链斗式捞砂船链斗架链接销及销柄强度校核分析

唐华浩，黄 珂，陆潮立

(1.柳州船舶检验局，广西 柳州 545001；2.广西壮族自治区港航管理局，广西 南宁 530012)



链斗式捞砂船链斗架链接销及销柄强度校核分析

唐华浩1，黄 珂1，陆潮立2

(1.柳州船舶检验局，广西 柳州 545001；2.广西壮族自治区港航管理局，广西 南宁 530012)

链接销和销柄是捞砂船整个捞砂工作组件中最为薄弱的构件，其强度校核工作具有十分重要的意义。文章基于链斗式捞砂船的工作原理，介绍了链斗链接销的受力情况及计算公式，并结合具体算例，运用材料力学和机械设计基本原理，对链斗链接销以及销柄抗压强度进行校核分析，总结出链斗式捞砂船链斗架链接销的直径及销柄厚度的强度校核公式，以供链斗式捞砂船设计、建造及维护时参考。

内河；链斗式捞砂船；链接销；销柄；强度校核

0 引言

链斗式捞砂船作为目前广西内河最主要的捞砂工程船，对社会经济发展作出了不可忽视的贡献。然而该船型不具备全国范围内的普遍性，对于该船型的建造和营运检验没有专门的规范、规则，所以该船型的设计和建造只有部分项

目是参照现行规范，另一部分多数是根据经验来设计建造，因此在一定程度上缺乏理论的指导，存在一定的缺陷[1]。笔者在对辖区内的一艘捞砂船进行营运检验时，见到该船链斗链接销因磨损过度而断裂导致链斗沉入河中。链接销和销柄是捞砂船整个捞砂工作组件中最为薄弱的构件，因此对其作强度校核，做到未雨绸缪，保证安全和工作效率，具有十分重要的意义。

1 工作原理

图1 链斗式捞砂船侧视图

链斗式捞砂船由一台柴油机提供工作原动力，输出扭矩经过一层甲板减速箱、皮带轮、二层甲板减速箱、皮带轮、顶层甲板减速箱带动滚筒，滚筒为柱体，其截面为正多边形，多数为正五边形，这样的滚筒俗称五角头，链斗啮合在五角头上，当五角头转动时链斗就随之转动(见图1)。链斗架由龙门吊控制下潜到河床中进行滚动式捞砂，下潜深度不同，链斗架倾斜角度约在40°～60°之间。同时，柴油机带动发电机和水泵，发电供给龙门吊电动机、砂石输送电动机等，水泵抽水用来清洗砂石，分离砂石。装满砂石的链斗在经过五角头后链斗口会随着转动自动向下，链斗里的砂石倒在钢筋筛里，砂石经过冲洗被钢筋筛分离成沙、石，之后被传送带分别输送到运砂船和船舷外。

2 受力分析及计算公式推导

由工作原理可知，当柴油机稳定运转时，柴油机转速不变，整条链斗匀速转动，其过程可以简化理解为摩托车的传动过程。船用主柴油机常以转矩作为限制参数来建立等转矩限制特性，柴油机在各种转速下的转矩值都等于或小于标定转速和标定功率下的转矩[2]。因此，可忽略柴油机的速度特性。当捞砂阻力足够大，柴油机将会死机停止运转，所以仅考虑柴油机在额定功率运转的工况。

链斗销剪切力主要来自于包括链斗自身的重力、所捞砂石的重力、水的阻力以及捞砂阻力。水阻力、捞砂阻力在捞砂过程中基本不变，链斗最高处的销承受最多数量的链斗、砂石的重力所产生的剪切力，所以该处销所受剪切力最大。因此仅对船舶的链斗最高处(A-A)进行校核即可。

图2 A-A受力示意图

五角头输出的转矩与砂钭的捞砂阻力、水阻力、砂钭的重力、链斗架对砂钭的支撑力的合力对五角头形成的力矩是平衡的(见图2)，即：

T=sinθ×F×L

(1)

T为五角头输出的转矩，T=9 549P/n，P、n分别为五角头所得到的功率和转速，F为捞砂阻力、砂钭重力、链斗架对砂钭的支撑力的合力，L为F对五角头的力臂。

(2)

假设A-A点转动72°的运动轨迹为弧线cab(见图3)，那么∠fbe=54°，∠feb=90°-∠fbe=36°，小于链斗架最小倾斜角度40°，说明五角头转过不到72°时，A-A的下一节链斗架便开始与五角头啮合，所以只需考虑A-A点转过72°，剪切力F与力臂L的夹角θ的变化范围即可。由图3所示的几何关系可得：θ∈(54°，126°]。由三角函数的数学性质可进一步缩小θ角的取值范围，θ∈[90°，126°]，所以sinθ∈[0.81，1]。

图3 A-A点旋转示意图

由工作原理可知，θ角的变化范围大小取决于滚筒截面的几何特征，截面正多边形边越少，θ角变化范围越大，捞砂越不平稳；截面正多边形边越多，链斗架与滚筒的旋转轨迹圆近似相切，θ角变化范围越小，捞砂越平稳。滚筒的截面为正m边形，则θ的取值范围为：

(3)

链斗架与链斗架之间采用两根销连接，所以销所受到的剪切力：

f=F/2

(4)

销的剪切力与直径之间的关系[3]：

f=π/4×D2×τ

(5)

其中：D——销钉直径;

τ——材料最大剪切应力。

销与销柄上的销孔形成挤压，压力与销的剪切力的大小相等，挤压面为半圆柱面，所以销柄厚度与销的剪切力的关系[3]：

f=0.5×D×π×H×σ

(6)

其中：H——销柄厚度;

σ——材料最大许用挤压应力。

综上所述，链斗架之间销的直径D应不小于式(7)计算值：

(7)

销柄厚度H应不小于式(8)计算值：

(8)

其中：P——柴油机输入到五角头的功率;

n——五角头的转速;

τ——材料最大剪切应力;

σ——材料最大许用挤压应力;

L——销到五角头转轴中心的垂直距离。

3 实例计算

现以在本航区内具有代表性一艏链斗式捞砂船的相关参数作为算例：

该船配备NT6135CzU型柴油机，额定功率为Pe=140kW，柴油机输出扭矩输出经过一层甲板变速箱、皮带轮、二层甲板变速箱、皮带轮、三层甲板变速箱带动五角头，经过五级传动，每级传动效率取0.95，则η=0.955=0.77，经五级变速后，五角头转速n=ne/I，I为五级传动后总传动比，I=i1×i2×i3×i4×i5=35，销到五角头转轴中心的垂直距离L，由实船量取，L=0.4，销所用的材料是45#钢，许用剪切力为τ=105MPa，许用挤压应力为σ=128MPa。将以上数据代入(6)、(7)式中计算，并与实船对比列表如下：

表1 捞砂船相关参数数值表

表1中D实、H实为本航区内艏链斗式捞砂船链斗链接处销的直径和销柄厚度大致的选取范围，基本是船厂或船东根据柴油机的功率大小及销、销柄的材料结合经验选取大小、厚度，但不能具体地量化其值大小。经过比较，式(7)、(8)用来校核链斗式捞砂船链斗链接处销的直径和销柄厚度是可行的。

4 结语

链斗式捞砂船链斗链接销直径及销柄厚度的校核总结如下：

链斗架之间销的直径D应不小于式(9)计算值：

(9)

销柄厚度H应不小于式(10)计算值：

(10)

其中：k——安全系数，取1.0或1.1；

pe——柴油机额定功率；

η——传动装置总效率；

ne——柴油机额定转速；

I——传动装置总传动比；

θ——由(3)式确定；

τ——材料最大许用剪切应力；

σ——材料最大许用挤压应力；

L——销到五角头转轴中心的垂直距离。

船用柴油机具有短时110%额定功率的超负荷能力[4]，因此在式(9)、(10)增加安全系数k，以适应柴油机超负荷运转的工况，其大小可以根据销和销柄材料的最大许用剪切应力和最大许用挤压应力所选取的安全系数大小来确定。材料的许用剪切应力和最大许用挤压应力的安全系数选取较大，则k可取1.0，反之，k取1.1。

链斗架在转过滚筒时，销与销柄孔之间存在着相对周向运动，两者之间存在动摩擦，式(9)、(10)可结合材料的耐磨性计算销的更换周期。

[1]石明权.扁平链斗式捞砂船船体强度探讨[J].西部交通科技，2011(6)：88-93.

[2]孙培廷.船舶柴油机[M].辽宁：大连海事大学出版社，2002.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]内河船舶法定检验技术规则[M].北京：人民交通出版社，2004.

Strength Checking Analysis of Interlinking Pin and Pin Shank for Chain Bucket Rack of Paternoster Bailing Boat

TANG Hua-hao1，HUANG Ke1，ZHAO Chao-li2

(1.Liuzhou Ship Inspection Department，Liuzhou，Guangxi，545001；2.Guangxi Shipping Authority，Nanning，Guangxi，530012)

The interlinking pin and pin shank are the weakest component in the whole bailing working components of bailing boat，thus their strength checking work has great significance.Based on the work principle of paternoster bailing boats，this article described the forces and calculation formulas of inter-linking pins of chain bucket，and combined with the specific example，it used the basic material me-chanics and mechanical design principles to analyze and check the compression strength of interlinking pin and pin shank of chain bucket，summed up the strength checking formula for the interlinking pin di-ameter and pin shank thickness of chain bucket rack in paternoster bailing boat，thereby providing the reference for the design，construction and maintenance of paternoster bailing boats.

Inland river；Paternoster bailing boat；Interlinking pin；Pin shank；Strength checking

唐华浩(1983—)，男,硕士研究生，工程师，研究方向：轮机工程。

U615.35+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.01.019

1673-4874(2015)01-0088-04

2014-12-10