一種船舶接岸電纜新型絞車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

凌有臨

● （鎮(zhèn)江四洋柴油機(jī)制造有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

一種船舶接岸電纜新型絞車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

凌有臨

● （鎮(zhèn)江四洋柴油機(jī)制造有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

船舶接岸電纜絞車是一種新型甲板機(jī)械，其作用是方便接岸電纜的使用和儲(chǔ)存，提高電纜使用的安全性。本文根據(jù)其使用要求和使用環(huán)境，確定了大電流免維護(hù)電刷-滑環(huán)機(jī)構(gòu)的材料和使用功效，同時(shí)應(yīng)用疏水法解決密封滾筒內(nèi)凝露積水問題，保證電器絕緣要求。本文設(shè)計(jì)及研制的新型船舶接岸電纜絞車,在實(shí)船使用中，得到用戶的認(rèn)可。

船舶岸電；絞車；電刷；滑環(huán)

0 引言

我國有漫長的海岸線和內(nèi)陸江河，是世界上最大的水運(yùn)國家，港口貨物年吞吐量達(dá)70多億噸，居世界之首。長期以來，在我國船舶靠港岸后通常使用燃油發(fā)電來滿足用電需求，在燃燒過程中產(chǎn)生大量的硫化物和氮氧化物，及發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲對(duì)周圍的環(huán)境造成污染與危害。20世紀(jì)70年代，一些國外先進(jìn)港口采用岸電系統(tǒng)，國內(nèi)近幾年來，較多單位研究岸電技術(shù)，開始推廣應(yīng)用，這方面的文獻(xiàn)報(bào)道較多。但是，船舶接岸電纜是船舶靠岸以后，使用岸電的輸電電纜。對(duì)岸電系統(tǒng)所用電纜的移出、岸船連接及用后歸位的船舶接岸電纜絞車技術(shù)以及應(yīng)用報(bào)道很少[1-2]。本文設(shè)計(jì)及研制了一種新型船舶接岸電纜絞車，使用岸電電纜時(shí)，無需先將電纜從電纜艙移出，將電纜兩端分別與船舶和碼頭岸電箱相連，用完后再將電纜歸位至電纜艙，方便接岸電纜的使用和儲(chǔ)存，提高接岸電纜使用的安全性，解決了船舶接岸電纜在船舶上的使用和儲(chǔ)存中存在的安全性問題。

1 接岸電纜絞車的工作原理和結(jié)構(gòu)

船舶滑環(huán)式電纜絞車，其工作原理是將船舶接岸電纜有序纏繞在電纜滾筒上，電纜的一端通過滾筒內(nèi)接線柱連接到與滾筒相連的絞車滑環(huán)上，再通過滑環(huán)-電刷-接線柱與船舶岸電箱始終相連接[3]。電纜的另一端在船舶正常行駛時(shí)，則放置在滾筒上（接岸電纜在船舶正常行駛時(shí)，由于船舶的船岸電互鎖作用，因此電纜的裸露端頭不會(huì)帶電）。當(dāng)船舶靠岸時(shí)，將該端電纜從滾筒上拉出，與碼頭上的供電箱相連接，實(shí)現(xiàn)岸電對(duì)船舶的供電。

絞車結(jié)構(gòu)主要有機(jī)架、滾筒、電刷-滑環(huán)機(jī)構(gòu)、和定位機(jī)構(gòu)等四大主要部分組成。滾筒兩端分別焊接兩根軸，用于支撐在機(jī)架上，其中左軸為空心軸，用于電纜穿過，以便于空心軸上的滑環(huán)與滾筒內(nèi)的接線柱通過電纜相連?；h(huán)與滑環(huán)之間利用絕緣片隔離，通過機(jī)械方式固定在滾筒空心軸上。滑環(huán)筒固定在機(jī)架上，電刷機(jī)構(gòu)安裝在滑環(huán)筒內(nèi)，并與滑環(huán)相對(duì)應(yīng)，另外，定位機(jī)構(gòu)是在接岸電纜絞車收、放結(jié)束后，用于固定絞車滾筒防止其轉(zhuǎn)動(dòng)[4-5]。因此，本產(chǎn)品要解決兩大核心問題：大電流電刷-滑環(huán)設(shè)計(jì)；密封滾筒內(nèi)凝露的積水。

2 大電流電刷-滑環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 電刷-滑環(huán)使用要求

電刷-滑環(huán)作為電纜絞車輸電的核心部件，必須能夠承受大電流，本絞車的電刷-滑環(huán)設(shè)計(jì)容量為200A，根據(jù)其結(jié)構(gòu)要求，滑環(huán)Φ190mm，單刷電流密度0.5A/mm2，電纜拉出和回收時(shí)，絞車滾筒(即滑環(huán))的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為50r/min，電刷壓緊力50N，根據(jù)產(chǎn)品使用特性，滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為不帶電狀態(tài)；同時(shí)為滿足其使用要求，電刷-滑環(huán)材料還應(yīng)具備以下性質(zhì)：1）磨損系數(shù)低，以使傳動(dòng)力矩較小；2）在電力輸送過程中接觸電阻低，以使觸點(diǎn)溫升低；3）耐腐蝕性強(qiáng)，保證其使用壽命。

2.2 電刷-滑環(huán)材料的選擇

滑環(huán)材料的選擇，絞車借鑒船用電機(jī)滑環(huán)材料，選擇減摩性好耐大氣、海水腐蝕極好的錫青銅QSn6.5-0.1作為滑環(huán)材料。由于絞車轉(zhuǎn)動(dòng)速度較低，時(shí)間較短，且為帶電轉(zhuǎn)動(dòng)，為避免電刷-滑環(huán)的日常維護(hù)，絞車電刷材料選用耐海水腐蝕、不產(chǎn)生接觸電火花的鋁青銅QAl9-4。為驗(yàn)證其可靠性，通過在EMM-1型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)電刷-滑環(huán)材料進(jìn)行摩擦系數(shù)和接觸電阻測試后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 電刷-滑環(huán)摩擦系數(shù)和接觸電阻試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

首先，用電刷材料制成栓，Φ5mm，長度為15mm，用滑環(huán)材料制成盤，直徑45mm，厚度為10mm，其表面粗糙度小于3.2，按要求安裝在EMM-1試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行磨合試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷為50N，速度為0.5m/s，磨合時(shí)間1h。

其次，保持速度0.5m/s，電流15A不變，負(fù)荷從5N變化到50N時(shí)，其摩擦系數(shù)的變化，見圖1。由圖1可看出，隨著負(fù)載的增大，電刷和滑環(huán)之間的摩擦系數(shù)呈下降趨勢；材料的摩擦系數(shù)最大為0.35，在最大壓力為50N作用下，其產(chǎn)生的扭矩單環(huán)為1.7N·m，總扭矩為5.1N·m，因此材料的摩擦阻力能滿足產(chǎn)品要求。

圖1 電刷-滑環(huán)材料壓力與摩擦系數(shù)曲線

再次，保持速度0.5m/s、負(fù)荷50N不變，電流從3A變化到15A時(shí)，其接觸電阻的變化，見圖2。由圖2可看出，隨電流增大，電刷-滑環(huán)材料之間的接觸電阻無明顯變化。此試驗(yàn)表明，絞車在通電工作狀態(tài)，即使轉(zhuǎn)動(dòng)了滾筒對(duì)輸電也無明顯影響。以上試驗(yàn)測得的摩擦系數(shù)和接觸電阻為3次試驗(yàn)測定結(jié)果的算術(shù)平均值。

圖2 電刷-滑環(huán)材料電流和接觸電阻曲線

2.2.2 電刷-滑環(huán)溫升試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

以電刷-滑環(huán)自身為試驗(yàn)樣本，電刷-滑環(huán)之間壓力保持50N，電流200A，試驗(yàn)設(shè)備：升流變壓器，點(diǎn)溫計(jì)；其時(shí)間-溫度曲線見圖3?？梢姡錅厣s為40℃，溫度平衡時(shí)間約需1h，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。通過試驗(yàn)表明，電刷-滑環(huán)之間的材料匹配合理，性能優(yōu)良，能夠滿足產(chǎn)品使用要求[6-7]。

3 凝露積水清除設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品為輸電設(shè)備，因此需保持其滾筒和滑環(huán)筒內(nèi)部電氣部件的絕緣。由于產(chǎn)品安裝在船舶主甲板上，由于海上空氣濕度較高，晝夜溫差變化較大，在滾筒和滑環(huán)筒內(nèi)易產(chǎn)生凝露。因此，依靠密封方式無法避免其內(nèi)部的凝露積水，保持滾筒內(nèi)部干燥，需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以滿足產(chǎn)品需求。

圖3 電刷-滑環(huán)時(shí)間溫度曲線

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路是通過疏水方法解決滾筒內(nèi)部的凝露，因絞車滾筒（如圖4所示）僅在收放電纜時(shí)，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其它時(shí)間通過前文所述定位銷使?jié)L筒都處于靜止?fàn)顟B(tài)，為保證滾筒內(nèi)凝露積水能夠及時(shí)排出，在滾筒體上設(shè)計(jì)出一定數(shù)量的均勻排布的幾組導(dǎo)水口，同時(shí)在滾筒端面設(shè)置與導(dǎo)水口組數(shù)相同的定位銷孔，并保證當(dāng)定位銷插入銷孔后，總有一組排水口在滾筒的最下方。采用疏水函將導(dǎo)水口罩在里面，疏水函形狀為 U形，疏水函的作用：其一，讓滾筒內(nèi)的積水通過導(dǎo)水口排出滾筒；其二為架空滾筒上的電線，解決電纜與滾筒之間的含水和散熱問題。在疏水函兩端分別設(shè)置一塊傾斜的擋水板，其作用是最大限度阻擋外部雨水和海浪進(jìn)入疏水函，同時(shí)讓其內(nèi)部積水可順利排出。對(duì)于滑環(huán)筒，由于其固定在機(jī)架上，因此僅需在滑環(huán)筒的最下方加工一個(gè)小排水孔即可，從而滿足絞車內(nèi)部電器的絕緣性要求。根據(jù)上述試驗(yàn)與設(shè)計(jì),船舶接岸電纜絞車總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 絞車的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）本產(chǎn)品是原創(chuàng)型船用甲板機(jī)械，采用大電流免維護(hù)電刷-滑環(huán)機(jī)構(gòu)，具有較低的摩擦系數(shù)和接觸電阻，被成功應(yīng)用到船舶岸電輸電系統(tǒng)。

2）開放式導(dǎo)水系統(tǒng)不僅解決了滾筒內(nèi)積水，滿足電纜接頭的絕緣性要求，同時(shí)也解決了纏繞在滾筒外電纜的散熱和疏水。經(jīng)試驗(yàn)和各類船舶5年以上使用驗(yàn)證，性能優(yōu)良,受到用戶的贊譽(yù)。

參考資料:

[1]曾勝華,徐大可,王文強(qiáng),等.智能岸電系統(tǒng)整體方案實(shí)施[J].華電技術(shù),2011,33(11):57-60.

[2]盧明超,劉汝梅,石強(qiáng),等.國內(nèi)外港口岸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].港工技術(shù),2012,49(3):41-44.

[3]劉雅蘭,陳建飛.10萬勵(lì)磁機(jī)試驗(yàn)滑環(huán)裝置的研制[J].機(jī)械工程師,2012(7):130-133.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004．

[5]孫寶民.俄羅斯TBB-320-2發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電刷、滑環(huán)燒損原因的分析[J].山西電力,2003,10(1):21-23.

[6]鄭冀,歐陽錦林,朱家佩.真空長壽命自潤滑電刷-滑環(huán)材料的研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),1997,17(2):129-131.

[7]楊莉紅.導(dǎo)電滑環(huán)技術(shù)的研究[J].科技傳播,2012(6):45-48.

Design and Application of a New Ship to Shore Cable Winch

LING You-lin
(Zhenjiang Siyang Diesel Engine Manufacturing Co.,Ltd.,Zhenjiang 212003,China)

Ship to shore cable winch is a new type of deck machinery.It can be used to make the use and storage of cable easier and to improve the using security of cable.According to the requirements and using conditions,the ring material of maintenance-free brush-slip is selected.For the electric insulation requirements,hydrophobic way is used to solve the problem of condensation water in the sealing rotary drum.The new type of the cable winch which is introduced in this paper is approved by the practice.

shore power;winch;electric brush;slip-ring

TM50

A

凌有臨（1964-），男，安徽合肥人，工程師。主要從事船舶柴油機(jī)機(jī)電設(shè)計(jì)與制造工作。