工程船用航行錨兼定位錨絞車設(shè)計(jì)

史紹明 王政凱

【摘 要】定位錨絞車與航行錨絞車是工程船作業(yè)能力的重要保證，為節(jié)省甲板空間，將兩者功能集成，設(shè)計(jì)一種新型航行錨兼定位錨絞車。本文以某10000t舉力半潛駁為例，將航行錨機(jī)整合到移船絞車上，主要從總體方案設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)分析與優(yōu)化、制動器受力部件校核三個(gè)方面對其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。絞車改制后，整機(jī)動力不變，甲板使用面積下降20%，整機(jī)重量下降30%，省去錨鏈艙，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】工程船;海洋工程作業(yè);航行錨絞車;定位錨絞車;支持負(fù)載

1 引言

近年來，我國造船業(yè)發(fā)展迅速，訂單量多年穩(wěn)居世界前列，我國已發(fā)展成為公認(rèn)的造船大國。然而，我國造船業(yè)面臨大而不強(qiáng)的問題，相關(guān)船舶配套業(yè)的發(fā)展仍較為滯后。錨絞機(jī)作為一種典型的船舶配套設(shè)備，對于船舶或平臺的穩(wěn)定與航行安全至關(guān)重要[1]。盡管錨絞機(jī)已經(jīng)較為成熟，但為順應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)專業(yè)化和市場快速反應(yīng)的形勢，仍然需要進(jìn)一步的發(fā)展。

近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對錨絞機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些研究，內(nèi)容主要集中在結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、振動噪聲分析與控制和輕量化技術(shù)等方面。胡甫才等（2007）針對錨絞機(jī)滾筒進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究，為滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[2]。李兆元（2010）從載荷計(jì)算方法入手對絞纜筒的有限元分析進(jìn)行了研究[3]。潘良高等（2014）對錨絞機(jī)焊接基座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，探討了其載荷計(jì)算方法和應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的加載方法[4]。酈羽等（2015）研究了采用Patran/Nastran軟件對錨絞機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析的方法[5]。史陽陽（2016）基于剛?cè)狁詈夏Ｐ头治?，對錨絞機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)測試進(jìn)行了驗(yàn)證[6]。陸衛(wèi)衛(wèi)（2015）針對錨鏈輪與錨鏈的沖擊與噪聲和配套液壓系統(tǒng)的噪聲，通過理論分析和仿真計(jì)算，研究了錨絞機(jī)減振降噪的方法[7]。周仕進(jìn)（2016）又針對減速箱等主要部件進(jìn)行了錨絞機(jī)振動噪聲控制的研究[8]。

根據(jù)功能不同，錨絞車可以分為定位錨絞車和航行錨絞車等。定位錨絞車與航行錨絞車最本質(zhì)的區(qū)別是兩者之間的支持負(fù)載不同。本文設(shè)計(jì)了一種用于海洋工程作業(yè)船的兼航行錨定位錨絞車，即具有航行錨絞車功能的定位錨絞車。本文主要從總體方案設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)分析與優(yōu)化和制動器受力部件校核三方面對其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

2 總體方案設(shè)計(jì)

定位錨絞車與航行錨絞車最根本的區(qū)別在于兩者之間的支持負(fù)載不同。以某10000t舉力半潛駁為例，該船采用四點(diǎn)移船功能，即在船艏、艉部左右舷各設(shè)置一臺移船絞車（定位錨絞車），在船艏左、右舷和艉部右舷設(shè)置錨機(jī)（航行錨絞車）?？紤]甲板布置因素及兩種設(shè)備作業(yè)工況（錨機(jī)作業(yè)和移船作業(yè)不可能同時(shí)進(jìn)行），將錨機(jī)整合到移船絞車上，即這三臺設(shè)備配置一只錨鏈輪、一只定位卷筒、一只系泊卷筒（見圖1），另一臺移船絞車設(shè)置一只定位卷筒、一只系泊卷筒（見圖2）。

移船絞車和錨機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。錨機(jī)的起錨支持負(fù)載為1935kN，過載拉力411.5KN。移船絞車的主卷筒支持負(fù)載為1000kN。

本文設(shè)計(jì)了一種兼航行錨定位錨絞機(jī)，即使用移船絞車同時(shí)實(shí)現(xiàn)錨機(jī)的功能。由于錨機(jī)和移船絞車的技術(shù)參數(shù)的差異，用移船絞車兼航行錨絞車，移船絞車的參數(shù)就要滿足和替代錨機(jī)的參數(shù)。

φ76錨機(jī)在船上最主要的作用是抗風(fēng)，支持負(fù)載是其核心功能，考慮參數(shù)中1935kN的支持負(fù)載是船上裝配有掣鏈器的因素，移船絞車替代后按錨鏈破斷負(fù)載的80%折算，支持負(fù)載應(yīng)為3440kN。另錨機(jī)過載拉力411.5kN是用于起錨工況，考慮定位錨絞車通常采用大抓力錨，有起錨艇幫助起錨，因此重點(diǎn)考慮船舶移船定位要求按照移船絞車的參數(shù)，鋼絲繩按支持負(fù)載是破斷負(fù)載的80%的原則選用，鋼索直徑為70mm。根據(jù)以上分析，新設(shè)計(jì)的兼航行錨定位錨絞車的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3 主要技術(shù)參數(shù)分析與優(yōu)化

與普通定位錨絞車相比，兼航行錨定位錨絞車在功率消耗方面基本相當(dāng)，主要是支持負(fù)載由1000kN調(diào)整為3400kN，鋼絲繩直徑由46mm調(diào)整為70mm，另外還減少了一只錨鏈輪。原來結(jié)構(gòu)為兩只調(diào)整馬達(dá)驅(qū)動行星減速機(jī)驅(qū)動開式齒輪帶動主軸工作，主軸上卷筒和錨鏈輪離合器離合使錨鏈輪或卷筒完成收放動作，考慮絞車受靜拉力很大，將卷筒與軸設(shè)計(jì)為一體，在卷筒法蘭上安裝齒圈，離合器安裝小齒輪端，系泊卷筒與小齒輪同軸（見圖3）。其中卷筒與軸設(shè)為一體是大型拖纜機(jī)通用結(jié)構(gòu)，由于鋼絲繩變化，絞車主卷筒外形幾何尺寸調(diào)整：卷筒直徑由1000mm調(diào)整為1150mm，卷筒寬度由1195mm調(diào)整為1560mm，法蘭直徑由1800mm調(diào)整為2100mm，制動器輪轂直徑由1760mm調(diào)整為2000mm。

絞車調(diào)整后動力單元基本不變，支持負(fù)載由1000kN調(diào)整為3400kN，制動器要重新設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對制動器的主要受力件進(jìn)行計(jì)算。

4 制動器主要受力件計(jì)算

制動器結(jié)構(gòu)為液壓制動油缸帶動杠桿板帶動松邊拉板使制動器工作（見附圖4）。

制動鋼帶、緊邊拉板材料采用HG785-D，其屈服強(qiáng)度σs為690MPa;銷軸材料為40Cr，其屈服強(qiáng)度σs=540MPa。制動器主要受力件計(jì)算校核過程如下。

根據(jù)以上計(jì)算和校核，制動器中的制動鋼帶、緊邊拉板和銷軸等主要受力件的強(qiáng)度均滿足要求。

5 結(jié)論

兼航行錨定位錨絞車最大的特點(diǎn)在于航行錨支持負(fù)載主要由掣鏈器承擔(dān)，對絞車的制動器及座架能力大幅提高。絞車改制后，將移船卷筒與軸設(shè)計(jì)為一體，用一級開式齒輪將移船卷筒從整體結(jié)構(gòu)中分離出來，便于對移船卷筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)。制動帶分為兩路，保證了制動帶與制動輪轂的接觸面，提高了制動器的可靠性。改制后整機(jī)動力沒有改變，甲板使用面積下降了20%，整機(jī)重量下降了30%，省去了錨鏈艙，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

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（作者單位：中交二航局第二工程有限公司）