陽連豐

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

大型起重機(jī)電滑環(huán)原理及安裝技術(shù)

陽連豐

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

首先對一條在建深水鋪管起重船上起重機(jī)與船體連接部位的電滑環(huán)的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特性做了介紹，然后對該起重機(jī)所用電滑環(huán)的安裝技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。研究結(jié)果可彌補(bǔ)目前生產(chǎn)廠家所提供電滑環(huán)設(shè)備手冊指導(dǎo)性不足的問題，同時對后續(xù)的電滑環(huán)維護(hù)保養(yǎng)具有指導(dǎo)意義。這可為其他類似的海洋重型旋轉(zhuǎn)裝備的電滑環(huán)安裝提供參考。

海洋油氣工程；起重機(jī)；電滑環(huán)；安裝技術(shù)

0 引 言

隨著世界海洋能源工程在深度和廣度上的發(fā)展，對海洋特種工程船的數(shù)量需求迅速增長。海洋特種工程船已經(jīng)成為海洋鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)中又一個重要的發(fā)展方向[1]。深水鋪管起重船“海洋石油201”項(xiàng)目于2005年5月啟動，2008年9月開工建造，是“十一五”國家科技重大專項(xiàng)和863計(jì)劃相關(guān)課題的重要組成部分?！昂Ｑ笫?01”是世界上第一艘同時具備3 000 m級深水鋪管能力、4 000 t級重型起重能力和DP3級全電力推進(jìn)的動力定位并具備自航能力的船型深水鋪管起重工程作業(yè)船。船舶的詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造在國內(nèi)自主完成，是亞洲和中國首艘具備3 000 m級深水作業(yè)能力的海洋工程船舶[2]。

“海洋石油201”船上大型起重機(jī)由荷蘭GUSTO公司設(shè)計(jì)，由海洋石油工程股份有限公司建造公司負(fù)責(zé)建造和安裝。此起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)有底座環(huán)、旋轉(zhuǎn)平臺、扒桿、A字架、平衡小車等。底座環(huán)與船體相連接，對整個吊機(jī)起支撐作用；旋轉(zhuǎn)平臺位于底座環(huán)之上，中間用軸進(jìn)行連接，可以完成起重機(jī)360°旋轉(zhuǎn)。起重機(jī)主電源通過安裝在旋轉(zhuǎn)平臺中心孔上方的電滑環(huán)供應(yīng)，電滑環(huán)是旋轉(zhuǎn)平臺動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

電滑環(huán)也叫集電環(huán)、集流環(huán)、匯流環(huán)等，一般為安裝在設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件上的金屬環(huán)，與電刷相接觸，使電流從電路的一端通過滑動接觸流到另一端的導(dǎo)電金屬環(huán)，通過電刷與靜止點(diǎn)的接觸而提供連續(xù)的電流。它可以用在任何要求連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳輸電源和信號的機(jī)電系統(tǒng)中。電滑環(huán)能夠提高系統(tǒng)性能，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免導(dǎo)線在旋轉(zhuǎn)過程中扭傷。

精密導(dǎo)電滑環(huán)屬于高科技產(chǎn)品，一直被應(yīng)用于尖端軍事領(lǐng)域，是各種精密轉(zhuǎn)臺、離心機(jī)和慣導(dǎo)設(shè)備的關(guān)鍵器件。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，民用領(lǐng)域也越來越多地使用此類產(chǎn)品，主要用于工業(yè)自動系統(tǒng)控制。在發(fā)達(dá)國家，該類產(chǎn)品已逐漸由軍用轉(zhuǎn)化為民用，近幾年已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于安防、工廠自動化、電力、金融、儀表、航空、軍事、運(yùn)輸、建筑等機(jī)電設(shè)備上。

本文以“海洋石油201”為例，對起重機(jī)所用電滑環(huán)的原理和安裝技術(shù)進(jìn)行研究，以期為類似的海洋重型旋轉(zhuǎn)裝備的電滑環(huán)安裝提供參考。

1 電滑環(huán)的總體介紹

1.1 電滑環(huán)結(jié)構(gòu)

電滑環(huán)屬于電接觸滑動連接應(yīng)用范疇，是實(shí)現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的圖像、數(shù)據(jù)信號及動力傳遞的精密輸電裝置[3]。電滑環(huán)特別適合應(yīng)用于需要無限制地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送功率或數(shù)據(jù)的場所。整個結(jié)構(gòu)一般由彈性材料(電刷)、滑動觸點(diǎn)表面材料(導(dǎo)電環(huán))、絕緣材料、粘結(jié)材料、組合支架、精密軸承、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，呈“Ⅱ”型與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽對稱雙接觸，借助電刷的彈性壓力與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽滑動接觸來傳遞信號及電流[4]。

1.2 電滑環(huán)使用上的特點(diǎn)

設(shè)備機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)360°無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)線需連接到旋轉(zhuǎn)部件上去，遇到導(dǎo)線纏繞問題時需要一個電旋轉(zhuǎn)連接器。電滑環(huán)是用來傳輸動力和信號的旋轉(zhuǎn)連接。一般來說，導(dǎo)電環(huán)部分是轉(zhuǎn)子，電刷部分是定子。滑環(huán)是雙向轉(zhuǎn)動的，是電刷部分轉(zhuǎn)動還是導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)動沒有什么區(qū)別，至于是電刷作轉(zhuǎn)子還是導(dǎo)電環(huán)作轉(zhuǎn)子，取決于電滑環(huán)安裝方式。電滑環(huán)可以實(shí)現(xiàn)動力和信號的組合，既傳輸動力電，又傳輸信號。

1.3 電滑環(huán)的設(shè)計(jì)選型

一般情況下，鋼質(zhì)電滑環(huán)的耐磨性好，機(jī)械強(qiáng)度大，因此這種電滑環(huán)常用于因極性引起的磨損差較大的同步電機(jī)上。鋼可以加工成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是一種容易得到而又價廉物美的材料，因而廣泛用于包括圓周速度較低的水輪發(fā)電機(jī)在內(nèi)的同步電機(jī)。對于主要強(qiáng)調(diào)高圓周速度下機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性的電滑環(huán)，有時也使用鍛鋼。另外，要求耐腐蝕性時可使用不銹鋼，但不銹鋼的滑動特性不穩(wěn)定，與電刷組合時往往使電刷產(chǎn)生跳動，容易造成電刷溫升過高或異常磨損，所以使用時必須加倍注意。青銅鑄件等銅質(zhì)電滑環(huán)與鋼質(zhì)電滑環(huán)相比，因滑動特性好而用途很廣，但當(dāng)含有大量低熔點(diǎn)鉛時，因通電點(diǎn)的發(fā)熱而產(chǎn)生脫鉛現(xiàn)象，容易造成電滑環(huán)磨損或電刷異常磨損。

2 電滑環(huán)的安裝技術(shù)

2.1 起重機(jī)電滑環(huán)安裝環(huán)境

以“海洋石油201”船4 000 t起重機(jī)為例，旋轉(zhuǎn)平臺總質(zhì)量約1 404 t，電滑環(huán)安裝在起重機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺中央箱體中的獨(dú)立艙室內(nèi)，艙室中央為電滑環(huán)的安裝位置。該起重機(jī)上的電滑環(huán)質(zhì)量約2 t，最大外形尺寸2 106 mm×299 mm，分為電源單元和信號控制單元兩部分進(jìn)行安裝。各部分外形參數(shù)如圖1所示。

圖1 電滑環(huán)外形參數(shù)Fig.1 Outline parameters of electric slip ring

2.2 電滑環(huán)安裝流程

由于旋轉(zhuǎn)平臺建造完成后需通過吊裝安裝到起重機(jī)底座環(huán)上，而電滑環(huán)又處于旋轉(zhuǎn)平臺與底座環(huán)連接中心孔處，安裝位置處于旋轉(zhuǎn)平臺的箱體內(nèi)，所以電滑環(huán)安裝總體上分為預(yù)安裝和精確安裝兩大環(huán)節(jié)，具體包括以下步驟：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場情況安裝輔助支撐。

(2) 移除所有旋轉(zhuǎn)平臺的安裝輔助件。

(3) 解除電滑環(huán)與臨時固定支撐間的連接。

(4) 吊裝電滑環(huán)并移除臨時固定支撐。

(5) 將電滑環(huán)放置在底座支撐上。

(6) 調(diào)整電滑環(huán)的方向。

(7) 將電滑環(huán)與底座連接(確保扭矩臂處于正確位置并確保每側(cè)都留有2～3 mm的間隙)。

(8) 安裝機(jī)械部分。

(9) 安裝電器儀表部分。

(10) 電滑環(huán)安裝結(jié)束，必須關(guān)閉頂部艙蓋。

2.3 機(jī)械部分安裝

在機(jī)械安裝過程中，與電滑環(huán)相連的基座法蘭應(yīng)連接到旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)部分，與電刷相連的電滑環(huán)機(jī)架應(yīng)當(dāng)連接固定結(jié)構(gòu)部分。具體安裝步驟如下：

(1) 使用M16螺栓把電滑環(huán)固定到安裝平面上。螺栓應(yīng)當(dāng)安裝進(jìn)電滑環(huán)固定法蘭的凹槽內(nèi)。安裝電滑環(huán)的安裝平面應(yīng)當(dāng)平整，應(yīng)能夠承受電滑環(huán)的重量并保證其水平。

(2) 電滑環(huán)吊裝應(yīng)使用提供的吊點(diǎn)將其固定到安裝平面上。主電源單元在頂部法蘭處設(shè)有4個吊耳，信號/控制單元在頂部設(shè)有2個吊耳。

(3) 電滑環(huán)分為兩部分，即主電源單元和信號及控制單元。主電源單元安裝完成后，將信號及控制單元安裝到主電源單元的頂部。連接到低壓電源滑環(huán)的電纜必須在信號及控制單元安裝之前進(jìn)行連接。

(4) 電滑環(huán)機(jī)架的底部兩側(cè)具有驅(qū)動臂固定點(diǎn)。各個驅(qū)動臂兩側(cè)必須使用剛性結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，用于固定的剛性結(jié)構(gòu)必須能夠抵抗電滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)扭矩。為補(bǔ)償電滑環(huán)與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間可能存在的安裝誤差，要求在各向預(yù)留2～3 mm的空隙。另外，在安裝電滑環(huán)的過程中，在旋轉(zhuǎn)電滑環(huán)一圈后應(yīng)認(rèn)真檢查，確保電滑環(huán)沒有受到任何側(cè)向或彎曲的力。在電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)使用兩個驅(qū)動臂時，兩個驅(qū)動臂都應(yīng)留有空隙。圖2為電滑環(huán)主驅(qū)動臂結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電滑環(huán)主驅(qū)動臂結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the master drive arm of electric slip ring

(5) 待主電源單元安裝完成及400 V電源單元電氣連接完成之后，才能進(jìn)行信號及控制滑環(huán)單元的安裝。

(6) 吊起信號及控制滑環(huán)并將滑環(huán)放置在電源單元的頂端，將扭矩臂的扭矩銷放置在電源單元頂部十字部件的孔中。通過此扭矩臂，電源單元將帶動信號及控制單元共同轉(zhuǎn)動。圖3為信號及控制單元滑環(huán)的扭矩臂和扭矩銷的剖面圖。

圖3 信號及控制單元滑環(huán)的扭矩臂和扭矩銷Fig.3 Torque arm and torque pin of signal control unit slip ring

(7) 通過移除外板螺栓進(jìn)行外板拆裝。需移除高壓電源單元及400 V電源單元里輔助的起保護(hù)作用的樹脂玻璃?；謴?fù)外板時與上述過程相反，確保密封及墊圈重新安裝完好。

2.4 電氣部分安裝

2.4.1 電環(huán)側(cè)電纜的安裝

6.6 kV部分導(dǎo)電環(huán)側(cè)電纜穿過基座向上通過中心部分連接到電滑環(huán)的6.6 kV單元。電源電纜使用適當(dāng)?shù)慕泳€端子直接連接到導(dǎo)電環(huán)上。400 V電源導(dǎo)電環(huán)側(cè)的電纜穿過基座向上通過中心部分連接到電滑環(huán)的400 V單元。電源電纜使用適當(dāng)?shù)慕泳€端子直接連接到導(dǎo)電環(huán)上。根據(jù)需要移除主電源機(jī)架頂部的兩個端蓋及400 V單元的隔離物，以便能夠接觸到導(dǎo)電環(huán)。電源滑環(huán)的接線應(yīng)該在信號及控制部分安裝到電源單元頂部之前進(jìn)行。接線后，電纜應(yīng)該用綁扎帶固定，以便能夠支撐位于中心管子中的電纜的重量。

3.4.2 信號及控制單元的安裝

預(yù)先將信號及控制單元電環(huán)到船體接線箱的尾端電纜接好。安裝固定在船體上的接線箱，連接來自電滑環(huán)(尾端電纜)和船體兩方的電纜，將電纜接到接線箱的端子排上。

2.4.3 電刷排側(cè)電纜的安裝

對于電滑環(huán)，電源電纜應(yīng)直接連接到電刷排或電刷排的母排上。

2.4.4 6.6 kV電源單元部分

將電纜敷設(shè)到高壓(HV)電源的引線盒，去除電纜的外層鎧裝，制作高壓電纜頭(采用冷縮終端處理)，將電纜連接到接線點(diǎn)上。引線盒出口處的玻璃鋼柵用于固定電纜。

2.4.5 400 V電源單元部分

將電纜敷設(shè)到引線盒，去除電纜的外層鎧裝，制作電纜終端(采用冷縮終端處理)并連接固定到母排上。

2.4.6 信號及控制單元的接線

將電纜敷設(shè)到電纜入口。使用端子將去往信號及輔助電源電刷排的電纜直接連接到電刷排上。

2.4.7 編碼器的安裝

按照編碼器安裝說明進(jìn)行編碼器接線。在編碼器支架和滑環(huán)支架上通過螺栓固定來擰緊編碼器調(diào)速帶。

2.4.8 光纖單元的安裝

導(dǎo)電環(huán)側(cè)，敷設(shè)電滑環(huán)到船體光纖接線箱之間的光纜。固定好光纖，將電滑環(huán)和光纖接線箱中的光纖纖芯固定在光纖套管內(nèi)。電刷側(cè)，光纖從電滑環(huán)的機(jī)架進(jìn)入，連接到電刷側(cè)的光纖套管內(nèi)。將多余長度的光纖固定在機(jī)架的電纜固定處，以免電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分內(nèi)的光纖纏繞。

2.4.9 加熱器的安裝

加熱器電纜通過填料函連接到單獨(dú)的230 V交流電(AC)加熱器回路端子上。設(shè)置自動調(diào)溫裝置至所需要的最高溫度，然后重新安裝HV單元的金屬保護(hù)殼。

3 電滑環(huán)的安裝注意事項(xiàng)

3.1 技術(shù)和施工安全交底

施工人員在電滑環(huán)上或內(nèi)部工作時應(yīng)該事先告知操作人員，技術(shù)人員應(yīng)提前將施工風(fēng)險向施工人員進(jìn)行交底。如果需要在電滑環(huán)內(nèi)部進(jìn)行工作，在打開電滑環(huán)外殼之前，確保操作人員切斷所有的電路并且所有電源電路都采用合適的接地裝置進(jìn)行接地。

3.2 電滑環(huán)內(nèi)部施工安全檢查

在接觸任何電氣連接部分之前，必須使用合適的測量工具確定設(shè)備沒有帶電。即使在主電源電路斷開之后，電滑環(huán)內(nèi)的任何加熱器的終端仍然會帶有電壓。在電滑環(huán)內(nèi)進(jìn)行安裝維護(hù)的過程中，應(yīng)該確保安裝有電滑環(huán)的機(jī)器不發(fā)生轉(zhuǎn)動。在電滑環(huán)的安裝維護(hù)過程中，如果安裝有電滑環(huán)的機(jī)器需要轉(zhuǎn)動，操作人員應(yīng)該遠(yuǎn)離移動部件。

3.3 電氣安裝注意事項(xiàng)

在電纜安裝過程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

(1) 清除各表面，保證電纜線鼻子與導(dǎo)電環(huán)和電刷排、電刷排與母排之間的電氣連接。

(2) 確保在電纜接線點(diǎn)之間留有足夠的相與相、相與地之間的絕緣空間。

(3) 所有電纜的布置及安裝應(yīng)該整齊，特別是連接到電刷排的電纜，應(yīng)避免電滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分的電纜交叉和纏繞。

(4) 電纜應(yīng)適當(dāng)固定以消除由于震動及機(jī)械拉伸對電纜連接處產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。尤其對從導(dǎo)電環(huán)下方進(jìn)入的電纜，應(yīng)當(dāng)在設(shè)備下方進(jìn)行固定。

(5) 接線完成后，檢查所有電刷以確保其處于滑環(huán)上的正確位置并排列整齊。

(6) 確保動力單元的高壓、低壓電纜的絕緣和打壓測試合格后，再進(jìn)行信號及控制單元的安裝。

(7) 電滑環(huán)內(nèi)部的每根電纜在接線完成后都應(yīng)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)工作，以免所有電纜接線、固定完成后，因內(nèi)部空間不足造成電纜無法檢測和調(diào)整。

4 結(jié) 論

目前我國使用的高可靠性電滑環(huán)大多數(shù)依賴進(jìn)口。高可靠性電滑環(huán)的生產(chǎn)與應(yīng)用將開創(chuàng)我國自主研發(fā)高可靠性電滑環(huán)之路。本文所述電滑環(huán)已經(jīng)成功安裝于“海洋石油201”船大型起重機(jī)上，各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)要求。其原理和安裝技術(shù)對其他類似工程具有很好的參考價值。

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[3] 何磊. 垂直鉆井工具井斜動態(tài)測量研究[D]. 武漢： 武漢科技大學(xué)， 2010.

[4] 王西哲, 姚云花. 匯流環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工中需要注意的幾個問題[J]. 科技風(fēng), 2013(7): 20.

PrincipleandMountingTechniqueofHeavyCraneElectricSlipRings

YANG Lian-feng

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300461,China)

The principle, structural features and characteristics of the electric slip rings at the joint part of crane and ship body of a deepwater pipe-laying crane ship under construction are introduced. The mounting technique of the electric slip rings used on the crane is described in detail. The results can fix the problem that the existing equipment manuals are lack of guidance, and will direct the following maintenance of the slip rings. It will provide a reference for the installation of electric slip rings for similar marine heavy rotary equipment.

ocean oil and gas engineering; crane; electric slip ring； mounting technique

TE54;U674.35

A

2095-7297(2014)02-0151-05

2014-05-13

陽連豐(1979-)，男，高級工程師，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)管理方面的研究。