65 t擴(kuò)展器牽引絞車(chē)設(shè)計(jì)

張勇勇，胡發(fā)國(guó)，潘 曉

（1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

物探船是海洋地球物理勘探的主要船舶設(shè)備之一，物探船通過(guò)擴(kuò)展器牽引絞車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展器的牽引和回收。我國(guó)進(jìn)入物探船技術(shù)領(lǐng)域的時(shí)間較短，研發(fā)力量比較弱[1]，物探船上擴(kuò)展器牽引絞車(chē)均為進(jìn)口設(shè)備，國(guó)產(chǎn)化需求迫切。目前，我國(guó)最先進(jìn)的物探船為2010年以來(lái)陸續(xù)建造的“海洋石油720”和“海洋石油721”等12纜物探船[2]，其擴(kuò)展器牽引絞車(chē)額定拉力為44 t。隨著物探作業(yè)向深海長(zhǎng)距離、多纜大面積勘探作業(yè)能力方向發(fā)展[3]，12纜物探船越來(lái)越不能滿足日益增長(zhǎng)的物探作業(yè)需求，18纜物探船的設(shè)計(jì)與建造已被提上日程。

因此，本文以18纜物探船作業(yè)需求為目標(biāo)，介紹額定拉力為65 t的擴(kuò)展器牽引絞車(chē)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為各型擴(kuò)展器牽引絞車(chē)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 組成與原理

目前的擴(kuò)展器牽引絞車(chē)均采用電液驅(qū)動(dòng)形式，由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，其設(shè)備采用高壓油電液驅(qū)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主泵提供馬達(dá)和制動(dòng)器動(dòng)力，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，通過(guò)齒輪副帶動(dòng)滾筒動(dòng)作，進(jìn)行擴(kuò)展器的牽引和回收動(dòng)作，其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 擴(kuò)展器牽引絞車(chē)技術(shù)原理圖

擴(kuò)展器牽引絞車(chē)由于單支架組件I、II，滾筒組件，馬達(dá)小齒輪組件，制動(dòng)器組件組成。單支架組件I、II為獨(dú)立結(jié)構(gòu)；6組馬達(dá)+行星減速機(jī)+小齒輪為懸臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)行星減速機(jī)法蘭鎖緊在單支架組件II上，小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)齒圈嚙合，回轉(zhuǎn)支撐的外圈通過(guò)48個(gè)M30的螺栓鎖緊在單支架組件II上，內(nèi)圈通過(guò)48個(gè)M30的螺栓鎖緊在滾筒上。

擴(kuò)展器牽引絞車(chē)設(shè)置有帶式液壓制動(dòng)器，制動(dòng)器采用彈簧液壓油缸驅(qū)動(dòng)，彈簧提供制動(dòng)力，液壓油驅(qū)動(dòng)油缸打開(kāi)剎車(chē)。卷筒另一側(cè)安裝有滾筒軸承，裝設(shè)在單支架組件I的軸承座內(nèi)。在單支架組件I側(cè)設(shè)有增量型編碼器，用于測(cè)量收放纜速度和纜繩長(zhǎng)度。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 擴(kuò)展器牽引絞車(chē)結(jié)構(gòu)原理

擴(kuò)展器牽引絞車(chē)含一個(gè)卷筒，由6臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)，減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)小齒輪，小齒輪通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)卷筒組件中的回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)纜繩收放。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

為滿足18纜物探船的作業(yè)需求，擴(kuò)展器牽引絞車(chē)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 擴(kuò)展器牽引絞車(chē)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）單支架組I

單支架組件I由單支架I、調(diào)整墊片、焊接墊片和封板組成。單支架I為結(jié)構(gòu)件，主要由鋼板和鍛件等拼接而成，主要承載卷筒收放纜繩和制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的載荷。結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 單支架I結(jié)構(gòu)圖

單支架I與卷筒軸承和端蓋鏈接，底部通過(guò)焊縫與船體連接，軸承座上設(shè)有潤(rùn)滑油孔，便于軸承的潤(rùn)滑。

2）卷筒組件

卷筒組件由卷筒體、回轉(zhuǎn)支承、軸承、編碼器和端蓋等組成。如圖4所示。

圖4 卷筒組件主視圖示意

卷筒體為結(jié)構(gòu)件，由鋼板拼焊而成。卷筒體由厚度為50 mm的E420鍛件，為增加側(cè)板強(qiáng)度和剛度，側(cè)板做成了箱形結(jié)構(gòu)。剎車(chē)輪緣由41 mm鋼板卷制而成，回轉(zhuǎn)環(huán)采用鍛件加工而成，芯軸采用鍛件。軸承選用調(diào)心滾子軸承，編碼器采用增量型編碼器。

芯軸通過(guò)調(diào)心滾子軸承支撐在單支架Ⅰ上，回轉(zhuǎn)環(huán)通過(guò)螺栓與回轉(zhuǎn)支承連接，繼而連接在單支架Ⅱ上，從而實(shí)現(xiàn)卷筒的徑向支撐。

回轉(zhuǎn)支承采用內(nèi)嚙合漸開(kāi)線圓柱齒輪與減速機(jī)的小齒輪嚙合?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)齒輪模數(shù)18，齒數(shù)101，齒寬90 mm。

回轉(zhuǎn)支承定環(huán)與單支架Ⅱ通過(guò)螺栓連接，回轉(zhuǎn)支承動(dòng)環(huán)通過(guò)螺栓與卷筒回轉(zhuǎn)環(huán)連接?；剞D(zhuǎn)支承定環(huán)與動(dòng)環(huán)之間采用滾子軸承支撐，回轉(zhuǎn)支承上設(shè)計(jì)有潤(rùn)滑油槽和注油嘴用于給回轉(zhuǎn)支承軸承潤(rùn)滑。

3）馬達(dá)小齒輪組件

馬達(dá)小齒輪組件由液壓馬達(dá)、減速機(jī)、小齒輪及緊固件組成。如圖5所示。

圖5 馬達(dá)小齒輪組件示意圖

液壓馬達(dá)選用雙速?gòu)较蛑R達(dá)，型號(hào)Italgroup公司IAC800H4。液壓馬達(dá)通過(guò)法蘭及螺栓與減速機(jī)連接，馬達(dá)軸通過(guò)花鍵與減速機(jī)內(nèi)花鍵相連。

減速機(jī)選用回轉(zhuǎn)減速機(jī)，減速比14，二級(jí)減速，需求動(dòng)態(tài)輸出扭矩2.79×104N·m?；剞D(zhuǎn)減速機(jī)輸出軸帶漸開(kāi)線圓柱小齒輪，齒輪模數(shù)18，齒數(shù)21，齒寬100 mm。減速機(jī)通過(guò)法蘭及螺栓連接在單支架I上。

4）剎車(chē)組件

帶式剎車(chē)組件主要由剎車(chē)帶1、剎車(chē)帶2、剎車(chē)片1、剎車(chē)片2、剎車(chē)上支撐組件、調(diào)節(jié)螺桿組件、銷、三角桿、壓桿、液壓油缸和接近開(kāi)關(guān)組件等組成。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

帶式制動(dòng)器規(guī)格為Φ2 700 mm×230 mm。剎車(chē)帶1和剎車(chē)帶2為結(jié)構(gòu)件，主要材料采用Q355E彎制焊接而成。剎車(chē)片1和剎車(chē)片2采用無(wú)石棉，螺

表4 卷筒受力計(jì)算結(jié)果

圖9 工況7卷筒組件應(yīng)力云圖

圖9 工況7卷筒組件應(yīng)力云圖（續(xù)）

圖10 工況7卷筒應(yīng)變?cè)茍D

表5 單支架工況

表6 單支架受力計(jì)算結(jié)果

圖11 工況4單支架組件I應(yīng)力云圖

圖12 工況5單支架組件II應(yīng)力云圖

圖13 工況5單支架組件應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)計(jì)算分析，單支架組件I和單支架組件II的應(yīng)力和應(yīng)變均在許用安全范圍以內(nèi)，設(shè)計(jì)可以滿足使用要求。

4 結(jié)論

擴(kuò)展器牽引絞車(chē)是物探船的關(guān)鍵設(shè)備，本文以18纜物探船所配置的65 t擴(kuò)展器牽引絞車(chē)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，總結(jié)如下：

1）對(duì)擴(kuò)展器牽引絞車(chē)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了說(shuō)明。

2）對(duì)65 t擴(kuò)展器牽引絞車(chē)的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，擴(kuò)展器牽引絞車(chē)由擴(kuò)展器牽引絞車(chē)由于單支架組件I、II，滾筒組件，馬達(dá)小齒輪組件，制動(dòng)器組件組成。卷筒體材料為E420，單支架，制動(dòng)器，筋板等材料為Q345E。

3）65 t擴(kuò)展器牽引絞車(chē)卷筒共8種計(jì)算工況，卷筒的最大應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生在工況7，筒體最大應(yīng)力為186.17 MPa，筋板最大應(yīng)力為144.64 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.87 m，均在許用范圍內(nèi)。

4）65 t擴(kuò)展器牽引絞車(chē)單支架組件共6種計(jì)算工況，單支架組件I最大應(yīng)力發(fā)生在工況4，應(yīng)力為224 MPa；單支架組件II最大應(yīng)力發(fā)生在工況5，應(yīng)力為156 Pa；最大應(yīng)變發(fā)生在工況5，最大應(yīng)變?yōu)?.93 mm，均在許用范圍內(nèi)。