水下掣鏈器關(guān)鍵技術(shù)

白 宗，盛景喬，胡發(fā)國，李邦輝，鄭曉勛，張勇勇

（1. 武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2. 招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

掣鏈器是船舶錨泊裝置中的重要組成設(shè)備[1]，一般布置在錨機與錨鏈筒的甲板上，用于拋錨后或者船舶航行時夾持錨鏈。傳統(tǒng)的掣鏈器通常采用手動方式打開或關(guān)閉閘刀，這種掣鏈器結(jié)構(gòu)簡單，但安全性較差，尤其是風(fēng)浪較大的時候。

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，行業(yè)對掣鏈器的自動化程度的要求越來越高，應(yīng)用工況也越來越復(fù)雜。目前，國外有知名甲板機械企業(yè)（如：麥基嘉(中國)貿(mào)易有限公司），而國內(nèi)水下掣鏈器相關(guān)設(shè)計及應(yīng)用卻寥寥無幾。本文設(shè)計了一種安裝在半潛船上的掣鏈器，該掣鏈器可根據(jù)半潛船的潛水狀態(tài)進(jìn)行水上或水下自動止鏈，無需操作人員在掣鏈器旁進(jìn)行手動操作，提高了掣鏈器操作的安全性。

1 設(shè)計輸入要求

本文所述掣鏈器安裝在半潛工作船，掣鏈器安裝在船首開放甲板上，掣鏈器夾持的錨鏈直徑為132 mm，型號為AM3級肯特鏈。當(dāng)船舶航行時或非下潛作業(yè)時，掣鏈器處于海平面以上；當(dāng)船舶下潛作業(yè)時，掣鏈器完全浸泡在海水中，船舶最大下潛深度為30m。

在艏部甲板左右各設(shè)置1套掣鏈器，用于止鏈和掣鏈。該掣鏈器包括閘刀式掣鏈器、液壓系統(tǒng)及電器控制系統(tǒng)。掣鏈器具備遠(yuǎn)程和本地操作功能，可在CCTV系統(tǒng)的配合下實現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)，也可以通過本地控制箱實現(xiàn)就地止鏈或掣鏈作業(yè)。

1.1 環(huán)境要求

掣鏈器安裝在開放的甲板面上，應(yīng)考慮海水腐蝕、泥沙淤積和干濕變化對設(shè)備的影響。根據(jù)全球營運范圍內(nèi)的海水和溫度條件進(jìn)行設(shè)計。掣鏈器安裝在甲板表面，環(huán)境條件見表1。

表1 機艙主要設(shè)備環(huán)境條件

工作中，機艙內(nèi)的溫度下限為5℃。

結(jié)構(gòu)設(shè)計溫度按?15℃設(shè)計，滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2019年修改版）對低溫區(qū)域航行船舶的要求[2]。

1.2 工況要求

本文所涉及掣鏈器主要用于船舶在錨地錨泊時的止鏈工況及航行時的掣鏈工況。

2 總體設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文通過分析掣鏈器的工作環(huán)境及使用工況，研究掣鏈器的受力特性和掣鏈器的閘刀開合方式，掣鏈器的結(jié)構(gòu)形式如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 掣鏈器結(jié)構(gòu)圖

掣鏈器主要由掣鏈器體、滾輪、滾輪襯套、滾輪軸、張緊油缸、推動銷、閘刀架、閘刀油缸、左閘刀、右閘刀和插銷油缸等組成，主要用于錨泊工況止鏈或航行工況掣鏈。當(dāng)船舶需要錨泊時，錨機將錨鏈張緊，掣鏈器掣鏈松開，掣鏈器閘刀打開，掣鏈器插銷合上，錨機進(jìn)行放錨拋錨作業(yè)；拋錨作業(yè)完成后，掣鏈器插銷打開，掣鏈器的閘刀關(guān)閉將錨鏈卡住。當(dāng)錨泊作業(yè)完成后，錨機將錨鏈張緊，掣鏈器閘刀打開，掣鏈器插銷合上；在錨機進(jìn)行收錨作業(yè)的過程中，當(dāng)錨與錨穴接觸時，掣鏈器插銷打開，掣鏈器閘刀關(guān)閉，錨機操作手柄回中位，掣鏈器掣鏈張緊。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

該掣鏈器液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)[3]，見圖2。該液壓系統(tǒng)的泵站采用1用1備的形式，液壓油箱設(shè)置低液位報警、濾器堵塞報警、高油溫報警及低壓力報警等安全報警功能。當(dāng)掣鏈器工作時，泵站起動給掣鏈器對應(yīng)的液壓油缸供油從而控制對應(yīng)的結(jié)構(gòu)運動。由于掣鏈器全部浸泡在海水中，設(shè)備上液壓油缸及對應(yīng)的管路也浸泡在海水中，因此所選用的液壓油缸及管路需滿足水下30 m浸泡的工況。

圖2 掣鏈器液壓系統(tǒng)原理圖

2.3 電器系統(tǒng)設(shè)計

該掣鏈器的控制方式主要為本地控制和遙控控制。其中，本地控制在機旁控制臺上實現(xiàn)，主要包含報警、泵站起動/停止、閘刀開/合、插銷開/合和掣鏈張緊/松弛等操作功能。遙控控制在集中控制臺實現(xiàn)，也包含報警、泵站起動/停止、閘刀開/合、插銷開/合及掣鏈張緊/松弛等操作功能。由于該掣鏈器的油缸均配備位移傳感器，通過檢測油缸運動位移來判定設(shè)備的動作狀態(tài)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水下自動止鏈技術(shù)

本論文設(shè)計的掣鏈器可實現(xiàn)水上和水下的自動止鏈。當(dāng)需要遠(yuǎn)程操作掣鏈器進(jìn)行止鏈或者水下止鏈時，操作人員無法到達(dá)掣鏈器旁觀察錨鏈所處的位置，因此需要在無人觀察的情況下進(jìn)行止鏈。本文通過檢測錨鏈長度來判斷是否可以進(jìn)行止鏈動作。當(dāng)按下閘刀合時，通過閘刀油缸位移傳感器檢測油缸是否運動到位來判斷閘刀是否合上，從而實現(xiàn)自動止鏈功能。

3.2 自動掣鏈技術(shù)

當(dāng)船舶在航行工況時，需保證錨爪與錨唇緊密貼合，否則貓爪會撞擊錨唇損傷船體[4]。本文在掣鏈器左右側(cè)各布置1個張緊油缸，該張緊油缸為彈簧油缸，彈簧布置在無桿腔。船舶航行等非錨泊狀態(tài)下，張緊油缸活塞桿伸出，推動閘刀架向錨鏈輪方向移動收緊錨鏈，即保證錨鏈上張緊力大于錨和掣鏈器與錨之間錨鏈的重量之和，使錨爪與錨唇緊密貼合。

3.3 自動潤滑及密封設(shè)計技術(shù)

本文設(shè)計的掣鏈器的作業(yè)工況分為水上和水下2種，各轉(zhuǎn)動點的潤滑及密封設(shè)計如下：

1）滾輪軸處的潤滑

滾輪軸為不銹鋼材料，滾輪軸兩端用軸端卡板固定。襯套為銅合金材料，冷套安裝在滾輪內(nèi)孔上。根據(jù)迷宮密封的設(shè)計原理，在襯套徑向方向上設(shè)計迷宮槽，同時安裝氈圈。該密封結(jié)構(gòu)主要用以防止?jié)櫥瑵B漏及泥沙進(jìn)入襯套與滾輪軸間的間隙。當(dāng)掣鏈器在水面上時，集中潤滑系統(tǒng)往滾輪軸處注入潤滑脂，直到注滿；當(dāng)掣鏈器在水下時，會有海水浸入到軸瓦與滾輪軸間的間隙，但并不影響設(shè)備的運轉(zhuǎn)。同時，該潤滑脂為可降解生物油脂，不會對環(huán)境造成污染。

2）推動銷處的潤滑設(shè)計

掣鏈器體左右兩側(cè)各布置1個張緊油缸，通過張緊油缸帶動推動銷控制閘刀架的前后移動。推動銷上軸承為水潤滑軸承，滿足設(shè)備水上/水下使用工況。推動銷與水潤滑軸承接觸的部位采用不銹鋼材料，隔套也使用不銹鋼材料。

3）轉(zhuǎn)動銷處的潤滑設(shè)計

本文的閘刀轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)采用翻轉(zhuǎn)油缸控制閘刀的轉(zhuǎn)動。翻轉(zhuǎn)油缸耳環(huán)兩端內(nèi)置水潤滑軸承；油缸兩端連接銷軸處均采用不銹鋼材料；閘刀轉(zhuǎn)動軸采用不銹鋼材料；閘刀耳板內(nèi)置水潤滑軸承。

3.4 防腐蝕設(shè)計技術(shù)

當(dāng)半潛船下潛時，掣鏈器完全放置在海水中，這需要考慮機構(gòu)的防腐問題。本文主要從2個方面進(jìn)行設(shè)計：1）材料選型上，需要考慮耐海水腐蝕材料；2）非耐海水材料采用噴涂防腐油漆加犧牲陽極的方式進(jìn)行舾裝。

對于掣鏈器體等結(jié)構(gòu)件，噴涂耐海水油漆并安裝防腐鋅塊。所有轉(zhuǎn)動部位銷軸均采用不銹鋼材料，以防海水腐蝕。螺栓螺母均采用A4-70材質(zhì)，裸露螺栓孔采用硅膠泥進(jìn)行包裹，貼合面采用涂密封膠等方式以防海水腐蝕。

4 結(jié)論

根據(jù)半潛船的作業(yè)需求及功能需求，結(jié)合掣鏈器的使用環(huán)境及作業(yè)工況，確定水下掣鏈器的主要結(jié)構(gòu)形式，成功將水下自動止鏈技術(shù)、自動掣鏈技術(shù)、自動潤滑及密封及防腐蝕設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計中，并通過工程實踐驗證了該掣鏈器的性能。本文對掣鏈器研究填補了我國掣鏈器水下止鏈及掣鏈技術(shù)的空白，采用的先進(jìn)技術(shù)確保了掣鏈器的可靠性與先進(jìn)性，為甲板設(shè)備的智能化及自動化提供了技術(shù)支撐。