采用導(dǎo)纜孔代替滾柱導(dǎo)纜器的工藝研究

陳捷 盧曉翔

摘要：導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器均為常用系泊件，用于系泊纜繩的導(dǎo)向。導(dǎo)纜孔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置方便的特點(diǎn)，但對(duì)纜繩的磨損嚴(yán)重，故在大型船舶上采用不多;滾柱導(dǎo)纜器能夠?qū)⒒瑒?dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減少了摩擦阻力，對(duì)纜繩的損傷較小，但存在體積大、重量重和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，不便于維護(hù)。本文結(jié)合實(shí)船系泊布置，充分對(duì)比導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出解決方案，如在導(dǎo)纜孔內(nèi)表面增加墊片，減少摩擦系數(shù)，保護(hù)纜繩，并努力減少成本，使導(dǎo)纜孔代替滾柱導(dǎo)纜器切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)纜孔;滾柱導(dǎo)纜器;導(dǎo)纜孔墊片;聚合物;成本

中圖分類(lèi)號(hào)：U667.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Mooring holes and roller fairleads are common mooring parts used for guiding mooring lines. The mooring hole has the characteristics of simple structure and convenient arrangement， but because of the serious wear of the cable， it is not used in large ships. The roller fairlead can change sliding friction into rolling friction， reduce friction resistance， and damage to the cable is small， but it has the disadvantages of large volume， heavy weight and complex structure， and is not easy to maintain. Combined with the real ship mooring arrangement， this paper fully compares the characteristics of the mooring hole and the roller fairlead， and puts forward a solution， such as adding a gasket on the inner surface of the mooring hole to reduce the friction coefficient and protect the cable.， and work hard to reduce the costs， it is feasible to replace the roller fairlead with the mooring hole.

Key words： Mooring hole; Roller fairlead; Mooring hole gasket; Polymer; Cost

1前言

系泊系統(tǒng)是船舶舾裝設(shè)計(jì)的重要組成部分，應(yīng)合理地選用系泊設(shè)備和屬具，并將它們安裝在船舶恰當(dāng)?shù)奈恢靡宰罴训姆绞降挚垢鞣N外力。導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器都是纜繩導(dǎo)向裝置，在實(shí)船上兩種系泊屬具均有應(yīng)用。從功能上來(lái)講，二者區(qū)別不大;從成本上講，滾柱導(dǎo)纜器體積更大、重量更重、結(jié)構(gòu)零件更多、成本更高;從使用方面來(lái)看，滾柱導(dǎo)纜器的滾柱對(duì)纜繩的磨損較小，纜繩的壽命更長(zhǎng)，但日常維護(hù)工作較多。相比而言，導(dǎo)纜孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)系泊纜繩的磨損比較嚴(yán)重。如何提高導(dǎo)纜孔的競(jìng)爭(zhēng)力，需從降低導(dǎo)纜孔的摩擦系數(shù)著手，為此可以考慮在導(dǎo)纜孔內(nèi)壁增加墊片，并論證此項(xiàng)工藝的可行性，以最終實(shí)現(xiàn)在實(shí)船上推廣應(yīng)用。

2導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器的對(duì)比

下面從系泊布置、重量、價(jià)格、安裝、使用、設(shè)備維護(hù)、纜繩維護(hù)等多個(gè)方面對(duì)導(dǎo)纜孔及滾柱導(dǎo)纜器進(jìn)行對(duì)比：

2.1導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器標(biāo)準(zhǔn)

（1）導(dǎo)纜孔標(biāo)準(zhǔn)ISO 13729

分甲板式和舷墻式兩種，為圓形或橢圓形的鑄鋼件，是船舶停航過(guò)程中必不可少的導(dǎo)纜裝置，如圖1、圖2所示：

（2）滾柱導(dǎo)纜器標(biāo)準(zhǔn)ISO 13733

根據(jù)實(shí)際需求可以采用4滾柱、5滾柱甚至8滾柱的設(shè)計(jì);根據(jù)安裝形式，可分為甲板式和舷墻式，如圖3、圖4所示：

2.2系泊布置

以某大型集裝箱船艏艉系泊布置為例，我們做了滾柱導(dǎo)纜器和導(dǎo)纜孔的兩種方案，如圖5、圖6所示。在某些工況下，如船靠船操作時(shí)封閉式導(dǎo)纜孔更加適合，因?yàn)楫?dāng)兩艘船的干舷發(fā)生變化時(shí)，它們能有效地控制系泊纜繩，并且標(biāo)準(zhǔn)裝置的D/d比最大;而滾柱導(dǎo)纜器通常內(nèi)置于舷墻中，并設(shè)計(jì)為引導(dǎo)纜繩向下，在某些過(guò)駁期間可能會(huì)由于滾柱數(shù)量的不足使得引導(dǎo)纜繩向上，系泊纜繩就會(huì)與上部支撐結(jié)構(gòu)接觸產(chǎn)生磨損。

2.3重量及成本對(duì)比（表1）

2.4布置和安裝維護(hù)方面的對(duì)比（表2）

綜上可知，導(dǎo)纜孔對(duì)比滾柱導(dǎo)纜器在各方面都有一定的優(yōu)勢(shì)，唯獨(dú)在對(duì)纜繩的保護(hù)上不利，而且隨著銹蝕的發(fā)生對(duì)纜繩的磨損會(huì)加大。

3減少導(dǎo)纜孔對(duì)纜繩磨損的措施

從滾柱導(dǎo)纜器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，有研究者設(shè)計(jì)了內(nèi)置滾筒機(jī)構(gòu)的導(dǎo)纜孔，解決靜摩擦大的問(wèn)題，但復(fù)雜的軸承座機(jī)構(gòu)同樣存在維護(hù)保養(yǎng)方面的問(wèn)題。根據(jù)OCIMF系泊設(shè)備指南（MEG4）中“對(duì)于巴拿馬導(dǎo)纜孔來(lái)說(shuō)，鋼材需高度拋光，如很難達(dá)到要求，可以考慮安裝不銹鋼或聚合物內(nèi)襯?！彼晕覀兞肀偎悸罚岢鲈趯?dǎo)纜孔內(nèi)部增加不銹鋼或聚合物內(nèi)襯的工藝改進(jìn)，以達(dá)到降低摩擦，最終代替滾柱導(dǎo)纜器的目的。

對(duì)于越來(lái)越多的超大型船舶，為了限制她們?cè)诓次簧系囊苿?dòng)，剛度高彈性小的高模量HMPE纜繩具有明顯的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是鋼絲纜的可行替代品。但這類(lèi)纜繩對(duì)導(dǎo)纜孔內(nèi)表面的光滑度要求很高，故纜繩廠家大都推薦上述兩種墊片方案，以最大限度的減少摩擦損傷，延長(zhǎng)使用壽命。

3.1導(dǎo)纜孔內(nèi)部增加不銹鋼墊片

一般使用5mm不銹鋼板，用硬紙附在導(dǎo)纜孔內(nèi)表面進(jìn)行放樣，按紙板展開(kāi)尺寸下料。為保證焊接后不銹鋼板與導(dǎo)纜孔內(nèi)表面緊密貼合，提高導(dǎo)纜孔內(nèi)表面不銹鋼牢固度，需在不銹鋼板上開(kāi)塞焊孔，在導(dǎo)纜孔表面敲打貼合、焊接，最后進(jìn)行打磨，以保證導(dǎo)纜孔表面的光滑度，如圖7所示：

打磨光順的不銹鋼墊片表面摩擦系數(shù)要比原先的鑄鐵表面低很多，因此對(duì)纜繩的保護(hù)性提高，但放樣、開(kāi)孔、貼合、焊接、打磨各工序會(huì)消耗大量人工，據(jù)測(cè)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)纜孔不銹鋼墊片成本接近1.5萬(wàn)元。

3.2導(dǎo)纜孔內(nèi)部增加聚合物墊片

根據(jù)導(dǎo)纜孔外形尺寸加工模具，聚合物調(diào)制好倒模成型并打磨光順;安裝時(shí)一般做成兩片，中間用螺栓固定，如圖8所示;聚合物基耐磨復(fù)合材料，一般是以熱塑性或熱固性樹(shù)脂為基體，通過(guò)添加有機(jī)或無(wú)機(jī)的減摩組份以及抗磨增強(qiáng)組份而呈現(xiàn)出良好的耐磨性能，具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、成型方便、自潤(rùn)滑、消聲吸震等特性。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，大批高性能的聚合物已越來(lái)越多地應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。

聚合物的摩擦和金屬的摩擦存在本質(zhì)區(qū)別，即金屬具有彈性，而聚合物具有黏彈性。在對(duì)滑動(dòng)摩擦的機(jī)理分析中聚合物的摩擦特性常用粘著機(jī)理來(lái)進(jìn)行解釋，認(rèn)為柔軟的聚合物材料在摩擦過(guò)程中常會(huì)向?qū)δγ孓D(zhuǎn)移，這樣對(duì)任何材料、體系的最終摩擦總是趨向于聚合物和聚合物之間的摩擦。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明：高強(qiáng)度纜繩在導(dǎo)纜孔內(nèi)部經(jīng)過(guò)70次負(fù)載收放后，纜繩已明顯磨損，300次后斷裂;在滾柱導(dǎo)纜器內(nèi)經(jīng)過(guò)1650次負(fù)載收放后，纜繩發(fā)生明顯磨損;而在導(dǎo)纜孔內(nèi)部增加聚合物墊片后，經(jīng)過(guò)1650次負(fù)載收放，纜繩幾乎沒(méi)有明顯磨損。

該方案安裝過(guò)程簡(jiǎn)便，只需將兩片墊片合攏、螺栓固定好即可，后期如有損壞調(diào)換也相當(dāng)方便;經(jīng)濟(jì)性方面，由于開(kāi)發(fā)成本和模具制作等因素，一套進(jìn)口墊片的成本大約為3.5萬(wàn)元，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的類(lèi)似產(chǎn)品性能雖沒(méi)有進(jìn)口產(chǎn)品優(yōu)越，但成本可以降低到約1.8萬(wàn)元。此外，在選擇聚合物廠家時(shí)，需要特別關(guān)注搭配高分子量纜繩使用時(shí)某些聚合物襯墊會(huì)將熱量傳遞到纜繩中的問(wèn)題。

4各種導(dǎo)纜方案整體成本核算和對(duì)比

以某大型集裝箱船的艏艉系泊布置為例：艏舷墻位置滾柱導(dǎo)纜器10個(gè)（四滾柱8個(gè)+五滾柱2個(gè)），B型導(dǎo)纜孔5個(gè);艉甲板上滾柱導(dǎo)纜器12個(gè)（均為四滾柱），A型導(dǎo)纜孔7個(gè);纜繩的搭配為17套Φ80mm x 200m尼龍纜繩。各種導(dǎo)纜方案整體成本核算及對(duì)比，如表3所列：

從表3可知：采用導(dǎo)纜孔加聚合物墊片的方式，可以極大的節(jié)約纜繩成本，系泊屬具的成本也可節(jié)約33萬(wàn)元，在廠安裝工時(shí)的節(jié)省和營(yíng)運(yùn)保養(yǎng)方面帶來(lái)的便利還未計(jì)算在內(nèi)。

關(guān)于墊片的成本，船廠一般會(huì)以加帳方式向船東收取，因?yàn)閴|片的配置不是系泊布置的基本要求;而系泊安全和帶纜便利已經(jīng)越來(lái)越引起船東的重視，船東也愿意為此在前期進(jìn)行更多地投入。因此采用導(dǎo)纜孔加聚合物墊片代替滾柱導(dǎo)纜器的方案是完全可行的，并且是船廠、船東的雙贏項(xiàng)目，如果船東從成本考慮也可采用國(guó)產(chǎn)墊片替代。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)導(dǎo)纜孔和滾柱導(dǎo)纜器的比較，得出導(dǎo)纜孔在各方面都有優(yōu)勢(shì)，只是由于鑄鐵表面的滑動(dòng)摩擦和易銹對(duì)纜繩的保護(hù)不利。為了解決這一問(wèn)題，我們提出在導(dǎo)纜孔內(nèi)壁增加墊片的方式來(lái)降低摩擦，并通過(guò)分析不銹鋼墊片和聚合物墊片兩種不同的工藝方式，最終得出導(dǎo)纜孔加聚合物墊片代替滾柱導(dǎo)纜器的可行方案。

越來(lái)越多的船東已經(jīng)體會(huì)到聚合物墊片對(duì)纜繩保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，船廠可以在設(shè)計(jì)初期提出導(dǎo)纜孔加聚合物墊片代替滾柱導(dǎo)纜器的工藝改進(jìn)，使雙方達(dá)到一個(gè)共贏的狀態(tài)。

目前進(jìn)口聚合物墊片的成本還較高，需隨時(shí)關(guān)注市場(chǎng)上的國(guó)產(chǎn)替代品，也可相互合作推進(jìn)聚合物的研發(fā)，提高性能、降低成本、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外，非金屬材料在船舶上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，例如環(huán)氧墊片基本可以完全取代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)墊片，故也需研究推廣類(lèi)似新材料新工藝在船舶上的應(yīng)用。

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