顧 炳，胡曉東，俞志剛

（中船重工第704研究所，上海 200031）

0 引言

國家工信部《大型海洋工程設(shè)備深水定位系泊系統(tǒng)研制》項目主要任務(wù)是研制一套1500m水深并完全具有知識產(chǎn)權(quán)的半潛式鉆井平臺1:1的三鏈輪深水定位電動錨機(jī)樣機(jī)。

深水定位電動錨機(jī)較一般的船用錨機(jī)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用大功率變頻驅(qū)動、工作負(fù)載大（達(dá)到1/3錨鏈破斷負(fù)荷，剎車支持負(fù)載更是達(dá)到 100%錨鏈破斷負(fù)荷）、收錨速度快（可根據(jù)負(fù)載大小調(diào)整）、布錨（拋錨）速度控制要求高、配置張力/長度/速度等檢測。

1 錨機(jī)的主要組成

三鏈輪電動錨機(jī)由三套錨機(jī)本體裝置、一套傳動裝置、一套液壓泵站以及一套電控系統(tǒng)組成[1]。錨機(jī)主要組成見表1，結(jié)構(gòu)布置見圖1。

2 錨機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)及功能

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1) 錨鏈直徑：Φ84(R5)，有檔系泊鏈；

2) 工作負(fù)載與速度：

(1) 齒輪箱低速檔：2694kN-9m/min，1200kN-18m/min；

(2) 齒輪箱高速檔：980kN-25m/min，430kN-50m/min；

3) 錨機(jī)過載：3367kN（～40%的錨鏈破斷負(fù)荷）；

4) 盤式制動器制動時負(fù)載：4200kN（～50%的錨鏈破斷負(fù)荷）；

5) 錨機(jī)支持負(fù)載：8418kN（錨鏈破斷負(fù)載）。

表1 三鏈輪臥式電動錨機(jī)組成

圖1 錨機(jī)總布置圖

2.2 錨機(jī)主要功能

錨機(jī)主要功能包括：錨泊定位時能調(diào)整錨；拋錨時能能夠快速拋出錨鏈；對錨索的預(yù)緊有非常高的拉緊力，帶有測力裝置，通過控制可調(diào)整錨鏈張力；航行或拖航時能應(yīng)急錨泊；在緊急狀態(tài)下能應(yīng)急釋放[2]。

動力起拋錨：平臺調(diào)整位置或平臺需要撤離時，錨機(jī)進(jìn)行起拋錨作業(yè)。起拋錨過程中起，錨鏈的張力、長度、速度等信息實時顯示。

拋錨：深水定位錨機(jī)一般自帶錨鏈比較少，所以一般采用預(yù)拋錨的方式，拋錨時靠水冷剎車來控制錨鏈拋放速度。在遇到緊急情況需要停航時，拋1～2根錨鏈供平臺停泊使用，可通過帶式剎車控制錨鏈下放速度。

應(yīng)急釋放：當(dāng)平臺遭遇惡劣環(huán)境條件，錨鏈張力超過安裝設(shè)定值時或有失常船舶撞向平臺，具有應(yīng)急釋放錨鏈功能，最終目的一般就是快速棄鏈。

3 錨機(jī)主要關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 錨機(jī)本體裝置結(jié)構(gòu)研究

錨機(jī)本體裝置主要由錨鏈輪、主軸、小齒輪、大齒輪、制動輪、帶式剎車、基座支架等組成，如圖2所示。

基座支架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，大齒輪為焊接件，鏈輪和制動輪為鑄鋼件。鏈輪、制動輪和大齒輪三者通過傳動銷聯(lián)接成一剛體結(jié)構(gòu)擱在主軸上。主軸采用兩點支撐，支撐在基座支架上。主軸只承受彎矩，不承受扭矩；主軸與鏈輪之間為緊配合連接，錨鏈輪旋轉(zhuǎn)時帶動主軸旋轉(zhuǎn)，通過測出主軸的轉(zhuǎn)速來測得放出錨鏈的長度和速度。傳動扭矩通過大小齒輪（z118/z285/m32）傳遞給錨鏈輪，同樣制動扭矩通過制動輪傳遞給錨鏈輪。帶式剎車為雙帶結(jié)構(gòu)，套在制動輪上，由緊邊和松邊組成，安裝在基座支架上。帶式剎車結(jié)構(gòu)采用彈簧制動，液壓松閘的型式。

基座支架鋼板焊接結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛度好，重量相對輕。安裝開式小齒輪的基座和安裝帶式制動器的基座為全封閉焊接箱體，經(jīng)過有限元分析計算，小齒輪處箱體采用20mm厚度鋼板，中間齒輪支撐處設(shè)有加強(qiáng)筋板；帶式剎車處承受載荷大，采用40mm厚度鋼板；基座支架兩側(cè)支撐采用整體式鋼板和筋板焊接。安裝主軸支撐支架采用對半式法蘭安裝，有利于錨鏈輪裝置的整體拆卸。

錨鏈輪采用五齒結(jié)構(gòu)，作為重要的零部件，必須能承受很大的負(fù)載（尤其支持負(fù)載）。R5系泊鏈表面硬度達(dá)到HB345以上，錨鏈輪的齒廓表面硬度必須達(dá)到HB280-310。因此錨鏈輪主體材料采用低合金鑄鋼（ZG20Mn），具有良好的鑄造性、焊接性以及良好的綜合力學(xué)性能，整體調(diào)質(zhì)處理。鏈輪與錨鏈嚙合處通常存在滑動，因此在嚙合處再焊一塊硬度較高的材料，選用20CrMnMoB或Q960D，熱處理表面硬度能達(dá)到HB320。

大齒輪和制動輪與錨鏈輪通過傳動銷傳遞扭矩，代替鍵的形式傳遞扭矩，這樣能大大降低軸的尺寸，而且軸支撐點靠近支架跨距相對較大，能降低軸的彎矩，提高軸的抗彎性能；同樣制動輪和錨鏈輪連為一體，錨機(jī)承受負(fù)載時主軸不承受扭矩，降低了制造難度，提高加工工藝的可行性。錨鏈輪裝置在加工裝配過程中以齒輪作為基準(zhǔn)，制動輪與大齒輪之間的同軸度容易保證；主軸通孔可以一次完成加工，主軸同樣也一次完成加工。錨機(jī)受力后，錨鏈輪、制動輪與大齒輪同樣成為剛性整體，只承受剪切力，彎矩由主軸來承受，有利于提高整體剛度，縮小結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2 錨機(jī)本體裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 拋錨速度控制研究

目前國內(nèi)有拋錨速度控制的船用錨機(jī)，主要是通過液壓反饋式和電氣反饋式機(jī)械制動來實現(xiàn)的。液壓反饋式機(jī)械制動，拋錨時錨鏈輪裝置上的大齒輪通過帶動小齒輪增速帶動輔泵，從而產(chǎn)生較大制動力矩通過帶式剎車施加在鏈輪上，達(dá)到制動作用；當(dāng)速度降低，泵出口壓力降低，剎車制動力降低，錨鏈速度上升。電氣反饋式機(jī)械制動，通過測速裝置測出錨鏈速度，反饋給電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)剎車油缸的壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)剎車制動力的作用，實現(xiàn)拋錨速度的自動控制。這兩種方式都靠帶式剎車制動，在長時間持續(xù)打滑工況下會導(dǎo)致剎車帶持續(xù)發(fā)熱，剎車墊磨損劇烈，產(chǎn)生的熱量不容易散發(fā)，并且整套調(diào)試?yán)щy，相當(dāng)不穩(wěn)定。

而定位錨機(jī)拋錨速度控制，關(guān)系到整個錨機(jī)設(shè)備正常工作的安全性。在拋錨過程中，萬一速度失控，將會導(dǎo)致設(shè)備或者平臺的嚴(yán)重?fù)p壞甚至造成人員的傷亡。所以僅配置傳統(tǒng)的帶式剎車機(jī)構(gòu)來控制拋錨速度，難度大，且具有危險性。結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究資料，一般平臺錨機(jī)采用水動力剎車進(jìn)行拋錨速度控制。水動力剎車作為一種能持續(xù)提供足夠制動力并且安全可靠的制動器，來控制拋錨時產(chǎn)生的動負(fù)載，保證持續(xù)放出錨鏈。水動力剎車通過能量轉(zhuǎn)換原理，通入的冷卻水吸收拋錨產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換成的熱能。水動力剎車由轉(zhuǎn)子和殼體組成。該剎車持續(xù)工作時間長、性能可靠、制動效果優(yōu)良，拋錨時通入冷卻水，下放的錨鏈帶動水動力剎車轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，帶動冷卻水在殼體內(nèi)流動，產(chǎn)生阻力和熱量；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生的阻力越大，當(dāng)與負(fù)載平衡時，就將拋錨速度控制住。通過冷卻水流量來控制制動力矩，當(dāng)沒有冷卻水通入時，就不產(chǎn)生制動力矩。水動力剎車安裝在變速齒輪箱的低速中間軸上，一般在剎車?yán)鋮s水入口裝有水閥。經(jīng)過計算選型，水冷剎車選用美國PARMAC公司的V-80型產(chǎn)品（D632255-X CCW），許用最高轉(zhuǎn)速為1550rpm，最大功率3728kW。

拋錨時齒輪箱處于空擋位置，帶式剎車松開，水冷剎車通入冷卻水，然后拋出錨鏈，隨著錨鏈移動速度增加，水冷剎車慢慢起作用。整個拋錨過程中，速度變化可以控制的穩(wěn)定，變化比較平穩(wěn)，對錨鏈的長度、速度和張力實時檢測；一旦發(fā)現(xiàn)有異常，帶式剎車可以立即制動。

3.3 大扭矩傳動裝置結(jié)構(gòu)研究

傳動裝置必須正常平穩(wěn)可靠工作，才能保證錨機(jī)整體的平穩(wěn)工作，如圖3所示。

圖3 傳動裝置

經(jīng)過計算，按工作額定負(fù)載下齒輪箱輸出軸扭矩400kNm，在保證公稱負(fù)載和起錨速度的條件下，齒輪箱作為傳動裝置中最主要的部件，必須能滿足負(fù)載的要求，齒輪箱立足國內(nèi)自行研制，設(shè)計成四軸三級傳動，采用箱體式結(jié)構(gòu)，分高速/低速/空三檔，高速檔傳動比為27.9，低速檔傳動比為77.4，輸出軸的額定扭矩按照要求為400kNm，最高輸出扭矩按照盤式制動器制動時產(chǎn)生的扭矩設(shè)計，為620kNm。

齒輪箱輸出軸是以空心低速軸帶鎖緊盤的方式來傳遞扭矩，取代普通的鍵連接，這種結(jié)構(gòu)簡化了加工工藝、方便了安裝和拆卸，而且提高了軸的連接的剛性和機(jī)械軸的抗彎、抗扭能力，減少了輸出軸端的變形，同時正由于輸出軸與減速箱的分體，使得傳動裝置與兩側(cè)錨機(jī)本體裝置的裝配有一定的可調(diào)范圍。齒輪箱的空擋設(shè)在中間軸低速軸上，檔位的切換通過檔位控制裝置，該軸直接與水動力剎車相連接，錨機(jī)在拋錨時設(shè)在空擋位置，齒輪箱輸入軸此時不轉(zhuǎn)動。高/低速檔設(shè)在中間軸高速軸上，當(dāng)在動力起/拋錨時，根據(jù)負(fù)載大小選擇檔位調(diào)整起/拋錨速度。齒輪箱用油浴方式潤滑，齒輪的大部分以及軸承都浸在潤滑油中。箱體為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，帶有一體的安裝地腳，便于安裝。

由于三套錨機(jī)之間距離大，為了便于加工和安裝，以及簡化軸的受力狀態(tài)（只承受扭矩，沒有彎矩），將傳動軸設(shè)計成分段結(jié)構(gòu)——傳動軸和齒輪箱軸，短的齒輪箱軸和錨機(jī)本體裝置（CUR），長的傳動軸連接錨機(jī)本體裝置（CUL、CUL-I），兩軸通過花鍵連接套連接。傳動軸與每臺錨機(jī)的動力切換，通過離合器控制裝置實現(xiàn)。

3.4 大功率錨機(jī)變頻驅(qū)動裝置選型研究

錨機(jī)采用變頻驅(qū)動方式具有無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高以及調(diào)速過程平穩(wěn)等優(yōu)點，同時可以實現(xiàn)錨機(jī)對錨鏈張力和收放速度的精確控制，顯著改善錨泊系統(tǒng)的運行性能。變頻驅(qū)動裝置包括大容量變頻器和變頻電機(jī)，需要與變速齒輪箱、錨機(jī)等設(shè)備協(xié)調(diào)運行以完成拋錨（含預(yù)張緊）、錨泊和收錨等各種復(fù)雜工況。同時，復(fù)雜的海洋環(huán)境、海洋工程平臺電網(wǎng)條件等對變頻驅(qū)動裝置提出了更多的要求。

變頻驅(qū)動裝置選型的好壞直接關(guān)系到錨泊定位系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，對錨機(jī)變頻驅(qū)動裝置的選型研究不僅僅是變頻器與變頻電機(jī)的簡單選型，而是對錨泊定位系統(tǒng)、變頻器和電機(jī)的性能、功能和運行要素的分析基礎(chǔ)上，對錨泊定位系統(tǒng)與變頻驅(qū)動裝置的集成運行和系統(tǒng)匹配的研究。通過對錨機(jī)起/拋錨工況的分析，變頻驅(qū)動裝置必須能與變速齒輪箱一體協(xié)調(diào)地工作。根據(jù)變速齒輪箱的運行與傳動特性，實現(xiàn)變頻驅(qū)動裝置與變速齒輪箱的最佳匹配，滿足錨機(jī)收放錨鏈的控制；同時滿足海洋平臺上，搖擺、沖擊、振動、潮濕、鹽霧和霉菌等惡劣環(huán)境條件。變頻驅(qū)動裝置一般直接與平臺電網(wǎng)相連，兼顧了電網(wǎng)、變頻器與電機(jī)之間的電壓匹配，還充分考慮錨機(jī)體積、成本、重量等多個因素。

經(jīng)計算和選型，電機(jī)選用法國LEROY SOMER公司EMERSON產(chǎn)品（型號：6P FLS450LB 585kW B3 690VY 50Hz）。該電機(jī)外形及性能參數(shù)滿足總體要求，負(fù)載特性優(yōu)良，轉(zhuǎn)速符合錨機(jī)使用特性，電制符合平臺電網(wǎng)要求，適合起重領(lǐng)域使用，相比傳統(tǒng)電機(jī)，效率降高、發(fā)熱、振動和噪聲低，主要技術(shù)參數(shù)如下：1）電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速：980rpm～1960rpm；2）額定輸出扭矩：5700.8Nm；3）最大扭矩：12149Nm；4）額定輸出功率：585kW；5）工作制：S1；6）防護(hù)等級：IP56；7）絕緣等級：H；8）電制：三相AC 690V 50Hz。

變頻器采用12脈沖型式，把2套整流橋以移相變壓器供電，在電源中通過消除最低次的諧波來減少諧波畸變總量。選用芬蘭VACON公司NXC柜機(jī)產(chǎn)品，該變頻器諧波抑制能力能夠滿足定位平臺電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，柜機(jī)功率重載630kW，額定輸入電壓690V，防護(hù)等級IP44，另加主電路斷路器，附加的四個制動單元，每個單元88kW，阻值50?。變頻器采用風(fēng)冷方式，整體滿足環(huán)境條件-10～40℃的工作要求。150%過載電流為975A(1min/10min)，最大電流為1170A。當(dāng)電機(jī)過流時，變頻器系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并可根據(jù)參數(shù)設(shè)置，關(guān)斷輸出。4臺電阻箱并聯(lián)后，總功率約為350kW，是變頻器額定功率的60%，符合變頻器制動的配比要求。在錨機(jī)系統(tǒng)運行時，通常情況下不進(jìn)行急速剎車操作。當(dāng)進(jìn)行錨機(jī)剎車時，機(jī)械剎車裝置配合進(jìn)行制動，可進(jìn)一步有效減少制動電阻發(fā)熱功率。

3.5 剎車及離合器控制裝置結(jié)構(gòu)研究

剎車和離合器控制裝置在本錨機(jī)中都實現(xiàn)自動化操作和控制，采用液控方式，使得剎車和離合器控制具備遠(yuǎn)距離遙控的功能。

本錨機(jī)配備兩套獨立的動力靜載制動器，分別為每個錨鏈輪上的帶式制動器（雙帶，第一制動器）以及減速器輸入端的盤式傳動制動器（第二制動器）。帶式制動器能承受2×4209kN的拉力（單根剎車帶承受50%的錨鏈破斷負(fù)荷，雙帶承受錨鏈破斷負(fù)荷），盤式傳動制動器承受4200kN的靜負(fù)載（接近于50%的錨鏈破斷負(fù)荷）[3-4]。所有制動器都設(shè)計成F-Safe型形式，確保在失電情況或者故障情況下彈簧能立即自動制動。

帶式剎車的制動力矩很大，用普通的圓柱彈簧提供制動力其結(jié)構(gòu)必然尺寸很大，受到安裝空間的限制，因此采用碟片式彈簧，產(chǎn)生彈力大，行程短。制動器油缸為雙腔進(jìn)油，分為支持剎車和打開剎車，在應(yīng)急情況下若碟簧產(chǎn)生的制動力不夠的情況下，安裝碟簧的一腔進(jìn)油可以加大剎車制動力矩。在剎車鋼帶采用材料為D36，考慮到緊邊受力比較大，松邊受力相對小的情況，為了達(dá)到等強(qiáng)度的目的，緊邊鋼帶厚度適當(dāng)加厚。剎車襯墊采用耐磨、耐熱、比壓強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)相對高和穩(wěn)定的材料。由于制動輪尺寸較大，并且受較大的彎曲作用力，制動帶的比壓和磨損不均勻，可以通過調(diào)整裝置拉緊緊邊，保證制動鋼帶內(nèi)弧形摩擦片的貼合均勻性。所有剎車位置必須都帶有位置指示功能，由相應(yīng)的位置傳感器檢測。通過計算，錨機(jī)在承受支持負(fù)載時，帶式制動器所有的受力零部件的應(yīng)力不超過材料屈服極限的85%。

盤式制動器為集成件，為瑞典丹納產(chǎn)品（型號SKP 95-27），安裝在電機(jī)與齒輪箱之間，該型制動器主要特點是體積小、性能可靠、間隙調(diào)整方便、液壓控制彈簧制動，剎車開啟壓力為11.5MPa，配制動盤直徑為Φ600，盤式制動器所產(chǎn)生的最大扭矩達(dá)到8040Nm，滿足50%的錨鏈破斷負(fù)荷。

離合器裝置控制裝置撥動離合器，結(jié)構(gòu)簡單，就油缸和撥桿撥組成，離合器到相應(yīng)的位置后，都由相應(yīng)的位置傳感器檢測位置。

考慮到所有的剎車和離合器都是液壓控制，而且所有的閥件都為電磁換向閥，因此液壓泵站配有應(yīng)急電源（UPS），平時液壓泵站不啟動時，當(dāng)在應(yīng)急情況下剎車或離合器需要動作時，所有閥組由UPS直接供電，由蓄能器提供油壓動力。

3.6 大功率錨機(jī)電氣控制技術(shù)研究

電氣控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容是錨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時控制、數(shù)據(jù)處理及實現(xiàn)與集控系統(tǒng)通訊。

1）錨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實時控制：錨機(jī)系統(tǒng)的控制對象涉及到大型變頻器控制器，PLC與變頻器之間采用模擬量控制、總線控制和信號給定控制三種方式，分析三種方式的適用環(huán)境，保證控制手段有效，提高系統(tǒng)相應(yīng)的可靠性。

2）數(shù)據(jù)處理：對多路采集信號進(jìn)行分析比較，實現(xiàn)執(zhí)行策略的優(yōu)化。

3）集控系統(tǒng)通訊：通過RS485、RS422和工業(yè)以太網(wǎng)與集控中心進(jìn)行多總線數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)可靠傳輸，對通訊效果進(jìn)行比較研究。錨機(jī)電控系統(tǒng)原理圖和控制框圖見圖4和圖5。

圖4 錨機(jī)電控系統(tǒng)原理圖

圖5 錨機(jī)電控系統(tǒng)控制框圖

安裝在電氣控制箱內(nèi)的PLC系統(tǒng)由一臺S7300 CPU314C-2DP和開關(guān)量模塊、模擬量模塊FM350編碼器計數(shù)模塊組成，主要控制程序包括：變頻器控制程序、液壓泵站控制程序、錨鏈張力采集程序、編碼器采集程序、通訊程序、系統(tǒng)聯(lián)動控制程序、顯示處理程序以及液晶屏WINCC組態(tài)等。該PLC系統(tǒng)是錨機(jī)控制系統(tǒng)的主站，通過 PROFIBUS-DP連接液壓泵站、現(xiàn)場控制盤和變頻器驅(qū)動器，實現(xiàn)系統(tǒng)集成控制。同時液壓泵站有獨立的電控柜，在分系統(tǒng)調(diào)試時，使用電控柜操作面板上可對所有的液壓執(zhí)行部件進(jìn)行控制。當(dāng)將控制權(quán)限切換到上級的中央控制方式時，可以通過中央集控操作臺，對所有定位錨機(jī)進(jìn)行集中控制操作。

在PLC上電后首先通過PROFIBUS-DB連接線檢測連接主站和從站的工作狀態(tài)，在連接正常進(jìn)入運行狀態(tài)（若連接異常時，依照PLC系統(tǒng)發(fā)出報警信號和提示故障信息及時處理）。系統(tǒng)診斷模塊對通訊狀態(tài)進(jìn)行檢測，系統(tǒng)運行后，實時進(jìn)行FROFIBUS數(shù)據(jù)交換和共享 PLC功能檢測模塊對系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)狀態(tài)正常時，進(jìn)入系統(tǒng)工作準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，檢測程序發(fā)出報警信號，等待對報警狀態(tài)進(jìn)行處理。

電氣控制箱上有一組控制按鈕和指示燈，用于系統(tǒng)調(diào)試使用，操作這些按鈕可以對變頻器進(jìn)行控制。正常情況下對錨機(jī)的操作在現(xiàn)場控制盤上完成，實現(xiàn)對錨機(jī)的全功能控制，并具有狀態(tài)檢測功能，實時發(fā)出報警信息。通過面板上的液晶屏幕實時顯示錨機(jī)的工作狀態(tài)，電壓、電流、功率等電氣參數(shù)；液壓系統(tǒng)的壓力、溫度、液位等液控參數(shù)；水溫、水壓等冷卻水系統(tǒng)參數(shù)。

3.7 錨機(jī)制造和裝配工藝技術(shù)研究

錨機(jī)主要零部件的制造和整體裝配工藝是否經(jīng)濟(jì)、合理，對錨機(jī)整體性能具有重要的意義。

由于錨機(jī)基座部分采用Q690低合金高強(qiáng)度鋼板，在焊接工藝上充分做到以下工藝措施：板材切割面氧化渣清除干凈，坡口兩側(cè)50mm范圍嚴(yán)格去水、油以及銹等雜質(zhì)。焊前預(yù)熱并保證預(yù)熱溫度，采用小的熱輸入，減少高溫區(qū)停留時間防止熱影響區(qū)脆化；焊后熱處理，消除殘余應(yīng)力，改善組織和力學(xué)性能；處理后焊縫表面打磨清理干凈；同時焊絲進(jìn)行脫脂，保護(hù)氣體必須干燥處理[5]。

錨機(jī)基座支架作為焊接件，焊接板件數(shù)量比較多，因此焊接過程中各部件的焊接順序、焊縫的型式等都經(jīng)過仔細(xì)研究，總體是點焊后保證主要尺寸后再進(jìn)行全焊，要控制焊接變形，盡量降低焊接應(yīng)力，焊接后對焊縫進(jìn)行檢測。去除應(yīng)力消除殘余變形后再進(jìn)行機(jī)加工，尤其是軸承孔、主軸孔和小齒輪孔等，在同一基準(zhǔn)的情況下統(tǒng)一加工，這樣保證相互之間的位置精度要求。

大齒輪的齒圈、輻板、輪轂之間采用焊接方式；由于齒輪模數(shù)比較大，為了保證調(diào)質(zhì)層完全進(jìn)入齒根部，齒圈鍛打后先進(jìn)行齒面粗滾，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，再與輻板、輪轂焊接，再進(jìn)行去應(yīng)力處理，最后進(jìn)行齒面精滾和磨齒加工。制動輪、錨鏈輪和大齒輪徑向定位安裝后點焊在一起，然后再一起配作擴(kuò)傳動銷的孔，包括定位銷；最后在大型機(jī)床上加工安裝主軸的通孔。

齒輪箱軸和傳動軸相對比較長，軸徑也比較大，同樣為了保證調(diào)質(zhì)層完全進(jìn)入到軸芯部，在不影響強(qiáng)度的前提下，軸中心鉆Φ80的通孔，此孔作為工藝孔，精度要求不高，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中即可；然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和機(jī)加工，最后在數(shù)控機(jī)床上完成各矩形花鍵的加工。

每個錨機(jī)本體裝置裝配完成后，再進(jìn)行整機(jī)裝配。由于三個錨機(jī)本體裝置之間距離較大，因此裝配過程中要保證之間的位置精度要求。首先安裝齒輪箱，以此作為裝配基準(zhǔn)，再安裝中間錨機(jī)（CUL-I）和傳動軸，然后再以齒輪箱軸為基準(zhǔn)安裝右側(cè)錨機(jī)本體裝置（CUR）和左側(cè)錨機(jī)本體裝置（CUL），保證齒輪箱軸與小齒輪之間的同軸度要求。安裝過程中同軸度的精度可以用激光儀檢測，同時不能破壞齒輪傳動，離合器控制裝置能先調(diào)低或拆卸下來；其次齒輪箱和錨機(jī)本體裝置安裝過程中一旦安裝調(diào)整到位后要適當(dāng)緊固起來避免安裝其它部件時受到碰撞發(fā)生移位，但不要完全緊固以備需要進(jìn)一步的精調(diào)，最后必須保證各離合器在相應(yīng)的位置上可以順利滑動。

圖6 錨機(jī)總裝圖

4 錨機(jī)試驗驗證

錨機(jī)整機(jī)試驗分兩個部分，一是錨機(jī)本體裝置靜載試驗，二是錨機(jī)整機(jī)負(fù)載試驗。

圖7 靜載試驗及CCS試驗證書

錨機(jī)本體裝置按照CCS認(rèn)可的《技術(shù)要求》和《試驗大綱》進(jìn)行了帶式剎車試驗和支持負(fù)載試驗試驗，單根帶式剎車負(fù)載為4209kN，支持負(fù)載為7150kN，如圖7所示。將錨機(jī)本體裝置安裝在安裝支架上并套上錨鏈，錨鏈一端繞過錨鏈輪垂向地面，另一端與油缸加載裝置相連，通過逐級加油使加載油缸頂在支架底板上產(chǎn)生所需推力。試驗結(jié)果表明錨機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度要求。

受試驗場地限制，整機(jī)試驗時在錨機(jī)試驗臺架上只安裝了一套錨機(jī)本體裝置（CUR）和傳動裝置，如圖8所示。按照CCS認(rèn)可的《技術(shù)要求》和《試驗大綱》進(jìn)行試驗，主要試驗內(nèi)容有：1）空載試驗；2）負(fù)載試驗；3）錨機(jī)堵轉(zhuǎn)過載試驗；4）應(yīng)急釋放功能試驗；5）剎車試驗。通過試驗表明錨機(jī)主要性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

圖8 整機(jī)試驗及CCS試驗證書

由于工廠試驗臺架的最大有效提升負(fù)載最大為200t，因此錨機(jī)負(fù)載試驗按以下參數(shù)試驗：

齒輪箱低速檔：1200kN-18m/min和1950kN-12m/min

齒輪箱高速檔：430kN-50m/min和980kN-25m/min

5 結(jié)語

錨機(jī)作為深水定位系泊系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備，在整個系泊定位系統(tǒng)國產(chǎn)化研究中有多項關(guān)鍵技術(shù)需要解決。本文通過對三鏈輪臥式深水定位電動錨機(jī)的組成和功能原理分析，解決并掌握了錨機(jī)本體裝置結(jié)構(gòu)研究、拋錨速度控制研究、大扭矩傳動裝置結(jié)構(gòu)研究、大功率錨機(jī)變頻驅(qū)動裝置選型研究、剎車及離合器控制裝置結(jié)構(gòu)研究、大功率錨機(jī)電氣控制技術(shù)研究、錨機(jī)制造和裝配工藝技術(shù)研究等七項關(guān)鍵技術(shù)，并通過了試驗驗證，為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)深水定位系泊系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，希望以此不斷積累經(jīng)驗，最終實現(xiàn)國內(nèi)具備承接深水定位系泊設(shè)備成套的能力。

[1]顧炳.深水定位錨泊系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研究[C].中國國際海事會展高級海事論壇論文集, 2011.

[2]API RP2SK, Design and Analysis of Stationkeeping System for Floating Structures, Third Edition, October 2005.

[3]DNV-OS-E301, Position Mooring，2013.10.

[4]ISO 9089-1989, 海上結(jié)構(gòu)物-移動式近海裝置-錨絞車.

[5]張衛(wèi)群.Q690低合金高強(qiáng)度鋼的焊接工藝分析.金屬加工, 2008(22):52-53.