点式挖沟机结构强度校核计算

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海洋石油锦州9.3东西平台间2.7 km的原油和注水两条海底管道上的牺牲阳极已消耗殆尽，需对两根管道进行更换并安装新阳极。埋敷在管道上方的泥沙需要除去后方可进行作业更换阳极，去除泥沙应使用挖沟机。针对该项 目的特殊性，需设计-台点式挖沟机 (如图1所示)。设计基本要求如下：名称：点式挖沟机；拈尺寸定位：4m×4m；工作水深：3.20 m；挖沟深度：约2.7m；适应管径：4”-32”；挖沟机外型尺寸：梯形尺寸上部4m，下部5.3m；在空气中重量：8 t；在水中重量：约6 t；适应地质土壤：软泥、沙土和沙砾。

根据以上设计要求，初步设计出如图1所示点式挖沟机♂构设计校核是点式挖沟机设计的重要环节之-，结构强度校核主要包括工字钢选型设计、支撑管校核计算、零部件强度校核及 吊耳选型等。

图1 点式挖沟机组装图1主体结构强度计算1.1工字钢选型设计结构上部采用工字梁支座。初步确定外形尺寸为4000 mm×4000 mm，支座承受的最大重量为泵重、自身重量、下部腿支撑、支撑板及整个管线的重量。

初 步 选 取 材 料 为 工 字 钢 2 5 a型 ，r o 1 1 60MPa， 自重为 l 7 84.47kg，总重量G8164.47kg；承受的弯矩最大MmaxFl8164.47× 9.8× 2：l60023.7lN·m ： W z M max/f 0 1160023.71/(160×10 )l000.15cm。；则需重新选择工字钢40 b型，Wz1 140cm ； 自重为2676.52kg，总重量G 9056.52kg；承受的弯矩最大Mmax FL9056.52×9.8×21 77507.79N·m；Wz 之Mmax /o] 1 77507.79/r160；<106)1110cm3

1.2主梁挠度校核计算1.2.1基本参数采用 工字钢4 0 b，查材 料手 册 ，梁 的弹性模量E210GPa，梁的惯性矩I22800cm ，整 橇 干 态 的 质 量m9056.52kg，载荷F-mg88753.9N，L4 0 0 0 1TI m ，c l 0 0 0 ITI m ，l 2 0 0 0 m ITI，L12000mm，梁 的个数N14，如图2所示 。 图2 底座示意图作者简介 ：田炜 (1985-)，男，山西汾阳人，大学本科，助理工程师。现从事于海洋石油工程工作。

-24- 论文广场 石油和化工设备 2013年第16卷1.2.2纵向挠度校核计算嘎 吸瓣 拈 n如 。

7- ： 1I!k 24n碍驾嚣冀疆巢绶： - 最麦境痿 f )) 船圈所乖 t m； 瓣凰所示 搬；≈ 蹲 载耨 0)～ - 啪蜀 j躺垃，德妻 强馁樾爨 t j- - 裁面的辙甥壤辘 j均布载荷qF/NL88753.9/4 X 45547N/m馘： 384f"5～24 )。.o0O1m[f]：L/300：0.0033333m；f.m <[f]，OK。

1.2.3横向挠度看成均匀载荷进行挠度的校核计算：均布载荷qF/NL88753 9/4×45547N/m；设吊耳之间的最大跨距为L12m；根据均匀载荷最大挠度公式得：f5qL14/384EI0.00176125m；许用挠度[f]L1/3000.0067m；f<[f]，0K。

1.3支撑管的结构计算1.3.1强度计算初步计算 中，整个重量集中于重心位置，则 总 重量 ：Gf288020002676.521 500) 9056.52 X 9.888753.9N；杆1的受力分析如图3所刁 oG。4COSaSS53 9 ×CoSi 5228t8.966N：M：G I sin 、fr2-- ：：8s 3 9. 4，sinl5 √互 2：696 4N.m图3 支管受力示意图杆1选用###219 X 153管，材质Q235-B，则杆1的抗弯截面模量：w： ：068'. ：459l65 ，：32D 32×l68oM/W 64962.54/459165.49141.5M Pa：Q235-B许用正应力[o160MPa；O<[o]。

杆 1的 截 面 面 积 A3 8 4.5 3 C m ；o cF/A2 2 8 1 8.9 6/3 8 4.5 30.5 9 M P a：o c

1.3.2刚度计算假设A端固定，在弯矩M的作用下，B端的最大转角 -A-J百sLa～；最大挠度- A-I sL-；E.杆件的弹性模量，206×10 N·1Tim～；I.杆件的惯性矩，IID -d )-50278621.31mm4；则，最大转角：640： 盟 ：64962 54 l03。2.5，2(6 5o27862 l 3 l 、∞ sl 5EI： O.016；最大变形：l，：A-I，-Le-- 8nm

2其他零部件的选型设计2.1钢格栅板的选型钢格栅板选用规格：G325/30/100SG；材质：Q235.B；执行标准：YB/T4001.1-2007；单位：第5期 田炜等 点式挖沟机结构强度校核计算 -25-2.2腿部支撑板的选型选 取 1 000× 1 000×50的Q23 5-B钢 板 。在水底每个支撑板受到的力：F (G-F浮 )/4(88753.9.22638.9)/416528.75 N；土壤剪切强度 T小于20 kPa，则在水底必须的支撑面积S最小为：SF/T16528.75/200000.8264m ；选取1000×1000的钢板可满足要求。

3吊耳选型设计3.1吊耳强度计算吊耳材质选用Q235-B，吊耳屈服极限应力0 s235MPa，安全系数ns3，动载系数n 2，吊耳材料许用应力[o] o s/(nsn )39.17MPa，橇座重量m9056.52kg。

表1经验取值情况整橇m (kg) m(4000 m(8000 m<16000 m(32000吊眼直径 (mm) 24 30 40 60吊耳外网 (mm) 32 50 70 90吊耳 度 (mm) l2 20 25 30整橇质量m9056.52kg<16000kg，由表1经验值可得：吊耳吊眼直径40 mm，吊耳外缘半径70ram，吊耳厚度25mm，按设备结构吊耳数量为4：单 个 吊 耳 所 负 载 荷 P G /n 9056.52×9.8/422188.47N；吊耳计算厚度tP/2[O](R-(1/25.7mm；单个吊耳许用载荷Pa2[O]fR-d/2)ta97925N；P

表2 吊耳参数Dh 销的直径 (cm) 3Dh 吊耳吊眼的直径 (cm) 4R 吊耳外缘的 径 (cm) 7t 吊耳的厚度 (cm) 2.5P 吊索的最大应力 (KN) 22.188L 吊耳的高度cm l83.2吊耳的校核计算 (对 以上尺寸的校核)对A.A截面的校核压应力的计算，竖 向载荷F nlm/n2×9056.52×9.8/4 44376.35N横向载荷FhFvtan30。2562 1.04N；径向弯矩MFh×L4611787.72N·mm；吊索方向载荷：FlFv/cos30。51241.39N；R r IlA rh： AjI图4 吊耳受力示意图吊耳吊索方向的拉应力 (偏保守) [(2尺- )× 20.5MPa： c J39.17MPa吊耳吊索方向的剪应力 (偏保守). pa：[ Jl27 4.MPa： 。

3-3吊耳焊缝强度校核角焊缝面积A2×2R×S2×70×2×154200mm ；式中：S-角焊缝焊角高度15 mm；角焊缝的拉应力 o F /A44376.35/4200 1 0.56MPa角焊缝的剪应力 ⅡaFH/A25621.04/4200 6.1M Pa；角焊缝的弯曲应力 0 6M/[2×S×(2R) ] 11.77MPa；组合 应 力 0 S Q RT[(0 0 b) 4t a2 25.45M Pa；角 焊 缝 的 许 用 应 力 为 ： 0.7× [o]l： 0.7× 12587.5M Pa；o <0.7×[o]l，组合应力小于角焊缝许用应力，焊缝是安全的。

4结语对支座 、主梁 、吊耳及其零部件进行的结构强度校核计算，为点式挖沟机的正确设计提供了依据，为点式挖沟机的正常平稳运行提供了保证。该计算可为其他类型挖沟机的结构强度校核提供借鉴。