海底鋪纜用四履帶張緊器設(shè)計

陳 棟

（上海振華重工 （集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

海洋鋪管張緊器作為一種重要的海底鋪管專用裝備，在海底線纜（包括石油管道、電纜等）的鋪設(shè)中起著極其重要的作用。它在線纜入水前起夾緊管道并驅(qū)動履帶運轉(zhuǎn)從而帶動管道向水中輸送的作用，在輸送過程中起保持恒張力的作用。

四履帶張緊器相對于兩履帶張緊器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，由于由兩履帶增加到四履帶，使得履帶與管子的接觸面積更大，從而作用在管子表面的應(yīng)力更小，故其更適用于鋪設(shè)柔性管，當(dāng)然鋪設(shè)硬管也是可以的。四履帶張緊器有兩履帶和四履帶兩種工作模式。鋪管張緊器鋪設(shè)的線纜分為管線和電纜，其中管線又分為柔性管和硬管。柔性管和電纜一般采用四履帶張緊器進行J型鋪設(shè)，而硬管通常采用兩履帶張緊器進行S型鋪設(shè)（借助安裝在船艉的托管架，使硬管從下水到接觸到海底時形成足夠的弧度而不致?lián)p壞）。

1 四履帶張緊器總體組成

由于有些客戶要求張緊器要能在水平和垂直兩個位置實現(xiàn)鋪管，為降低客戶的拆卸安裝成本，節(jié)省客戶拆卸并重新安裝的時間，筆者將張緊器設(shè)計成非固定式，這樣利用翻轉(zhuǎn)定位裝置就可快速實現(xiàn)張緊器鋪管位置的調(diào)整。圖1為張緊器以及調(diào)整張緊器位置的翻轉(zhuǎn)定位裝置。

圖1中，件1，2，3，4構(gòu)成翻轉(zhuǎn)定位裝置。翻轉(zhuǎn)定位裝置用于將張緊器調(diào)整在水平和垂直兩個位置進行鋪管作業(yè)。圖2為張緊器總裝圖，主要由4套壓載機構(gòu)組成，壓載機構(gòu)之間通過連接框架連接。

圖3為張緊器壓載機構(gòu)，圖4為壓載器，圖5為壓載器移除主結(jié)構(gòu)后的部分。

在實際作業(yè)時，先將管線放入張緊器，四組壓載機構(gòu)的各四根擠壓油缸伸出相同行程使要鋪設(shè)的管線位于張緊器的中心位置并使履帶橡膠板與管線接觸壓緊，在擠壓油缸伸縮時，壓載器上的導(dǎo)向輪沿壓載器框架做導(dǎo)向移動，然后運轉(zhuǎn)驅(qū)動電機或液壓馬達(dá)，管線將在張緊器的履帶輸送下被傳輸出去，在這過程中懸掛機構(gòu)和懸掛油缸起補償管線尺寸差異的作用，使管線輸送時張緊器平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

圖1 張緊器和翻轉(zhuǎn)定位機構(gòu)

圖2 張緊器總裝圖

圖3 張緊器壓載機構(gòu)

在鋪設(shè)不同規(guī)格的線纜時，由于需要的張緊力不同，所以需要張緊器具有可以設(shè)定不同張緊力的功能。對應(yīng)設(shè)定的不同張緊力，需要調(diào)整履帶內(nèi)張緊力以及擠壓油缸的輸出力。

本項目中采用張緊油缸與張緊輪組合構(gòu)成張緊機構(gòu)實現(xiàn)履帶張緊力的自動調(diào)整（常見的是采用螺桿螺母與張緊輪組合進行人工調(diào)節(jié)）。

另外，由于線纜粗細(xì)是不完全一致的，為了線纜通過張緊器時能更平穩(wěn)，增加了懸掛系統(tǒng)，它由懸掛機構(gòu)和懸掛油缸組成，懸掛機構(gòu)與支重輪鉸接連接。

圖4 壓載器

圖5 壓載器移除主結(jié)構(gòu)后的部分

2 張緊器設(shè)計計算

2.1 設(shè)計要求

2.1.1 作業(yè)工況

作業(yè)環(huán)境最低溫度（℃）： －15；

作業(yè)環(huán)境最高溫度（℃）： ＋45（濕度90%）；

最大橫搖（作業(yè)工況）（°）： 6 ；

流速（kn）： 2；

海水溫度（℃）： －2～＋32；

波浪周期（s）： 8～12；

有義波高（m）： 3.0。

2.1.2 生存工況

最大橫搖（°）： 40；

橫搖周期（s）： 13。

2.1.3 設(shè)計參數(shù)要求

線纜摩擦因數(shù)： 0.15；

安全工作負(fù)載（t）： 100（四履帶模式），

50（兩履帶模式）；

動態(tài)系數(shù)： 1.33；

動態(tài)剎車能力（t）： 120（四履帶模式）；

鋪管直徑范圍（mm）：100～600（四履帶模式），

50～250（兩履帶模式）；

放出速度（m／h）： 1 200；

收回速度（m／h）： 1 000。

2.2 設(shè)計時需要考慮的相關(guān)問題

首先，分析作業(yè)工況和生存工況。根據(jù)環(huán)境溫度、濕度，需要在設(shè)計時考慮機電液的相關(guān)問題。對于機械材料的選取，需要滿足所入船級社的規(guī)范要求；由于濕氣較大，為防止腐蝕需要采用海事防腐油漆；而對液壓系統(tǒng)，也需在所入船級社的規(guī)范中查找相關(guān)要求，不同船級社對船上不同的設(shè)備有各種不同的要求；對于電控系統(tǒng)，元件選擇時也需要考慮到最低和最高環(huán)境溫度以及濕度等，以防相關(guān)電氣元件不能在作業(yè)工況的環(huán)境溫度和濕度下正常工作。

根據(jù)作業(yè)工況和生存工況時的橫搖角度，需由船體設(shè)計單位給出由于橫搖而產(chǎn)生的x，y，z三個方向的加速度，然后在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮加速度的影響。這點對于那些沒有相關(guān)海工產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗的工程師來講很容易忽略但又非常重要。

然后，分析設(shè)計參數(shù)要求并進行計算。對于新開發(fā)項目，一般都是先參考市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品，研究其相關(guān)設(shè)計參數(shù)，之后通過比對再確定新研發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)。

本文以市場上現(xiàn)有的某公司的260 t四履帶鋪管張緊器為例進行分析，該260 t張緊器的裝機功率為500 k W。其設(shè)計要求參數(shù)如下：

線纜摩擦因數(shù)： 0.09；

最大工作負(fù)載Fm（t）： 260；

額定工作負(fù)載Fe（t）： 208；

動態(tài)系數(shù)df： 1.25；

鋪管直徑范圍（mm）： 100～600；

放出速度（m／h）： 960；

收回速度（m／h）： 480。

張緊器最大工作負(fù)載與額定工作負(fù)載之間的關(guān)系為：

根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)，可推算張緊器的輸出功率（收管）和發(fā)電功率（放管）。收管時的功率計算公式為：

放管時的功率計算公式為：

其中：F為張緊力，k N；v為收管速度，m／h；n為機械效率，n＝0.8。

將設(shè)計參數(shù)代入相關(guān)公式中進行計算，發(fā)現(xiàn)若按額定張緊力、額定速度工作時，功率都是小于實際的裝機功率500 k W；但按最大張緊力、額定速度工作時，以260 t放管時功率達(dá)544 k W，大于裝機功率。也就是說系統(tǒng)能保證以額定張緊力、額定速度持續(xù)工作，不能保證以最大張緊力工作時持續(xù)以額定速度運行。當(dāng)管線中張力大于張緊器的額定工作負(fù)載時，若功率超載則降速運行，鋪管船的行駛速度與張緊器保持同步。

2.3 參數(shù)確定

基于以上研究，下面來分析本項目100 t四履帶張緊器。

對于張緊器，在實際設(shè)計時按額定噸位、額定速度工作計算裝機功率，當(dāng)其以最大噸位工作時也可以持續(xù)運轉(zhuǎn)但要降速運行。在設(shè)計條件中，以最大噸位命名張緊器，張緊器鋪管能力為100 t，動態(tài)系數(shù)為1.33，于是額定工作負(fù)載就是75 t。

在計算裝機總功率時，需考慮收管（放管）滿載恒轉(zhuǎn)速功率、滿載加速（減速）功率、轉(zhuǎn)動部件加速（減速）功率。收管時是電動機在做功，放管時則通過電機發(fā)電并將電力輸入到船上的電網(wǎng)中。因此在計算時，收管所需的功率取正值，放管時發(fā)電產(chǎn)生的功率取負(fù)值。

另外，線纜摩擦因數(shù)由客戶根據(jù)所需鋪設(shè)的線纜來確定，該因數(shù)不同，四個擠壓油缸所需提供的力將相差很大。舉例說明，100 t張緊器，線纜摩擦因數(shù)分別是0.15和0.09時，所需擠壓油缸提供的擠壓力分別是167 t和278 t。在設(shè)計張緊器時需考慮張緊器履帶上橡膠板與鋪設(shè)的線纜要有足夠的接觸面積以保證不超過線纜允許的最大接觸應(yīng)力。

3 結(jié)語

本文對四履帶鋪管張緊器的結(jié)構(gòu)組成進行了介紹，分析了計算的方法以及注意點。希望通過本文的介紹能對國內(nèi)從事張緊器研發(fā)設(shè)計的工程人員起到指導(dǎo)和幫助的作用。

［1］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.第5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.