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(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

深海鋪管船收放絞車(abandonment & recovery winch,A&R)是深海應(yīng)用領(lǐng)域的主要設(shè)備之一，用于在深水或超深水鋪管船上對(duì)海底鋼絲繩、管道、電纜等進(jìn)行收放作業(yè)。A&R絞車在國(guó)外屬于成熟產(chǎn)品，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)廠家能自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)。由于深海作業(yè)水深可超2 000 m，深海A&R絞車需具備大張力、容繩量大、鋼絲繩直徑大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的單卷筒多層纏繞絞車在大張力的條件下，會(huì)出現(xiàn)里層鋼絲繩被壓潰的情況，不再適用。通常的做法是采用牽引絞車和儲(chǔ)纜絞車(圖1為A&R絞車工作情況)配合使用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用，牽引絞車承受鋼絲繩的大張力并收放鋼絲繩，儲(chǔ)纜絞車則儲(chǔ)存鋼絲繩并提供必要的張力以保證牽引絞車的運(yùn)行,還需要補(bǔ)償裝置及改向滑輪等附件協(xié)助工作[1]。

圖1 A&R絞車工作情況

隨著國(guó)家海洋油氣資源的不斷深入開(kāi)發(fā)，深水鋪管船的市場(chǎng)需求量日益增多，其中A&R絞車作為深水鋪管船的重要配套設(shè)備同樣具有廣闊的市場(chǎng)前景。本文以振華重工600 t深海A&R絞車的研發(fā)為例，對(duì)牽引絞車的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

1 原理、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成介紹

1.1 原理和工作過(guò)程

牽引絞車是摩擦傳動(dòng)裝置。通過(guò)保持足夠的接觸弧度(夾角),適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)和保持儲(chǔ)纜筒的張力，鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)將使?fàn)恳硗驳倪\(yùn)作受到控制。牽引絞車工作時(shí)負(fù)載特別大，鋼絲繩通過(guò)牽引絞車卷筒(雙動(dòng)力卷筒)，雙動(dòng)力卷筒與鋼絲繩之間的摩擦力吸收了大部分的鋼絲繩張力，使鋼絲繩進(jìn)出口之間的拉力驟減，為儲(chǔ)纜絞車的卷筒提供穩(wěn)定的工作條件，使鋼絲繩纏繞到儲(chǔ)纜卷筒上時(shí)的張力值保持在一個(gè)穩(wěn)定的、較小的范圍內(nèi)，從而有效地保護(hù)了鋼絲繩不被壓潰。

1.2 參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

額定拉力 5 880 kN;

額定線速度 25 m/min(最大張力);

輕載荷拉力 2 940 kN;

最大速度 50 m/min(輕載);

設(shè)計(jì)壽命 3 200 h(T4-L2-M4)。

本項(xiàng)目采用變頻電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，絞車由電動(dòng)機(jī)、行星減速機(jī)(自帶制動(dòng)器)、開(kāi)式齒輪副、雙卷筒及機(jī)架等組成，見(jiàn)圖2。

圖2 牽引絞車總布置示意

牽引絞車外形龐大，振華重工自主研發(fā)的牽引絞車長(zhǎng)×寬×高為9.8 m×7.0 m×4.5 m。

2 設(shè)計(jì)和分析

2.1 絞車功率的計(jì)算及動(dòng)力布置

鋼絲繩纏繞見(jiàn)圖3。

圖3 鋼絲繩纏繞示意

每個(gè)卷筒設(shè)有6個(gè)繩槽。儲(chǔ)纜側(cè)卷筒記作S,則卷筒S入繩端鋼絲繩張力分別記為Fse1、Fse2、Fse3、Fse4、Fse5、Fse6，出繩端鋼絲繩張力分別記為Fso1、Fso2、Fso3、Fso4、Fso5、Fso6；牽引側(cè)卷筒記作T，則卷筒T出繩端鋼絲繩張力分別記為Fto1、Fto2、Fto3、Fto4、Fto5、Fto6，卷筒T入繩端鋼絲繩張力分別等于卷筒S出繩端鋼絲繩張力, 卷筒提供牽引力的大小由摩擦系數(shù)和接觸弧度(夾角)決定，與卷筒的直徑無(wú)關(guān)[2],由歐拉公式

F2=F1/eμα

式中：F1——高張力端張力；

F2——低張力端張力；

μ——摩擦系數(shù),0.1(保守計(jì)算，實(shí)際摩擦系數(shù)大于該值)；

α——鋼絲繩在卷筒上的包角3.14 rad。

分別計(jì)算出卷筒S和卷筒T上鋼絲繩的張力，卷筒S上張力的差值ΔFsi=Fsei-Fsoi，差值之和為

…+(Fse6-Fso6)=3 320 kN

卷筒T上張力的差值ΔFti=Fsoi-Ftoi，差值之和為

(Fso6-Fto6)=2 425 kN

式中：Fse2=Fto1,Fse3=Fto2,Fse4=Fto3,Fse5=Fto4,Fse6=Fto5；

Fse1——絞車的負(fù)載拉力,5 880 kN。

卷筒S所需驅(qū)動(dòng)功率Ps為

卷筒T所需驅(qū)動(dòng)功率Pt為

式中：v——重載最大線速度,25 m/min；

η——傳動(dòng)總效率,0.88。

綜合考慮，單個(gè)卷筒驅(qū)動(dòng)功率取1 600 kW，考慮到傳動(dòng)齒輪副、減速箱的傳動(dòng)能力及牽引絞車總體外形尺寸等因數(shù)，設(shè)計(jì)采用4個(gè)變頻電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了絞車全程運(yùn)行過(guò)程的無(wú)極調(diào)速，作業(yè)穩(wěn)定無(wú)沖擊。另外此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)還有絞車整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、單個(gè)傳動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)工作安全可靠性程度高等。

2.2 減速箱(自帶制動(dòng)器)選型設(shè)計(jì)

需優(yōu)先考慮節(jié)省空間，故選擇自帶制動(dòng)器的行星減速箱，此結(jié)構(gòu)可省去單獨(dú)聯(lián)軸節(jié)及制動(dòng)器，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔，減速箱速比初步選μ1=70.59。

單個(gè)減速箱傳遞轉(zhuǎn)矩T1為

T1=9 549×P單/n1≈2 564N·m

式中：P單——單個(gè)電機(jī)功率,400 kW；

n1——電機(jī)轉(zhuǎn)速,1 948 r/min。

動(dòng)器制動(dòng)力T2計(jì)算(安全系數(shù)取s=1.5)：

T2=T1×s=3 846 N·m

2.3 絞車齒輪副設(shè)計(jì)

牽引絞車的兩個(gè)卷筒分別有一對(duì)開(kāi)式齒輪，小齒輪材料為42CrMo,大齒輪材料為35CrMo。經(jīng)初步計(jì)算選取各項(xiàng)參數(shù)：齒輪模數(shù)m=32 mm；大齒輪齒數(shù)z1=95 mm；小齒輪齒數(shù)z2=13 mm；大齒輪分度圓直徑d1=3 040 mm；小齒輪分度圓直徑d2=416 mm；大齒輪齒寬b1=320 mm；小齒輪齒寬b2=350 mm；齒輪傳功比μ2=95/13=7.307；齒輪副給定中心距D變=1 735 mm，大齒輪變位系數(shù)為0，小齒輪變?yōu)橄禂?shù)為0.222,合理選取各系數(shù)，經(jīng)計(jì)算校核齒輪齒面接觸強(qiáng)度、齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度等都滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.4 絞車卷筒設(shè)計(jì)

2.4.1 卷筒的布置

兩個(gè)卷筒各有獨(dú)立的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，確保兩個(gè)卷筒具有相同的線速度，不會(huì)因速度不同而導(dǎo)致的鋼絲繩在其中一個(gè)卷筒上打滑。如果摩擦力足夠大，鋼絲繩則難以打滑，從而因鋼絲繩的張力急劇增大導(dǎo)致拉斷鋼絲繩或損壞卷筒主軸。

如果卷筒上的繩槽錯(cuò)開(kāi)半個(gè)節(jié)距來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼絲繩從一個(gè)卷筒繩槽過(guò)渡到另一個(gè)卷筒繩槽，鋼絲繩會(huì)受繩槽邊緣的切割而加劇磨損，還會(huì)急劇彎曲，導(dǎo)致鋼絲繩脫離卷筒繩槽并且發(fā)生扭曲。

鑒于以上問(wèn)題，通過(guò)卷筒間相對(duì)的傾斜布置，使得鋼絲繩在任一卷筒上從入繩點(diǎn)到出繩點(diǎn)的半圈內(nèi)平順過(guò)渡到下一圈。具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 卷筒繩槽布置示意

卷筒繩槽間的傾斜夾角β(見(jiàn)圖5)為

式中：p——鋼絲繩節(jié)距,160 mm；

d——鋼絲繩直徑,152 mm；

D——卷筒底徑,2 600 mm。

圖5 兩卷筒繩槽傾斜夾角

2.4.2 卷筒底徑公差

卷筒繩槽底徑的設(shè)計(jì)需要保證鋼絲繩與卷筒的接觸始終處于靜摩擦狀態(tài)。在鋼絲繩處于受力情況下時(shí)，鋼絲繩勢(shì)必要發(fā)生形變。纏繞在卷筒上的每段鋼絲繩所承受的拉力不一致，從而使得每段鋼絲繩的變形量不一致。鋼絲繩所受拉力越大，其變形量越大。鋼絲繩變形會(huì)使得鋼絲繩出現(xiàn)打滑，鋼絲繩上的張力不再符合歐拉公式，繼而導(dǎo)致卷筒軸受力出現(xiàn)急劇變大的情況。

因此卷筒底徑必須從牽引側(cè)開(kāi)始逐級(jí)增大，來(lái)彌補(bǔ)由于鋼絲繩變形帶來(lái)的松弛量。鋼絲繩在受到張力時(shí)發(fā)生彈性變形，前一級(jí)大于后一級(jí)，設(shè)為ΔD，由虎克定律ΔL=FL/EA可知，鋼絲繩上將產(chǎn)生拉力F,其值為F=ΔDπEA/2L，以儲(chǔ)纜側(cè)卷筒第二圈繩槽為例：

式中：F——第二圈鋼絲繩張力Fso2,2 290.9 kN；

L——鋼絲繩長(zhǎng)度,4 400 mm(近似取兩卷筒中心距)；

E——鋼絲繩彈性模量,206 GPa；

A——鋼絲繩面積,18 136.64 mm2；

考慮到實(shí)際工藝，繩槽直徑取2 602 mm，加工則根據(jù)以上計(jì)算值，選取對(duì)應(yīng)的公差帶為k6。依照以上方法依次計(jì)算出下一圈對(duì)應(yīng)繩槽的公差帶來(lái)修正卷筒各繩槽的底徑。

2.4.3 卷筒各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

卷筒采用的是定軸安裝形式，軸的兩端固定在機(jī)架上面的端座上，軸與卷筒之間通過(guò)滾動(dòng)軸承連接，大齒輪熱套在卷筒一端，卷筒壁和端板通過(guò)緊配合和螺栓連接，卷筒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 卷筒結(jié)構(gòu)示意

卷筒壁強(qiáng)度σ為

σ=A×Fmax/(δ×p)≈192 MPa

式中：δ——卷筒壁厚,215 mm；

p——鋼絲繩節(jié)距,160 mm；

Fmax——最大拉力,5 880 kN；

A——多層卷筒系數(shù)。

σ<σs/s=210 MPa(卷筒材料許用應(yīng)力σs為315 MPa),卷筒強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。卷筒長(zhǎng)度L為1 910 mm,穩(wěn)定性計(jì)算中因?yàn)長(zhǎng)1/D≈0.73；D/δ≈12，查設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]，卷筒壁無(wú)需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

考慮圖3中受力大的卷筒S，受力見(jiàn)圖7(徑向作用力非常大，卷筒自重和軸向力可忽略。計(jì)算時(shí)只取力的絕對(duì)值，力的方向如圖箭頭所示)，A、B點(diǎn)分別為卷筒軸承支點(diǎn)，

FB= [(Fse1+Fso1)×L2+(Fse2+Fso2)×L3+

(Fse3+Fso3)×L4+(Fse4+Fso4)×L5+

(Fse5+Fso5)×L6+(Fse6+Fso6)×

L7]/L8=9 077 kN

FA=Fse1+Fso1+Fse2+Fso2+Fse3+Fso3+

Fse4+Fso4+Fse5+Fso5+Fse6+Fso6-

FB=12 229 kN

式中：L2=55 mm;L3=215 mm;L4=375 mm;

L5=535 mm;L6=595 mm;L7=855 mm;

L8=1 646 mm。

圖7 卷筒受力示意

卷筒受力見(jiàn)圖8，C、D分別為定軸與機(jī)架端座的安裝點(diǎn)。

圖8 卷筒軸的受力示意

其中FA′、FB′與FA、FB大小相等，方向相反。根據(jù)彎矩圖和剪力圖[4]可知，A點(diǎn)是最危險(xiǎn)點(diǎn)，故只需校核A點(diǎn)的強(qiáng)度，軸材料為40CrMnMo。

FC= [L9×FB′+(L8+L9)×FA]/

(L9×2+L8)=11 640 kN

式中：L9=492 mm。

FD=FA′+FB′-FA=9 666 kN

A點(diǎn)最大彎矩MAmax。

MAmax=FC×L9≈5 726 N·m

A點(diǎn)最大剪切力QAmax：

QAmax=11 640 kN

A點(diǎn)截面抗彎截面模量WA。

式中：DA——A點(diǎn)截面的軸直徑,600 mm。

卷筒軸A點(diǎn)正應(yīng)力σA計(jì)算：

σA=MAmax/WA≈270 MPa

卷筒軸A點(diǎn)剪切力τA計(jì)算。

τA=Qamax/π(DA/2)2≈41.5 MPa

按照第四強(qiáng)度理論σr4校核[5]。

σr4

3 結(jié)論

振華重工成功研發(fā)的600 t深海A&R絞車，使得深水鋪管船上該最重要的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，中國(guó)的深水鋪管船即將可以裝配上中國(guó)人設(shè)計(jì)制造的核心配套設(shè)備，對(duì)于中國(guó)油氣開(kāi)發(fā)向深海的挺進(jìn)有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)對(duì)于該類型更大載荷的絞車的設(shè)計(jì)有著非常重要的借鑒和指導(dǎo)作用。

[1] SUZUKIN, JINGUN. Dynamic behavior of submarine pipelines under laying operation [J]. Energy Resources Tech., Tr. ASME, 1982, 104: 313-318.

[2] DATTA T K. Abandonment and recovery solution of submarine pipelines [J]. Appl. Ocean Res., 1982,4(4): 247-252.

[3] 張質(zhì)文,虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社[M].1998.

[4] 成大先,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第1卷[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[5] 馬崇山,姚河省.材料力學(xué)教程[M].山西教育出版社,1998.