AMP船用電纜卷筒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙一松，　吳天裕

(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司, 上海 200135)

0　引　言

早期船舶在停靠碼頭時(shí)必須采用船上電機(jī)或輔機(jī)發(fā)電，以滿足船舶靠港時(shí)的用電需求，輔機(jī)在工作中燃燒大量的油料后會排出大量的廢氣，同時(shí)24 h不間斷地產(chǎn)生噪聲污染。人類對港口空氣質(zhì)量的擔(dān)憂已經(jīng)使港口運(yùn)營商面臨越來越大的壓力，不得不設(shè)法減少CO2、SO2及相關(guān)硫化物的排量。船舶岸電供電系統(tǒng)(Alternative Maritime Power, AMP)能在船舶?？坑诟劭跁r(shí)關(guān)閉，使其發(fā)動(dòng)機(jī)通過岸基供電系統(tǒng)為船舶提供工作及生活用電。2017年1月，交通運(yùn)輸部印發(fā)《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案(2015-2020年)》， 在船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)工作目標(biāo)中明確，到2020年，主要港口90%的港作船舶及公務(wù)船舶靠泊時(shí)需使用岸電，50%的集裝箱、客滾和郵輪專業(yè)化碼頭具備向船舶供應(yīng)岸電的能力。

電纜卷筒是一種為大型輸送設(shè)備、港口起重設(shè)備及岸橋設(shè)備提供供電電源的一種供電設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、電廠、冶金及礦山等行業(yè)[1]。在岸電系統(tǒng)中船舶使用電纜卷筒連接陸地岸電，比以往使用吊車拖吊電纜連接插頭更為方便、快捷及安全。在當(dāng)今船舶岸電產(chǎn)業(yè)的建設(shè)中，船用AMP電纜卷筒作為一個(gè)關(guān)鍵性設(shè)備，其制造質(zhì)量及設(shè)計(jì)的合理性、可靠性受到越來越多的重視。

針對船舶岸電的工作特點(diǎn)和特殊要求，對比以往普通港機(jī)用電纜卷筒，在工作穩(wěn)定性及實(shí)用性等方面對船舶岸電電纜卷筒的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合中海天王星輪裝船案例對優(yōu)化方案進(jìn)行相關(guān)分析。

1　現(xiàn)狀分析

1.1　AMP船用電纜卷筒驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需求

AMP船用電纜卷筒主要由電纜卷筒鋼結(jié)構(gòu)、集電環(huán)總成、高壓插頭及電纜、導(dǎo)纜架液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電纜卷筒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮動(dòng)態(tài)接電的安全性及可靠性外，還需考慮特殊的應(yīng)用場景(海工工況)等因素。

1) 基于電纜卷筒的一般工作原理，其相關(guān)動(dòng)力及調(diào)速部分是由電機(jī)來承擔(dān)的，電機(jī)必須具備調(diào)速范圍寬及較軟的機(jī)械特性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須在其轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的特性曲線上任意一點(diǎn)都能長期穩(wěn)定的運(yùn)行。

2) 船用電纜卷筒大多安裝在遠(yuǎn)洋集裝箱船或散貨船上，這類船舶對甲板的空間使用率相當(dāng)高，即使造船初期預(yù)留了AMP系統(tǒng)位置，其甲板空間也十分緊張，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需考慮盡量減小尺寸以降低船用電纜卷筒的整機(jī)占用尺寸。

3) 船舶常年進(jìn)行遠(yuǎn)洋航行，其環(huán)境狀況必然十分惡劣，鹽霧、酸霧及海水的侵蝕必不可少，同時(shí)海上溫差較大，考慮適用范圍在-20～40 °C，對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的防護(hù)等級及長期使用性需提出要求。

4) 由于船舶岸電系統(tǒng)專用三合一電纜價(jià)格昂貴，且遠(yuǎn)洋船舶連接岸電時(shí)需保證足夠的穩(wěn)定性及安全性以避免連船失敗帶來的經(jīng)濟(jì)損失，需對船用電纜卷筒的電纜在卷取及連船穩(wěn)定兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行保護(hù)要求。電纜在放出/收回的狀態(tài)時(shí)，隨著卷曲半徑的變化仍能獲取足夠的卷繞速度和拉力，且所受的張力需有效控制在理想的“恒張力”情況下以保護(hù)電纜；當(dāng)成功連接上岸電電源后，通常連船時(shí)間在幾小時(shí)至幾天，這段時(shí)間內(nèi)，潮汐對船舶的位移產(chǎn)生的影響會對電纜產(chǎn)生牽扯拉動(dòng)，需考慮解決該狀態(tài)時(shí)電纜受到的激增拉力，但同時(shí)，電纜不能因?yàn)樽灾貛?dòng)卷盤使電纜從卷盤上滑落。

5) 根據(jù)IEC8 0005碼頭岸電使用規(guī)范，船用電纜卷筒在放下/收起電纜和插頭連接器時(shí)，一般要求時(shí)間不能過快，約35 m懸高一般要求在10～15 min內(nèi)完成，卷盤轉(zhuǎn)速要控制在一定范圍內(nèi)，則對減速器速比提出相應(yīng)要求。

1.2　當(dāng)下船用及陸用電纜卷筒主流驅(qū)動(dòng)方式

1.2.1常規(guī)電纜卷筒驅(qū)動(dòng)裝置

磁滯式電機(jī)驅(qū)動(dòng)是運(yùn)用比較廣泛的電纜卷筒的驅(qū)動(dòng)方式，在電機(jī)和減速機(jī)之間安裝磁滯離合器以獲取很軟的驅(qū)動(dòng)特性，該離合器是靠永磁鐵產(chǎn)生的磁力通過磁隙傳遞扭矩進(jìn)行非機(jī)械連接，有益于對電纜的保護(hù)。但是磁滯式電機(jī)作為船用電纜卷筒的驅(qū)動(dòng)方式有致命的缺陷。船用電纜卷筒的安裝位置為船體甲板邊沿，無論是二層或三層甲板都有被海浪、酸霧及鹽霧侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，且由于切割磁力線會發(fā)熱的工作特點(diǎn)，磁滯離合器的安裝外殼通常為非密閉式蜂窩狀網(wǎng)罩，船用電纜卷筒中磁鐵和輸出零件的銹蝕情況將遠(yuǎn)比在港口、電廠等工作地點(diǎn)中磁鐵等零件的銹蝕情況嚴(yán)重，甚至可能設(shè)備在一個(gè)航次內(nèi)就會有銹蝕情況產(chǎn)生，所以無法在船舶上安裝及使用。

1.2.2國外船用電纜卷筒驅(qū)動(dòng)裝置

岸電作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，船用電纜卷筒是該產(chǎn)業(yè)中的新產(chǎn)品，國外公司對其的相關(guān)研究進(jìn)行的較早。目前國外諸如CAVOTEC等公司使用的都是液壓滑差減速器，這是在減速器殼體中安裝一套靠油膜傳遞扭矩的濕式離合器，附以一套特定速比的蝸輪/蝸桿配合傳動(dòng)，稱為液壓滑差減速器。該減速裝置具有驅(qū)動(dòng)扭矩大、傳遞特性軟及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可滿足船用電纜卷筒的驅(qū)動(dòng)要求。但其對減速箱內(nèi)的油品質(zhì)量要求很高，油品的黏度決定了該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用效率和安全性，要求換油維護(hù)周期通常為半年一次，且每半年需打開減速箱查看蝸輪蝸桿齒面的磨損情況(如齒面磨損超過2 mm時(shí)，必須送返工廠維修并重新調(diào)整扭矩)。在實(shí)際工作中，考慮船舶上并不會安排特定的工作人員或維修技師對減速箱進(jìn)行維護(hù)，經(jīng)過調(diào)研，有的電纜卷筒廠家有幾年、甚至十年以上減速箱內(nèi)的油品未進(jìn)行換新，而且該減速器箱制作工藝要求較高，目前只在國外幾個(gè)特定的廠家使用制造，價(jià)格相對較高。

1.3　船用電纜卷筒存在的主要問題

1) 傳統(tǒng)的磁滯式電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無法滿足海上工況的需求；

2) 改造船或集裝箱運(yùn)輸船的船上空間緊張，對電纜卷筒的占地空間提出更小化的要求；

3) 目前國外主流船用電纜卷筒的液壓滑差減速器的驅(qū)動(dòng)方式有成本高及維護(hù)繁瑣等問題；

4) 岸電電纜成本高，需在實(shí)際工作中對電纜采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2　AMP船用電纜卷筒驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

根據(jù)AMP船用電纜卷筒的工作特性及應(yīng)用場景，綜合考慮當(dāng)前船用電纜卷筒的實(shí)際運(yùn)用問題，參考目前交直軸斜齒輪減速器在陸用電纜卷筒設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用案例及鏈傳動(dòng)在各種工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用情況，對船用電纜卷筒驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電機(jī)帶交直軸斜齒輪硬齒面減速器的驅(qū)動(dòng)方式，配合鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)緊湊型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來滿足船用電纜卷筒的相關(guān)需求，而在電纜保護(hù)方面設(shè)計(jì)岸電專用制動(dòng)器及應(yīng)用變頻器的電纜管理系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)已應(yīng)用在中海天王星輪上，并經(jīng)過多次連船測試，驅(qū)動(dòng)效果符合預(yù)期。相關(guān)驅(qū)動(dòng)部件基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)見表1，船用電纜筒外形示意見圖1。

表1　中海天王星14 000 TEU船用電纜卷筒技術(shù)參數(shù)表

圖1　　　　中海天王星14 000 TEU船用電纜卷筒外形示意

2.1　驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1減速器設(shè)計(jì)

基于對國內(nèi)外電纜卷筒驅(qū)動(dòng)裝置的分析，目前工業(yè)減速器主要有斜齒輪硬齒面減速器、螺旋錐齒輪減速器、圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器及行星齒輪減速器等主流減速器，而減速器出軸方式有空心及實(shí)心。本方案最終采用以電機(jī)帶斜齒輪交直軸硬齒面減速器的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行優(yōu)化，使用最常見的三相異步全封閉鼠籠式電機(jī)配以斜齒輪交直軸K系列硬齒面減速機(jī)(見圖2)，減速器采用實(shí)心出軸，采用單個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。該減速器的設(shè)計(jì)具備以下特點(diǎn)：

(1) 可選速比大，可根據(jù)電纜卷筒的卷繞速度和卷取半徑靈活的配比；

(2) 輸出端可承受較大的彎曲載荷；

(3) 交直軸采用格利森弧齒傳動(dòng)，所有的齒輪采用滲碳淬火后的磨齒和加工工藝使得減速器減小齒輪占用體積的同時(shí)增大承載力及降低運(yùn)行噪音；

(4) 相對蝸輪蝸桿副的減速器來說，斜齒輪減速器傳動(dòng)效率高，在配合6級及8級電機(jī)的時(shí)候，傳動(dòng)效率能達(dá)到90%～95%，且耗能相對較低，性能優(yōu)越；

(5) 斜齒輪減速機(jī)傳動(dòng)比劃分細(xì)、范圍廣，可加裝多級預(yù)減速機(jī)，組合機(jī)型可以形成更大減速比，輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到足夠低；

(6) 安裝形式多樣，可配以臥式安裝及加裝法蘭連接，這對調(diào)整電纜卷筒整機(jī)的占地空間大有益處，更適合在船上安裝；

(7) 整個(gè)減速箱呈全封閉狀態(tài)，而電機(jī)除必要的散熱風(fēng)扇外，也是全封閉式的，其防護(hù)等級也達(dá)到了IP56，符合遠(yuǎn)洋海運(yùn)的工況要求；

(8) 實(shí)心出軸用以安裝外部鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，出軸能承受較大載荷。

圖2　K系列斜齒輪減速機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)為全封閉鼠籠式電機(jī)，由于減速器可選的速度比較多，考慮選用1 100 rpm的6級電機(jī)，相比普通4級電機(jī)，在方便配比的同時(shí)進(jìn)一步提高傳動(dòng)效率；電機(jī)帶強(qiáng)冷風(fēng)扇及25 W內(nèi)置加熱器以適應(yīng)海上強(qiáng)烈的溫差；加裝速度編碼器以計(jì)算及調(diào)控卷盤轉(zhuǎn)速；加裝盤式制動(dòng)器，在岸電系統(tǒng)正常工作但電機(jī)突然失效的狀態(tài)下夾緊電纜，避免電纜因?yàn)樽灾鼗鼍肀P。

2.1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

以往常規(guī)的電纜卷筒減速器都采用空心軸連接，減速器輸出軸連接卷盤法蘭，帶動(dòng)卷盤旋轉(zhuǎn)，空心軸另一邊接滑環(huán)箱，電纜從卷盤中心經(jīng)空心軸進(jìn)入滑環(huán)箱。此種電纜卷盤結(jié)構(gòu)雖然簡單，但需配的減速比過大，減速器占用空間也相應(yīng)較大；卷盤、驅(qū)動(dòng)裝置及滑環(huán)箱呈一直線排布，對甲板空間緊張的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶太過浪費(fèi)。因此，本方案采用鏈輪連接(見圖3)，使用鏈傳動(dòng)放大整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的速比，所選的減速器速比就可成倍縮小，減速器體積也會縮小，而因?yàn)樾饼X輪減速器寬泛的安裝形式，將滑環(huán)箱和減速器及鏈輪成空間立體排布，可大大降低驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的占用空間，從而降低整機(jī)體積。

圖3　驅(qū)動(dòng)裝置及鏈傳動(dòng)示意

圖4　驅(qū)動(dòng)裝置及卷盤相對位置關(guān)系

在鏈傳動(dòng)上，本方案選擇單排滾子鏈20 B(B為型號代碼)，滾子鏈一般由內(nèi)鏈節(jié)、外鏈節(jié)及連接鏈節(jié)組成，鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性的嚙合傳動(dòng)，沒有彈性打滑和滑動(dòng)，能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比和機(jī)械效率，對傳動(dòng)軸的作用力較小且靈活度高，中心距適用范圍大，能在高溫、油污及腐蝕環(huán)境下工作，且更換便捷，非常適合在船上設(shè)備[2]。

2.2　制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)

停船連接岸電時(shí)，潮汐的影響對電纜產(chǎn)生的拉力激增狀態(tài)，對此設(shè)計(jì)一個(gè)特定扭矩盤式制動(dòng)器來解決此問題。

岸電電纜根據(jù)導(dǎo)電銅芯的平方數(shù)計(jì)算出通常規(guī)格的許用拉力數(shù)值見表2。

表2　岸電專用電纜常規(guī)型號技術(shù)參數(shù)

在14 000 TEU案例中，雙電纜卷筒采用3×185+95+4×2.5+6×62.5/125規(guī)格(截面積為185 mm2的三芯動(dòng)力電纜、截面積為95 mm2的接地電芯、截面積為2.5 mm2的四芯控制線及內(nèi)徑為62.5 μm、外徑為125 μm的六芯光纖)，理論重量及許用拉力由表2可知，根據(jù)電機(jī)功率2.2 kW，選用107機(jī)座號的斜齒輪減速機(jī)，速比i1為163.35，在鏈傳動(dòng)中，鏈傳動(dòng)根據(jù)大小鏈輪的齒數(shù)比確定速比i2為4.21。單根電纜自重G35單為3 597 N，小于最大拉力11 100 N，該電纜適用于本項(xiàng)目(見圖5)。

理論扭矩=理論重量×扭力臂，制動(dòng)力矩的計(jì)算只需計(jì)算放纜過程，分別取放出20 m、放出30 m及最大放出35 m分別計(jì)算

T20=G20S20=4 028.7 N·m

(1)

T30=G30S30=5 303 N·m

(2)

T35=G35S35=5 611.4 N·m

(3)

由上述計(jì)算可知，當(dāng)電纜放下35 m時(shí)電纜自重產(chǎn)生的拉力矩是最大的，設(shè)計(jì)加裝的制動(dòng)器的制動(dòng)力矩只需>35 m的電纜拉力矩同時(shí)其產(chǎn)生的制動(dòng)力小于電纜的最大許用拉力。

總速比i0=i1i2=687.7

(4)

(5)

(6)

(7)

計(jì)算偏差值K1取1.1，扭矩?fù)p耗因數(shù)K2取1.1，則

(8)

根據(jù)計(jì)算選擇加裝盤式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩范圍標(biāo)準(zhǔn)為9～11 N·m。經(jīng)中海天王星實(shí)際連船測試，35 m最高懸高時(shí)電纜成功放下連接岸電箱，沒有出現(xiàn)電纜自重滑落的現(xiàn)象。制動(dòng)器加裝手動(dòng)釋放手柄，在電動(dòng)機(jī)故障失電時(shí)，使用手動(dòng)釋放松開制動(dòng)器抱閘，可采用人工方式收起工作狀態(tài)的電纜以便后續(xù)維修。

圖5　放出電纜對卷盤產(chǎn)生的重力矩示意

2.3　控制方式優(yōu)化

根據(jù)力平衡方程T=M/R，其中T為電纜張力；M為卷盤的驅(qū)動(dòng)扭矩；R為電纜卷取半徑，電纜張力控制為變扭矩-恒張力控制，即隨著電纜卷取半徑不斷變化，通過變頻器控制頻率-轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對輸出扭矩的控制。相比較常規(guī)電纜卷筒和國外通用船用電纜卷筒，采用PLC帶變頻器控制，可不受電纜規(guī)格、卷繞長度、移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行速度及安裝高度的限制，變頻器采用卷繞半徑的厚度積分計(jì)算方法，實(shí)時(shí)調(diào)整張力做到真正意義上的恒張力[3]。

結(jié)合船用電纜卷筒的實(shí)際工況及當(dāng)前驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分析，該方案設(shè)計(jì)采用變頻器控制電機(jī)的方式進(jìn)行電纜管理，經(jīng)驗(yàn)證，采用變頻線性自動(dòng)變扭矩驅(qū)動(dòng)控制可以獲得以下理想特征：

1) 驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)特性很軟；

2) 響應(yīng)速度快；

3) 輸出力矩是可變的，不僅能在勻速工況下隨收/放纜工況變化而變化、卷盤上容纜圈數(shù)變化而變化，還能在加/減速工況下對扭矩做瞬間補(bǔ)償。

驅(qū)動(dòng)控制專用的應(yīng)用宏具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式。手動(dòng)模式下，變頻器采用速度控制模式，電機(jī)運(yùn)行的速度基準(zhǔn)通過應(yīng)用宏內(nèi)的參數(shù)來進(jìn)行設(shè)置，電纜的收/放纜狀態(tài)也是在此模式的控制下進(jìn)行的，通過變頻器自帶的數(shù)字輸入端口激活。自動(dòng)模式采用扭矩控制，一旦電纜連接，將選擇開關(guān)切換到自動(dòng)模式。電纜卷盤將每10 min運(yùn)行5 s，彌補(bǔ)船舶移動(dòng)和風(fēng)力、潮汐造成的松弛。自動(dòng)模式電纜控制軟件流程見圖6。

圖6　自動(dòng)模式電纜控制軟件流程

3　結(jié)　語

所闡述的船用電纜卷筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化是根據(jù)船上實(shí)際工況設(shè)計(jì)，在占地空間、穩(wěn)定性、傳動(dòng)效率及免維護(hù)性等方面較以往技術(shù)有了一定提高，已經(jīng)在中遠(yuǎn)海運(yùn)天王星14 000 TEU集裝箱船岸電改造項(xiàng)目中獲得了實(shí)際案例驗(yàn)證。實(shí)船經(jīng)過了洋山港四期岸電碼頭的2次連船調(diào)試，電纜卷筒使用良好，電纜張力有效控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施良好，可在以后的岸電改造領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。