系泊绞车底座连接螺栓拧紧力矩及强度计算
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由图 1 可以看出中间单支架上的力远大于其它两处， 选取中间单支架进行计算。单支架基本参数见表 2。
表 2 单支架基本参数
水平力 垂直力 单支座中 前部螺栓到端 后部螺栓到端面 螺栓总 （FX） （FZ） 心高（h） 面距离（L1） 距离（L2） 数量（Z）
988744N 351625N 512mm
Internal Combustion Engine & Parts
· 95 ·
系泊绞车底座连接螺栓拧紧力矩及强度计算
Calculation of Tightening Torque and Strength of Connecting Bolts of Mooring Winch Base
王林 WANG Lin曰赵亚林 ZHAO Ya-lin
版社，2010，1. [5]中国船级社《. 钢制海船入级规范 2009》第 2 分册[M].人民
交通出版社，2009.
钢的弹性模 环氧树脂弹 单支架底板 中间垫片厚 船体基座面 螺栓安装孔 螺栓直径
量（E） 性模量（E1） 厚度（t1） 度（t2） 板厚度（t3） 直径（dh） （d）
206GPa 5.06GPa 75mm
40mm
25mm
52mm
48mm
螺栓螺距 螺栓外螺纹 螺栓外螺纹 螺栓头部对 螺栓有效螺 （P） 小径（d1） 中径（d2献院
[1]OCIMF - Mooring Equipment Guidelines (MEG4) Fourth
Edition 2018. [2]GB/T 4446-1995，系泊绞车[S]. [3]潘高良高，柏祥华.锚机和绞车地脚螺栓强度校核计算分
析[J].机电设备，2014，31（06）. [4]闻邦椿主编.机械设计手册[M].第 2 卷/-5 版.机械工业出
中图分类号院F407.474
文献标识码院A
文章编号院1674-957X（2021）13-0095-02
0 引言 系泊绞车是船舶系泊的重要设备。船舶系泊时，通过 多根系泊索连接到系缆桩上。其中大部分系泊索固定在系 泊绞车上，而系泊绞车通过底座连接螺栓固定在船体上。 为了确保系泊的可靠性，需要对连接螺栓的拧紧力矩及强 度进行计算。本文结合石油公司国际海事论坛最新发布的 《系泊设备指南（第四版）》[（1] 下文简称指南）中关于底座连 接强度的设计要求，以 8 万吨半潜船尾部 1 台双卷筒系泊 绞车为例，进行相关计算，供设计人员参考。 1 连接螺栓上的力 系泊绞车在实际使用时有两种工况。一是额定负载工 况，按《系泊绞车》标准[2]中第 5.2.1 条，负载应不大于设计绳 索破断负载的 33%。额定负载工况时，系泊绞车在一定拉力 下工作，对连接螺栓来说，根据 r=Pmax/Pmin抑1，即其应力特性 既不是对称循环也不是脉动循环，而是静力[3]，按静强度进行 计算。二是支持负载工况，按《系泊绞车》标准[2]中第 5.2.2 条， 负载应不小于设计绳索破断负载的 80%。支持负载工况时， 系泊绞车承受一定的外部负载，对于连接螺栓而言，同样按 静强度进行计算。按指南第 154 页表 6.1，系泊绞车底座的设 计基准力等于船舶设计的最小破断载荷；第 10 页插图 1.4， 缆绳破断载荷等于 100-105%的船舶设计的最小破断载荷。 对比额定工况和支持负载工况，指南中的要求更高，所以按 指南中的规定进行计算。因 8 万吨半潜船项目船厂没有提供 船舶设计的最小破断载荷，所以取 100%缆绳破断载荷进行 计算。8 万吨半潜船系泊绞车的基本参数见表 1。
表 1 系泊绞车基本参数
缆绳规格 （dr）
缆绳破断载荷 （FL）
卷筒直径（D）
出绳角度 （琢）
刹车支座到卷筒 中心的距离（LA）
80mm
735kN
512mm
5毅
628mm
在确定系泊绞车最大计算载荷后，根据缆绳出绳角 度，将载荷进行分解：
水平力
垂直力 当缆绳破断载荷全部作用在卷筒时，由于刹车的作 用，卷筒静止不动。利用力矩平衡原理，求出作用在卷筒刹 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
垫片材料 金属（或无垫片） 皮革
铜皮石棉
橡胶
姿
0.2~0.3
0.7
0.8
0.9
螺栓螺纹原始三角形高度
螺栓螺纹计算直径 螺栓光杆应力截面积
螺栓计算拧紧力
取拧紧力矩系数
[4]
螺栓计算拧紧力矩
提交给船厂图纸中要求的螺栓拧紧力矩 TP=3100N·m， 该值大于计算得出的螺栓拧紧力矩，确保了螺栓连接更高 的可靠性。
体基座面板及中间垫片的连
d
接形式见图 2。
单支架底板和船体基座
面板材料为钢，中间垫片材料
为环氧树脂。连接螺栓和单支
dh
架底板、船体基座面板及中间 图 2 螺栓和单支架底板尧船体
垫片的基本参数见表 3。
基座面板及中间垫片连接形式
· 96 ·
内燃机与配件
表 3 连接螺栓和单支架尧船体基座面板及中间垫片的基本参数
在计算出螺栓需要的拧紧力矩，并给出最终要求的螺 栓拧紧力矩后，还需要对连接螺栓的强度进行计算。
3 连接螺栓强度计算 连接螺栓按要求的拧紧力矩拧紧，当承受最大计算载 荷后受力最大，对此时的螺栓强度进行校核。 螺栓承受的总载荷
螺栓公称应力截面积
螺栓计算应力
螺栓光杆长度 螺栓刚度 被连接件计算刚度等效直径 被连接件计算刚度等效面积
5mm 42.587mm 44.752mm 73.1mm 31mm
图 1 作用到齿轮箱及单支架上水平力尧垂直力
在进行拧紧力计算时，需要用到螺栓连接的相对刚 度。机械设计手册给出的螺栓连接的相对刚度 姿[4]见表 4。 表中没有环氧树脂垫片材料螺栓连接的相对刚度，我们通 过计算得出相关数值。
表 4 螺栓连接的相对刚度 姿
（上海德瑞斯华海船用设备有限公司，上海 200090）
（TTS Hua Hai Ships Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）
摘要院本文介绍了系泊绞车底座连接螺栓的拧紧力矩及强度计算方法。
Abstract: This article introduces the calculation method of the strength and tightening torque of the connecting bolts of the mooring
winch base.
关键词院系泊绞车；石油公司国际海事论坛《系泊设备指南（第四版）》；螺栓连接的相对刚度；拧紧力矩
Key words: mooring winch；OCIMF-mooring equipment guidelines（MEG4）；relative stiffness of bolted connection；tightening torque
被连接件刚度
螺栓连接的相对刚度 对比表 4 给出的不同垫片材料螺栓连接的相对刚度， 通过计算得出的环氧树脂垫片材料螺栓连接的相关刚度 还是比较合理的。有了环氧垫片树脂材料螺栓连接的相对 刚度，对螺栓需要的拧紧力矩进行计算。
选用 8.8 级螺栓，屈服强度
[4]
螺栓的安全系数
，满足中国船级
社 《钢质海船入级规范》，螺栓强度的安全系数应不小于
作者简介院王林（1982-），男，江苏南通人，助理工程师，研究方向 为机械设计。
车支座上的力：
刹车支座力
缆绳及刹车支座上的力先作用到卷筒上，再由卷筒传 递到主轴，最终通过主轴传递到齿轮箱及单支架上。运用 力 的 平 移 原 理 将 力 平 移 到 主 轴 上 ， 并 运 用 AutoCAD Mechanical 轴计算工具求解作用到单支架及齿轮箱上的力。 计算出的作用到齿轮箱及单支架上水平力、垂直力见图 1。
为了连接的紧密性，防止连接结合面受载后产生间
隙，螺栓受到拉力作用后需要一定的残余预紧力。螺栓按
静载荷计算，属于一般连接，残余预紧力系数为 0.2~0.6[4]，
取残余预紧力系数 Kf=0.4。
需要的残余预紧力：F'P=K·f （FD-FC）=1.004·105N
螺 栓 和 单 支 架 底 板 、船
dm
60mm
1120mm
4
由于单支架端面有止推块，水平力全部作用到止推块 上，连接螺栓只承受翻转力。单支架沿底板端面翻转，后部 螺栓所受翻转力最大，选取此处连接螺栓进行计算。
由水平力产生的翻转力：
由翻转力产生的螺栓拉力：
单支架垂直力分解到每个螺栓上的力：
通过以上计算得到了中间单支架连接螺栓上的最大力。
2 连接螺栓拧紧力矩计算
表 2 单支架基本参数
水平力 垂直力 单支座中 前部螺栓到端 后部螺栓到端面 螺栓总 （FX） （FZ） 心高（h） 面距离（L1） 距离（L2） 数量（Z）
988744N 351625N 512mm
Internal Combustion Engine & Parts
· 95 ·
系泊绞车底座连接螺栓拧紧力矩及强度计算
Calculation of Tightening Torque and Strength of Connecting Bolts of Mooring Winch Base
王林 WANG Lin曰赵亚林 ZHAO Ya-lin
版社，2010，1. [5]中国船级社《. 钢制海船入级规范 2009》第 2 分册[M].人民
交通出版社，2009.
钢的弹性模 环氧树脂弹 单支架底板 中间垫片厚 船体基座面 螺栓安装孔 螺栓直径
量（E） 性模量（E1） 厚度（t1） 度（t2） 板厚度（t3） 直径（dh） （d）
206GPa 5.06GPa 75mm
40mm
25mm
52mm
48mm
螺栓螺距 螺栓外螺纹 螺栓外螺纹 螺栓头部对 螺栓有效螺 （P） 小径（d1） 中径（d2献院
[1]OCIMF - Mooring Equipment Guidelines (MEG4) Fourth
Edition 2018. [2]GB/T 4446-1995，系泊绞车[S]. [3]潘高良高，柏祥华.锚机和绞车地脚螺栓强度校核计算分
析[J].机电设备，2014，31（06）. [4]闻邦椿主编.机械设计手册[M].第 2 卷/-5 版.机械工业出
中图分类号院F407.474
文献标识码院A
文章编号院1674-957X（2021）13-0095-02
0 引言 系泊绞车是船舶系泊的重要设备。船舶系泊时，通过 多根系泊索连接到系缆桩上。其中大部分系泊索固定在系 泊绞车上，而系泊绞车通过底座连接螺栓固定在船体上。 为了确保系泊的可靠性，需要对连接螺栓的拧紧力矩及强 度进行计算。本文结合石油公司国际海事论坛最新发布的 《系泊设备指南（第四版）》[（1] 下文简称指南）中关于底座连 接强度的设计要求，以 8 万吨半潜船尾部 1 台双卷筒系泊 绞车为例，进行相关计算，供设计人员参考。 1 连接螺栓上的力 系泊绞车在实际使用时有两种工况。一是额定负载工 况，按《系泊绞车》标准[2]中第 5.2.1 条，负载应不大于设计绳 索破断负载的 33%。额定负载工况时，系泊绞车在一定拉力 下工作，对连接螺栓来说，根据 r=Pmax/Pmin抑1，即其应力特性 既不是对称循环也不是脉动循环，而是静力[3]，按静强度进行 计算。二是支持负载工况，按《系泊绞车》标准[2]中第 5.2.2 条， 负载应不小于设计绳索破断负载的 80%。支持负载工况时， 系泊绞车承受一定的外部负载，对于连接螺栓而言，同样按 静强度进行计算。按指南第 154 页表 6.1，系泊绞车底座的设 计基准力等于船舶设计的最小破断载荷；第 10 页插图 1.4， 缆绳破断载荷等于 100-105%的船舶设计的最小破断载荷。 对比额定工况和支持负载工况，指南中的要求更高，所以按 指南中的规定进行计算。因 8 万吨半潜船项目船厂没有提供 船舶设计的最小破断载荷，所以取 100%缆绳破断载荷进行 计算。8 万吨半潜船系泊绞车的基本参数见表 1。
表 1 系泊绞车基本参数
缆绳规格 （dr）
缆绳破断载荷 （FL）
卷筒直径（D）
出绳角度 （琢）
刹车支座到卷筒 中心的距离（LA）
80mm
735kN
512mm
5毅
628mm
在确定系泊绞车最大计算载荷后，根据缆绳出绳角 度，将载荷进行分解：
水平力
垂直力 当缆绳破断载荷全部作用在卷筒时，由于刹车的作 用，卷筒静止不动。利用力矩平衡原理，求出作用在卷筒刹 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
垫片材料 金属（或无垫片） 皮革
铜皮石棉
橡胶
姿
0.2~0.3
0.7
0.8
0.9
螺栓螺纹原始三角形高度
螺栓螺纹计算直径 螺栓光杆应力截面积
螺栓计算拧紧力
取拧紧力矩系数
[4]
螺栓计算拧紧力矩
提交给船厂图纸中要求的螺栓拧紧力矩 TP=3100N·m， 该值大于计算得出的螺栓拧紧力矩，确保了螺栓连接更高 的可靠性。
体基座面板及中间垫片的连
d
接形式见图 2。
单支架底板和船体基座
面板材料为钢，中间垫片材料
为环氧树脂。连接螺栓和单支
dh
架底板、船体基座面板及中间 图 2 螺栓和单支架底板尧船体
垫片的基本参数见表 3。
基座面板及中间垫片连接形式
· 96 ·
内燃机与配件
表 3 连接螺栓和单支架尧船体基座面板及中间垫片的基本参数
在计算出螺栓需要的拧紧力矩，并给出最终要求的螺 栓拧紧力矩后，还需要对连接螺栓的强度进行计算。
3 连接螺栓强度计算 连接螺栓按要求的拧紧力矩拧紧，当承受最大计算载 荷后受力最大，对此时的螺栓强度进行校核。 螺栓承受的总载荷
螺栓公称应力截面积
螺栓计算应力
螺栓光杆长度 螺栓刚度 被连接件计算刚度等效直径 被连接件计算刚度等效面积
5mm 42.587mm 44.752mm 73.1mm 31mm
图 1 作用到齿轮箱及单支架上水平力尧垂直力
在进行拧紧力计算时，需要用到螺栓连接的相对刚 度。机械设计手册给出的螺栓连接的相对刚度 姿[4]见表 4。 表中没有环氧树脂垫片材料螺栓连接的相对刚度，我们通 过计算得出相关数值。
表 4 螺栓连接的相对刚度 姿
（上海德瑞斯华海船用设备有限公司，上海 200090）
（TTS Hua Hai Ships Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 200090，China）
摘要院本文介绍了系泊绞车底座连接螺栓的拧紧力矩及强度计算方法。
Abstract: This article introduces the calculation method of the strength and tightening torque of the connecting bolts of the mooring
winch base.
关键词院系泊绞车；石油公司国际海事论坛《系泊设备指南（第四版）》；螺栓连接的相对刚度；拧紧力矩
Key words: mooring winch；OCIMF-mooring equipment guidelines（MEG4）；relative stiffness of bolted connection；tightening torque
被连接件刚度
螺栓连接的相对刚度 对比表 4 给出的不同垫片材料螺栓连接的相对刚度， 通过计算得出的环氧树脂垫片材料螺栓连接的相关刚度 还是比较合理的。有了环氧垫片树脂材料螺栓连接的相对 刚度，对螺栓需要的拧紧力矩进行计算。
选用 8.8 级螺栓，屈服强度
[4]
螺栓的安全系数
，满足中国船级
社 《钢质海船入级规范》，螺栓强度的安全系数应不小于
作者简介院王林（1982-），男，江苏南通人，助理工程师，研究方向 为机械设计。
车支座上的力：
刹车支座力
缆绳及刹车支座上的力先作用到卷筒上，再由卷筒传 递到主轴，最终通过主轴传递到齿轮箱及单支架上。运用 力 的 平 移 原 理 将 力 平 移 到 主 轴 上 ， 并 运 用 AutoCAD Mechanical 轴计算工具求解作用到单支架及齿轮箱上的力。 计算出的作用到齿轮箱及单支架上水平力、垂直力见图 1。
为了连接的紧密性，防止连接结合面受载后产生间
隙，螺栓受到拉力作用后需要一定的残余预紧力。螺栓按
静载荷计算，属于一般连接，残余预紧力系数为 0.2~0.6[4]，
取残余预紧力系数 Kf=0.4。
需要的残余预紧力：F'P=K·f （FD-FC）=1.004·105N
螺 栓 和 单 支 架 底 板 、船
dm
60mm
1120mm
4
由于单支架端面有止推块，水平力全部作用到止推块 上，连接螺栓只承受翻转力。单支架沿底板端面翻转，后部 螺栓所受翻转力最大，选取此处连接螺栓进行计算。
由水平力产生的翻转力：
由翻转力产生的螺栓拉力：
单支架垂直力分解到每个螺栓上的力：
通过以上计算得到了中间单支架连接螺栓上的最大力。
2 连接螺栓拧紧力矩计算