田振華， 劉啟幫

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一O研究所，湖北 宜昌 443003）

引言

在海洋開發(fā)和軍事活動中，水下拖曳系統(tǒng)具有及其重大的意義。借助這些裝備可以進(jìn)行各種海洋學(xué)要素和地球物理學(xué)參量的測量，海底的考察和攝影等。由于這些裝備投放到很深的地方，因此需要絞車進(jìn)行自動投放和回收。本文將對某型水下拖曳設(shè)備的收放絞車設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該型絞車主要用于水下拖曳設(shè)備的自動收放，技術(shù)要求如下：

1）容纜參數(shù)：圓柱纜長度160m，直徑28.5 mm，最小彎曲半徑280mm；

2）收放纜最高速度0.5m／s，調(diào)速平穩(wěn)；3）拖纜制動力：不小于10kN；

4）總重量（不含拖纜）：不大于400kg；

5）占用空間：不大于1 000mm×1 000mm×1 000mm（長×寬×高）。

根據(jù)絞車技術(shù)要求，設(shè)計(jì)絞車的總體結(jié)構(gòu)如圖1絞車組成所示。絞車通過2個支撐架支撐，左右支撐架上各安裝1個滾動軸承，滾動軸承上安裝卷筒。減速機(jī)固定在支撐架上，減速機(jī)通過傳動軸帶動卷筒轉(zhuǎn)動的同時，通過鏈輪傳動帶動雙向絲桿轉(zhuǎn)動。

圖1 絞車組成

排纜裝置結(jié)構(gòu)如圖2排纜裝置組成所示。雙向絲桿裝在2個支撐側(cè)板之間，支撐側(cè)板通過光桿連接。活動架同時穿過光桿和雙向絲桿。當(dāng)大鏈輪轉(zhuǎn)動時，帶動雙向絲桿轉(zhuǎn)動，活銷在雙向絲桿的溝槽內(nèi)左右移動，從而帶動活動架往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行排纜。當(dāng)需要對活動架左右位置進(jìn)行調(diào)整時，可把手輪與大鏈輪脫開，通過手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 排纜裝置組成

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核

2.1 卷筒

卷筒可排纜長度為［1］：

式中，l為纜長，L0為卷筒軸向長度，b為排纜間距，n為卷繞層數(shù)，D為卷筒直徑，d為電纜直徑。

對于排纜層數(shù)多，且對排纜要求嚴(yán)格的絞車，優(yōu)先選擇開槽卷筒。對于排纜層數(shù)少的絞車，為了節(jié)約成本，可選擇光面卷筒。本文設(shè)計(jì)絞車選用光面卷筒。卷筒的接觸應(yīng)力為：

式中，A為與卷繞層數(shù)有關(guān)的系數(shù)，A1為應(yīng)力較小系數(shù)，一般取0.75。Fmax為鋼絲繩最大拉力，b為鋼絲繩卷繞節(jié)距，δ為卷筒厚度。

電纜最小彎曲半徑為280mm，為延長纜壽命，減少排纜層數(shù)。在外形尺寸許可范圍內(nèi)卷筒直徑取大一些，參考卷筒直徑的尺寸序列，取直徑為630mm。同理，增大卷筒長度可以減少排纜層數(shù)，空間限制為1 000mm，取卷筒軸向長度L0＝930mm。纜長l＝160m，電纜直徑為28.5mm，通過計(jì)算需要排三層。光面卷筒第一層盤繞時，由于沒有纜槽的限制，電纜開始排的較緊密，到一定圈數(shù)后，纜間隙總量較大。因此，光面卷筒排纜間距離應(yīng)略小，防止上層電纜嵌入到下層，取排纜間距b＝30mm。

本文卷筒詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 卷筒詳細(xì)參數(shù)mm

2.2 排纜器

該型絞車使用雙向絲桿—活銷排纜裝置，該方式具有結(jié)構(gòu)簡單、換向可靠的優(yōu)點(diǎn)［2］。

要使活銷能夠在雙向絲桿的溝槽內(nèi)順利轉(zhuǎn)動，螺距應(yīng)滿足［3］：

式中，P為螺距，dm為中徑，μ為活銷與絲桿的摩擦系數(shù)。

要使活銷順利通過交叉口，要求活塞的包絡(luò)角α大于溝槽交叉口的包絡(luò)角。

為了使活銷順利通過兩側(cè)換向的位置，在兩側(cè)設(shè)計(jì)過渡圓角，如圖3雙向絲桿所示?；钿N外形如圖4活銷所示。

圖3 雙向絲桿

圖4 活銷

絞車在實(shí)際使用時，需要在船尾布置滑輪。作用在排纜器上的力為：

式中，E為排纜器與滑輪的距離，α為排纜裝置換向時纜與中心線的偏角。

根據(jù)上述載荷可對絲桿和排纜側(cè)板等零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。初步選光桿與雙向絲杠的直徑為60mm，底徑為44mm，螺距為60mm，槽寬為15mm。

2.3 鏈輪傳動

鏈輪傳動比i滿足：

式中，P為雙向絲桿螺距，b為卷筒排纜間距，Z2為大鏈輪齒數(shù)，Z1為小鏈輪齒數(shù)。

為使傳動平穩(wěn)，應(yīng)取Z1≥25。本絞車取28，則大鏈輪齒數(shù)為56。中心距a0初取30～50倍鏈條節(jié)距。得鏈長節(jié)數(shù)［4］：

式中，p為鏈條節(jié)距。

X0應(yīng)圓整成偶數(shù)X，以避免過度鏈節(jié)。實(shí)際中心距為：

2.4 電機(jī)與減速器

絞車排纜示意如下頁圖5絞車排纜示意所示，最外層纜中心的半徑為：

圖5 絞車排纜示意

絞車最大驅(qū)動力矩為：

根據(jù)排纜要求，可得出卷筒轉(zhuǎn)速為：

電機(jī)的輸出功率為：

式（10）～（12）中：F為絞車的最大拉力，v為最大排纜速度。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選取5.5kW三相異步電機(jī)6極，轉(zhuǎn)速為1 000r，380V供電，選用船用電機(jī)座號132M2，選取減速比為36.1，輸出轉(zhuǎn)矩不小于3 090N·m的減速機(jī)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的絞車經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，拆裝維護(hù)方便，滿足技術(shù)要求及使用需求。

［1］ 聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.第五版（第3卷）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］ 唐少波.自動排纜（管）裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］.石油與化工設(shè)備，2011（2）：9－11.

［3］ 胡文偉.關(guān)于雙向螺桿和活銷的若干問題［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，1985（1）：29－32.

［4］ 聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.第五版（第2卷）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.