 MPa,底腳復(fù)板材質(zhì)為AH36,滿足許用應(yīng)力要求。

圖4 底腳復(fù)板應(yīng)力計算結(jié)果

c) 止動塊與底腳復(fù)板連接,整體將系泊絞車的水平推力和垂直拉力傳遞至甲板,對船體結(jié)構(gòu)強度校核。系泊絞車的水平推力通過止動塊傳遞至底腳復(fù)板,再傳遞至甲板。系泊絞車的垂直拉力通過底腳復(fù)板的螺紋直接傳遞至甲板。建立底腳復(fù)板下方的船體甲板及其加強筋的有限元模型,采用50 mm×50 mm的平面細網(wǎng)格。

模型邊界自由端剛固,限制其3個轉(zhuǎn)動自由度和3個平動自由度。加載系泊絞車底腳受力數(shù)據(jù),采用MPC將單點力傳遞至底腳復(fù)板與結(jié)構(gòu)連接處,即底腳復(fù)板的四邊焊縫。有限元分析計算結(jié)果見圖5,船體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力247 MPa,船體結(jié)構(gòu)材質(zhì)為AH32,滿足許用應(yīng)力要求。

圖5 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果

所以將底腳復(fù)板加大包住止動塊,將止動塊直接焊接在底腳復(fù)板上,利用底腳復(fù)板來傳遞系泊絞車的水平推力和垂直拉力,可以有效緩解船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

1.4 安裝工藝研究及流程把控

新型免基座安裝應(yīng)用的關(guān)鍵點在于安裝工藝,主要有以下重點需解決。

1)有甲板拋勢處的安裝。制造方一般允許系泊絞車在一個維度傾斜,在沒有甲板拋勢,或僅有甲板拋勢的地方均可免基座安裝系泊絞車。當(dāng)有甲板拋勢時,所有底腳復(fù)板上表面應(yīng)和甲板面平行,系泊絞車跟隨甲板拋勢和底腳復(fù)板平行安裝。底腳復(fù)板上表面調(diào)整后相互之間可以不共面,但一定要平行,不共面所帶來的高度差可借助于環(huán)氧來填充補平。這樣可保證系泊絞車軸中心線始終垂直于甲板面,不影響絞車使用效果。如甲板局部存在焊接變形,為保證焊接效果,每塊底腳復(fù)板調(diào)平后,和甲板面之間的焊接縫隙不能大于3 mm。見圖6。

圖6 甲板拋勢1°時的系泊絞車安裝示意

2)底腳復(fù)板安裝前后的螺紋防護。所有底腳復(fù)板螺紋孔在內(nèi)場進行機加工。復(fù)板現(xiàn)場焊接和打磨時用防飛濺膠帶封住螺紋孔,防止火星濺入,并在絞車環(huán)氧澆注前持續(xù)封住,防止進水。環(huán)氧澆注完畢后在設(shè)備底腳上表面繼續(xù)用防飛濺膠帶封住螺栓孔,做好螺栓孔頂部防水,并盡快進行螺栓扭力提交。

3)螺紋在系泊絞車安裝完畢后的防水。區(qū)別于常規(guī)的基座設(shè)計,考慮到底腳復(fù)板內(nèi)部進水不易排出,因此選用環(huán)氧澆注的方式來調(diào)平系泊絞車,兼顧邊界水密,保護螺紋,見圖7。

圖7 環(huán)氧墊塊調(diào)平系泊絞車兼防水

為了達到更好的防水特性,在下螺母和設(shè)備底腳之間塞一平墊圈,將周圍縫隙壓緊,達到風(fēng)雨密狀態(tài)。系泊絞車全部安裝完畢后及時對螺柱頂端和螺母之間的縫隙,雙螺母之間的縫隙,以及螺母底部和設(shè)備底腳之間的縫隙進行油漆密封,達到永久防水目的。交船前再一次進行油漆密封。

2 實船應(yīng)用結(jié)果

此新型系泊絞車免基座安裝設(shè)計已應(yīng)用于24 100 TEU實船,經(jīng)整套環(huán)節(jié)驗證,從設(shè)計、制造、檢驗、設(shè)備使用等全部得到成功反饋,系泊絞車免基座安裝完全可行。以24 100 TEU為例,有16臺系泊絞車可采用此方法,可節(jié)省成本如下。

1)將傳統(tǒng)的框架式基座改為底腳復(fù)板后,僅鋼材重量每船即可減少11 t。再算上框架式基座的制作工時,每船共可節(jié)省約23萬元。

2)系泊絞車免基座安裝后,系泊絞車卷筒安裝高度降低,系泊纜繩出繩高度也相應(yīng)降低,這樣起導(dǎo)向作用的羊角滾輪高度也可適當(dāng)降低[4]。以常規(guī)羊角滾輪基座下口直徑700 mm為例,羊角滾輪的基座高度平均可降低200 mm,換算成重量則可減少70 kg,全船羊角滾輪算下來可減少約1 t鋼材重量,降低成本0.5萬元。

3)安裝免基座系泊絞車后,整個絞車卷筒離合器和輪轂剎車把手的操作高度可大幅降低,人直接站在甲板上也能正常操作,操作平臺可完全取消。這樣可省去角鋼平臺、格柵、短鏈、欄桿扶手等一系列鐵舾件,成本優(yōu)化,也給船員操作帶來很大便利。每套操作平臺可節(jié)省鋼材重量200 kg、玻璃鋼格柵1 m2,材料成本約2 000元。再加上制作工時,安裝工時,每套操作平臺可節(jié)省約2 500元,這樣每船可節(jié)省4萬元。

4)安裝免基座系泊絞車后不光可以省去基座設(shè)計工時,對船體加強設(shè)計和絞車現(xiàn)場安裝定位來說也容易許多。對于傳統(tǒng)框架式基座,除了以長條腹板和基座面板作為主支撐結(jié)構(gòu)外,兩側(cè)還會增加很多肘板,用于對應(yīng)支撐絞車的剎車座、絞車的剎車力試驗點、絞車底腳、止動塊等。

在做系泊絞車基座船體加強時,每塊肘板下面都必須確保有加強筋對應(yīng),這樣也就意味著僅靠船體甲板反面的橫梁、縱桁、縱骨等主結(jié)構(gòu)肯定無法兼顧,需要增加許多額外的船體加強來和基座肘板對應(yīng),見圖8。

圖8 傳統(tǒng)系泊絞車基座船體加強設(shè)計

由圖8可看出,在每塊基座肘板下面都對應(yīng)著船體加強小筋板,不僅數(shù)量繁多,還要求現(xiàn)場安裝不能有錯位,不然就會有安全問題。但實際上無論是基座制作,還是船體結(jié)構(gòu)建造,都會存在誤差,對于這種大型基座,想要做到每塊基座肘板都能完全對準(zhǔn)船體加強,難度相當(dāng)大。由于船體加強肘板在甲板反面,絞車基座在甲板正面,相互看不到,只有通過在甲板上粉筆畫線來找反面船體加強,現(xiàn)場不斷調(diào)整基座位置,耗時耗力。

采用新型系泊絞車免基座安裝后,船體只需對幾塊底腳復(fù)板做加強即可,而且底腳復(fù)板面積大,只要底腳復(fù)板反面有船體結(jié)構(gòu),就能起到加強作用。對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,完全可利用現(xiàn)有的橫梁、縱桁和縱骨等主結(jié)構(gòu)來對大的底腳復(fù)板進行加強,見圖9。

圖9 新型系泊絞車免基座安裝船體加強設(shè)計

由圖9可見,大的底腳復(fù)板可以輕松對上甲板反面的橫梁和縱骨,因此船體設(shè)計人員在設(shè)計階段只需校核底腳復(fù)板反面已有的船體結(jié)構(gòu)能否滿足強度要求即可,或做出微小調(diào)整。全船系泊絞車數(shù)量眾多,可大大節(jié)省船體加強的設(shè)計工時。

另外對于系泊絞車免基座現(xiàn)場安裝來說,由于底腳復(fù)板數(shù)量少,且面積大,不會再像以前基座肘板那樣數(shù)量多,面積小,施工人員去核對甲板反面加強筋時耗費時間非常長,只要底腳復(fù)板反面能碰到結(jié)構(gòu)加強,就能起到作用。因此對于現(xiàn)場安裝來說基本只要把底腳復(fù)板擺上去,加強筋就能碰到,大大節(jié)省了現(xiàn)場系泊絞車安裝定位的時間。

總的來說,新型系泊絞車免基座安裝后,每船可節(jié)省基座設(shè)計工時、船體加強設(shè)計工時、現(xiàn)場系泊絞車安裝定位工時共300 h,每船可節(jié)省3萬元人工費用。

經(jīng)匯總分析,采用新型系泊絞車免基座安裝設(shè)計后每船24 100 TEU至少可節(jié)省30萬元,而且此設(shè)計對于所有船型皆可通用。

3 結(jié)論

將系泊絞車基座的所有功能有效集成到一塊底腳復(fù)板上,并確保復(fù)板強度及防水。

新技術(shù)首次實船應(yīng)用后,取消了原系泊絞車大型框架式基座,不再占用船塢吊裝系泊絞車基座的工時,而且由于底腳復(fù)板面積較大,底腳復(fù)板的四條邊與甲板焊接后,基本上肯定能接觸到船體反面加強筋,不用現(xiàn)場工人反復(fù)調(diào)整,可節(jié)省大量的現(xiàn)場安裝工時,有效縮短造船周期。系泊絞車基座的制作和安裝成本可以省去,系泊絞車操作平臺也可省去,每船降低約30萬元的造船成本。