新型鋪纜船牽引機構設計應用

馬云驕，葛楊元

（南通力威機械有限公司，江蘇 南通 226500）

0 引 言

近年來，隨著船舶建造水平的不斷提高和新技術的廣泛應用，海纜船的發(fā)展取得很大進步，已由采用錨泊定位、僅適用于淺水作業(yè)的鋪纜船發(fā)展為采用動力定位技術、能滿足深海作業(yè)需求的鋪纜船。

為提高市場競爭力，鋪纜船在淺水作業(yè)區(qū)、深水作業(yè)區(qū)應采用不同的動力來完成鋪纜作業(yè)。淺水作業(yè)區(qū)鋪纜船上的牽引系統(tǒng)應能有效解決傳統(tǒng)錨泊定位鋪纜作業(yè)存在的輔助時間長、效率低和勞動強度大等問題，同時能減少輔助船使用量，提高鋪纜作業(yè)效率。

1 牽引機構作業(yè)流程

牽引機構[1]主要作用是使鋪纜船在作業(yè)時沿著既定的鋪纜路線完成牽引船、移船等操作，主要由牽引 絞車、換纜裝置[2]、甲板儲纜絞車、艙內儲纜絞車和導向滾輪組、拋錨艇絞車及控制系統(tǒng)等組成。

為保證連續(xù)鋪纜作業(yè)，牽引機構采用2條線路切換的設計（見圖1），其工作流程為：當線路A的牽引絞車運轉時，甲板儲纜絞車輔助張力并將纜索纏繞到卷筒上；當纏繞一段鋼纜接近末端后，通過換纜裝置將前后鋼纜接頭連接件卡住，解開卸扣，前段鋼纜末端繼續(xù)纏繞到線路A的甲板儲纜絞車卷筒上；隨后將卡在換纜裝置上的后段鋼纜切換到線路B的甲板儲纜絞車上，繼續(xù)進行牽引收纜工作。在線路B的牽引絞車與儲纜絞車工作的同時，線路A的甲板儲纜絞車鋼纜通過滑輪組轉移到艙內的儲纜絞車上。反之，在線路A的牽引絞車與儲纜絞車工作的同時，線路B的甲板儲纜絞車鋼纜通過滑輪組轉移到艙內的儲纜絞車上。艙內的儲纜絞車鋼纜釋放是通過拋錨艇絞車回收并轉到下一個拋錨點實現的。重復上述工作，從而實現牽引船舶鋪纜連續(xù)作業(yè)。

圖1 牽引機構作業(yè)示意

2 牽引機構組成設計

該牽引機構的設計重點包括以下幾個方面：

1) 牽引絞車卷筒結構型式[3]及多圈纏繞通過快速連接卸扣時無卡阻、蹦纜、壓纜現象或鋼纜損傷；

2) 甲板儲纜絞車卷筒能容納鋼纜快速連接卸扣結構；

3) 艙內儲纜絞車卷筒能容納多根大容纜量鋼纜結構，鋼纜之間的切換及排纜機構的要求；

4) 拋錨艇絞車鋼纜釋放控制的穩(wěn)定性設計；

5) 導向滑輪組通過鋼纜連接卸扣滑輪槽型設計；

6) 快速連接卸扣結構型式和強度要求。

通過對以上幾個方面的重點研制和使用驗證，排除牽引機構性能方面的隱患，保證整個牽引機構工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

2.1 牽引絞車設計

牽引絞車（見圖 2）是整個牽引系統(tǒng)的主要設備。絞車設計的重點是保證卷筒多圈纏繞有足夠的摩擦力[4]，同時保證兩段鋼纜之間的快速連接卸扣通過卷筒時無卡阻、蹦纜、壓纜現象或鋼纜損傷。因此，連接卸扣的結構形式、尺寸、活動范圍和運轉形態(tài)直接關系到絞車牽引過程的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。對此，在與索具制作廠家共同研究討論的基礎上，通過理論分析和三維建模模擬分析，確定卷筒的節(jié)徑，并利用與卷筒等徑的試驗裝置驗證卸扣在卷筒上運轉狀態(tài)。試驗結果表明，由于卸扣外形較大，影響牽引效果并易損傷鋼纜。經過仔細分析、論證，設置防壓纜專用裝置（見圖3）。該裝置的基本工作原理是在鋼纜快速連接卸扣進入卷筒之前用油缸頂起，即使快速連接卸扣與卷筒表面分離，消除快速連接卸扣對纏繞鋼纜的影響。通過改進試驗驗證，取得理想的效果，滿足不同工況的使用要求。

圖 2 牽引絞車

圖 3 防壓纜裝置

2.2 甲板儲纜絞車設計

甲板儲纜絞車（見圖4）是配合牽引工作的絞車，其拉力需足以滿足牽引絞車在負載工況下產生的摩擦力。根據理論計算式[5]，有

式(1)中：ψZ為起升載荷的動載系數，查表取1.5；Smax為鋼纜最大工作負載，以500000N為例；μ為鋼纜與卷筒和壓板間的摩擦因數，按摩擦面有無油脂，取0.12～0.16；a為安全圈在卷筒上的包角，rad；e為自然對數的底數，取2.71828。從卷繞3圈開始計算，代入數值得：第3圈 S1= 7 8111N；第4圈 S2=36750 N；第5圈 S3= 1 7 291N 。

以理論計算為基礎，結合多年的設計制作經驗，在確保安全因素和考慮摩擦效率等因素的前提下，設定甲板儲纜絞車的工作負載為50kN，并進行工廠試驗驗證。

甲板儲纜絞車結構設計重點是考慮鋼纜快速連接卸扣對絞車卷筒纏繞且有序排列鋼纜的影響。對此，卷筒采用分隔式結構，即快速連接卸扣與鋼纜分開儲存。工作時將輔助引纜掛在鋼纜快速連接卸扣卷筒儲存區(qū)，同時將快速連接卸扣卷入儲存區(qū)，當鋼纜從卷筒隔板缺口導入到鋼纜儲存區(qū)卷筒側時，靠排纜器纏繞并有序排列鋼纜。

為保證甲板儲纜絞車與艙內儲纜絞車動作的協調性，艙內儲纜絞車收纜時甲板儲纜絞車需有恒定的張力，絞車設置有動態(tài)阻尼制動器，保證在艙內儲纜絞車預張力下鋼纜排列整齊有序。

2.3 艙內儲纜絞車設計

艙內儲纜絞車（見圖 5）主要用來導入甲板儲纜絞車的鋼纜，其設計重點是考慮容納多根大容纜量的卷筒結構受艙室空間的限制、鋼纜之間的切換連接及排纜機構的要求。對此，經過反復論證和模擬分析，卷筒采用分隔式結構，根據鋼纜數量設置相應的主儲纜部分和存儲快速卸扣部分。

圖 4 甲板儲纜絞車

圖 5 艙內儲纜絞車

艙內儲纜絞車卷筒采用分隔式結構，排纜裝置（見圖6）結構的可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。為保證各卷筒有序排纜，采用電動伺服排纜機構，不僅可根據作業(yè)情況任意選擇鋼纜主儲纜區(qū)對應位置的排纜，而且可根據現場的使用情況對伺服排纜進行實時調整。同時，考慮鋼纜主儲纜區(qū)的快速切換要求，排纜器導輪設置采用翻轉的形式。

2.4 拋錨艇絞車設計

拋錨艇絞車（見圖7）主要用來與艙內儲纜絞車配套使用，導入鋼纜為下一個工作循環(huán)做準備，設計的重點是保證鋼纜釋放控制的穩(wěn)定性。對此，設計采用空冷的阻尼制動器，滿足拋錨艇絞車的使用工況要求。

2.5 導向滑輪組設計

導向滑輪組（見圖8）主要用來改變鋼纜的走向，設計重點是考慮鋼纜連接接頭如何順利通過滑輪，通過滑輪槽型的優(yōu)化設計、模擬分析和樣品試驗，有效保證快速連接卸扣滿足使用要求。

2.6 快速連接卸扣

快速連接卸扣（見圖9）用來連接鋼纜，主要滿足結構強度和快速拆裝要求。通過分析論證和模擬試驗，確定具體結構。

圖 8 導向滑輪組

圖9 快速連接卸扣

3 牽引機構試驗驗證

3.1 工廠試驗

1) 分別對牽引絞車、甲板儲纜絞車、艙內儲纜絞車和拋錨艇絞車進行負載和速度測試，檢查其性能參數、結構強度和剛性、傳動件的溫升、潤滑和密封情況、噪聲和振動及單機控制功能；

2) 通過快速連接卸扣形態(tài)試驗，檢查牽引絞車卷筒多圈纏繞時連接件運行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

通過牽引系統(tǒng)各組成件試驗，驗證設計的合理性和可靠性。

3.2 海上試驗

進行牽引機構集成系統(tǒng)功能檢測，包括：

1) 牽引機構系統(tǒng)組成件動作的協調性；

2) 牽引機構工作時，防壓纜裝置和掣纜換纜裝置動作的可靠性、安全性；

3) 鋪纜船作業(yè)工況下，牽引絞車、甲板儲纜絞車、艙內儲纜絞車和拋錨艇絞車的性能參數；

4) 控制系統(tǒng)性能。

通過海上試航，解決存在的問題，滿足客戶的使用要求，達到設計的預期效果。

4 結 語

該鋪纜船牽引機構的設計，改變了傳統(tǒng)的鋪纜船靠錨泊移船敷設效率低、輔助作業(yè)時間長和勞動強度大的狀況，能更好地適應市場的發(fā)展，降低作業(yè)成本，贏得更好的商機。