極地航行船舶錨絞機設計

余 威， 王恒智， 李艷春， 張 彪

(1.中國船級社 武漢分社， 湖北 武漢430022； 2.武漢船用機械有限責任公司， 湖北 武漢430084)

0 引 言

近年來，隨著極地區(qū)域越來越多的油氣資源被發(fā)現以及北極東北航道和西北航道交通流量的上漲，世界各國對高冰級的極地原油運輸船、多用途集裝箱船、LNG船的需求不斷增加[1]。對于不同類型的極地航行船舶，為了滿足船舶自身的航行和功能要求，必須為其配套相應的舾裝設備。錨絞機作為保障船舶航行安全的重要設備，無論對油船還是貨船都是必不可少的一類甲板機械，研究并掌握以錨絞機為代表的極地航行船舶機電配套設備具有重要的意義。

1 低溫環(huán)境對設備的影響分析

極地地區(qū)低溫多冰、氣候惡劣。統(tǒng)計表明，北極點的年平均氣溫為-23 ℃，冬季的平均氣溫為-34 ℃，最低氣溫可達-68 ℃。北冰洋海氣交換強烈，濕度很大，大部分時間相對濕度都在95%以上，經常有霧生成，不利于常規(guī)船舶的航行。

由于極地環(huán)境的特殊性，相較于普通船舶用甲板機械，船舶所裝備的甲板機械，特別是安裝在露天甲板面上的錨絞機須面對眾多問題(見圖1)，如：冰雪帶來的附加載荷；結構件因材料的低溫脆性而損壞；鑄鋼(鐵)件出現凍裂現象；鋼絲繩因低溫出現凍硬現象，會難于纏繞甚至斷股；工作液凝結；橡膠密封件脆化、失效；電氣線路出現硬、脆現象等。

圖1 低溫對設備的影響

受到上述因素的影響，設計和建造適用于極地航行船舶的錨絞機存在以下幾項技術難點需要突破：(1)材料選型與應用；(2)關鍵部件與系統(tǒng)的防寒設計；(3)大溫差環(huán)境下的傳動系統(tǒng)設計。

2 極地航行船舶錨絞機需求分析

目前極地航行船舶主要分為兩大類：一類是以油氣開發(fā)、海洋勘測等為目的的海工特種船舶；另一類是以貿易物流為主的商船。

一般而言，海工特種船舶總體排水量較小，船體甲板采用封閉式設計，其使用的錨絞機位于艙室內部，環(huán)境相對可控，故本文不再進行討論。

對于以油船、集裝箱船等為代表的商船，其船體通常選擇開敞式甲板，將錨絞機等系船設備直接放置于露天，其對應的泵組、電控系統(tǒng)等則安放在艙室內(見圖2)。這種布置方式的優(yōu)點是增大了船舶內部空間利用率，降低了整體建造難度，但也存在明顯的不足，即位于露天環(huán)境的錨絞機機械裝置將直接面對極地惡劣的氣候環(huán)境，給設備的設計和使用帶來了一系列挑戰(zhàn)。

圖2 極地錨絞機總體布局

本文結合某型極地航行船舶錨絞機的設計開發(fā)實例，從材料選型、防寒設計、大溫差環(huán)境下的傳動系統(tǒng)設計等方面對適用于極地環(huán)境的錨絞機設計要點進行分析和闡述。該型錨絞機設計服務溫度為-63～45 ℃，采用電動液壓驅動，設計鏈徑Φ66 mm，AM3級。

3 設計控制點

3.1 材料選型與應用

對于極地錨絞機而言，材料選型和應用的最大難題是如何經濟、有效地克服低溫引起的金屬材料冷脆和非金屬材料(主要是密封件)失效問題。

一般而言，錨絞機所使用的金屬材料包括板材、圓材、鍛件、鑄件等。板材一般用于機座、齒輪箱、支架等結構件的制作，要求具有良好的可焊性；圓材用于銷軸、主軸等零部件制作，由于這些零件一般均承受較大載荷，因此被要求具有較高的強度；鍛件常用于齒輪等重要受力構件的制作，且應具有一定可焊性；鑄件則主要為錨鏈輪的材料，被要求具有良好的鑄造性能。除上述要求外，所有承載構件都應具有良好的低溫沖擊韌性，在規(guī)定的溫度下構件材料的夏比V 型缺口沖擊試驗得出的沖擊功平均值應不小于20 J[2]。

根據上述要求，結合船級社規(guī)范、相關標準和力學性能試驗，極地錨絞機所需的金屬材料可參考表1進行選取。

針對非金屬密封材料，承受一定工作壓力的液壓密封可采用耐低溫材質，如聚四氟乙烯、耐低溫橡膠[3]等，其與系統(tǒng)工作介質有良好的相容性。對于不承受壓力的潤滑密封，可采用氈圈等對溫度變化不敏感的密封件。

3.2 關鍵部件與系統(tǒng)的防寒設計

錨絞機位于船首，易受到上浪、水花飛濺的影響，在低溫環(huán)境下極易出現大面積積冰、凍結的現象。因此，結構的積冰、運轉機構的凍結、潤滑系統(tǒng)的冷凝是錨絞機防寒設計需要解決的關鍵問題。

(1) 結構的防寒設計。對于一般的承載結構，常見的防積冰措施有伴熱和涂層等兩大類。對于安裝在開敞甲板面上的錨絞機而言，整體伴熱需要消耗巨大的能量，且會增加結構的復雜程度，不利于設備的經濟性。涂層法則是在設備表面涂上一層憎水劑，降低水與設備表面之間的黏附力，使得水滴在凍結前滾下垂直或傾斜表面。如果是水平表面，水滴則會以球形的形式凍結，這樣將會減少冰凍與設備之間的黏附力，使其可被輕易去除[4]。目前已有的有機硅憎水劑在涂裝后可耐受-70 ℃的低溫，滿足極地環(huán)境的使用要求，且低溫下的小樣試驗效果良好，是一種經濟有效的防積冰方案。

表1 極地錨絞機材料選型(-60 ℃級)

(2) 機構的防寒設計。增加防護罩和密封裝置是解決運轉機構凍結的有效手段之一。對于外露旋轉構件，如離合器，可在其外部增設可拆卸式的防護罩，避免大范圍凍結、積冰；而對于軸承位等部位，則應在軸承座外加密封透蓋，并增加硅氟橡膠材料的墊片和密封圈以避免大量雨水浸入軸承位導致主軸凍結造成設備無法正常運轉，如圖3所示。

圖3 軸承位防寒設計

(3) 潤滑系統(tǒng)的防寒設計。極地錨絞機潤滑系統(tǒng)的防寒設計總體思路是伴熱和改變潤滑方式。對于必須采用液體潤滑的部位(如傳動齒輪)：在結構設計時應將其設計為全封閉式結構并設置溫度傳感器、加熱器；其次還應通過合理的結構設計，適當降低油箱內的容積，使得加熱器可在短時間內迅速提升箱內油液溫度；最后，系統(tǒng)可采用溫度適用范圍較廣的潤滑油，進一步改善系統(tǒng)的潤滑性能。對于不必采用液體潤滑的部位：建議采用固定潤滑的方式避免冷凝問題，例如傳動軸可使用自潤滑滑動軸承(見圖4)，軸承本體材料選擇ZCuZn25Al6Fe3Mn3[5]，潤滑劑選擇溫度適用范圍廣泛的石墨，配合外部的阻水密封裝置，可滿足錨絞機的使用要求。

圖4 銅合金鑲嵌固體潤滑軸承

3.3 大溫差環(huán)境下的傳動系統(tǒng)設計

機械傳動部件準確的配合尺寸是其正常、高效運行的基礎。對于極地航行船舶，極地航區(qū)的環(huán)境溫度與其他航區(qū)的溫差可能達到數十度，因此在錨絞機的設計中必須考慮到高低溫對傳動系統(tǒng)的影響。

傳動系統(tǒng)設計的核心是公差與配合的選擇，而不同材料的熱膨脹系數存在一定差異，這就導致錨絞機在高低溫變化的環(huán)境下可能出現配合失效的風險。

圖5是錨絞機典型傳動系統(tǒng)示例。圖中包括軸-軸承、聯軸節(jié)等，這其中涉及“鋼-鋼”“鋼-銅”等不同熱膨脹系數的材料副，也包括間隙、過盈、過渡等3類配合關系。通過理論分析和小樣試驗結果可知：銅相對鋼的熱膨脹系數更大，因此對于以軸與軸承(鋼-銅)為代表的間隙配合，選擇較常規(guī)配合偏小的間隙公差帶；對于以軸承座與軸承(鋼-銅)為代表的過盈配合，選擇較常規(guī)更緊密的中等過盈公差帶；對于以軸與連軸節(jié)(鋼-鋼)為代表的過渡配合，在盡量選擇同一材質或類似材質的前提下不變。

圖5 錨絞機典型傳動系統(tǒng)

4 結 論

現階段，國際造船市場需求以高技術、高性能船舶為主導。為降低船舶的營運成本，提高船舶運輸的效率，開展極地船舶甲板機械系統(tǒng)設計開發(fā)勢在必行。

本文對極地航行船舶錨絞機設計過程中的要點進行了分析和討論，針對錨絞機自身的布局和結構特點，結合相關規(guī)范和原理性試驗，以經濟性、有效性為前提，歸納總結了材料選型清單，提出結構、機構、潤滑系統(tǒng)等關鍵系統(tǒng)防寒以及大溫差下的傳動系統(tǒng)公差配合選取等設計方案供廣大船舶設備設計工作者參考和討論，希望能為中國極地航運的發(fā)展提供一定幫助。