齊 悅 司 翔

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

?

淺水鋪管船用100t電動(dòng)定位絞車設(shè)計(jì)與分析

齊 悅 司 翔

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

摘 要：本文以上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司自主開發(fā)設(shè)計(jì)的100t電動(dòng)定位絞車為例，簡要介紹絞車設(shè)計(jì)的基本流程。同時(shí)，根據(jù)用戶給定的絞車基本參數(shù)，進(jìn)行電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等的選擇，并校核卷筒等部件的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：定位絞車 電動(dòng) 設(shè)計(jì)

鋪管船定位絞車用于鋪管船鋪管作業(yè)中的錨泊定位。通過絞車對(duì)鋼絲繩的收放，進(jìn)行鋪管船的前進(jìn)、后退和橫移。一般作業(yè)時(shí)，定位絞車使用頻率特別高，機(jī)構(gòu)級(jí)別也處于較高等級(jí)，是鋪管作業(yè)的重要設(shè)備。本文就某淺水鋪管工程船上配套的10臺(tái)100t電動(dòng)定位絞車為例，對(duì)定位絞車的設(shè)計(jì)做一介紹。

1 定位絞車簡介

本鋪管船配備10臺(tái)定位絞車，用于船的定位和移船。絞車布置在主甲板下的絞車艙內(nèi)，艏4臺(tái)、艉6臺(tái)。錨索從絞車引出，通過導(dǎo)向滑輪，引到主甲板上，然后再經(jīng)導(dǎo)向滑輪和舷邊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)索器引出船外，并同工作錨連接。

由于絞車所需功率大，且對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性要求極高，所以選擇采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過減速箱變速，帶動(dòng)一對(duì)開式齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)。開式大齒輪安裝在卷筒上，從而帶動(dòng)卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)，完成收繩和放繩工作。

2 定位絞車主要技術(shù)參數(shù)

定位絞車的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 定位絞車的主要技術(shù)參數(shù)

3 主體構(gòu)件的計(jì)算

3.1 電機(jī)功率計(jì)算

所需功率P的計(jì)算公式，如式（1）所示。

式（1）中，T為額定拉力100t；v為額定速度18m/min；μ為絞車總效率，由減速箱、開式齒輪、滑輪等部件效率計(jì)算，取0.9。于是，功率P為319.4kW。

選用功率為320kW的變頻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為739r/m，過載能力為150%。

3.2 電機(jī)與減速箱、聯(lián)軸器及電機(jī)高速制動(dòng)器計(jì)算

所需傳遞扭矩，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式式（2）獲得。

式（2）中，P為電機(jī)額定功率320kW，n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速739r/m，于是M為4135Nm。

選用傳遞扭矩為11200Nm的聯(lián)軸節(jié)，安全系數(shù)為11200/4135=2.7＞2，可行；

選用制動(dòng)力矩為10380Nm的高速制動(dòng)器，安全系數(shù)為10380/4135=2.5＞1.5，可行。

3.3 卷筒強(qiáng)度計(jì)算

鋼絲繩14層纏繞。為了加工方便，采用圓鋼式半利巴卷筒加排繩機(jī)構(gòu)輔助排繩。

這里，卷筒直徑D=17×68=1156mm，卷筒長度L=1480mm，卷筒壁厚δ=115mm。

表2 與卷繞層數(shù)有關(guān)的系數(shù)選擇一覽表

此外，當(dāng)D≤1200mm時(shí)，L＜2D，則無需對(duì)卷筒壁進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

3.4 帶式制動(dòng)器計(jì)算

3.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

參數(shù)情況：支持負(fù)載210t（第二層），制動(dòng)力矩Mb=2100kkNN ?1224mm/2=1285kNm。

制動(dòng)襯墊材料及其性能：陶瓷纖維高強(qiáng)度無石棉編制制動(dòng)帶，摩擦系數(shù)μ=0.35，最大比壓P0=6MPa，許用比壓[p]=4MPa，最高工作溫度200℃。

3.4.2 結(jié)構(gòu)形式

采用雙向油缸和蝶簧組合結(jié)構(gòu)。蝶簧制動(dòng)，液壓開閘，制動(dòng)帶為方便安裝和維護(hù)，采用2段結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 帶式制動(dòng)器力學(xué)計(jì)算簡圖

3.4.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

制動(dòng)鋼帶緊閘端最小拉力Smin由式（4）計(jì)算獲得。這里，D為帶輪直徑2.6m，α為制動(dòng)帶包角336°（5.86rad）。結(jié)合上述中獲得的制動(dòng)力矩Mb=1285kNm、摩擦系數(shù)μ=0.35，計(jì)算得Smin為145900N。

進(jìn)一步，獲得制動(dòng)鋼帶固定端的最大拉力Smax、制動(dòng)帶帶寬B，即

取B=280mm，實(shí)際比壓p=3.1MPa。

于是，由式（7）和式（8）依次獲得制動(dòng)彈簧力Fs約為97860N、油缸壓力P為7.16MPa?？紤]到壓力損失，取P=10MPa。需要注意的是，i1為至彈簧處的杠桿比1.754， η1為傳動(dòng)效率0.85；D為油缸缸徑180mm，d為油缸桿徑110mm，F(xiàn)為油缸推力114159N。

3.5 阻尼制動(dòng)器

阻尼制動(dòng)器通過帶動(dòng)安裝在傳動(dòng)開式小齒輪另外一側(cè)的開式小齒輪，作為絞車放繩時(shí)的制動(dòng)器。在錨機(jī)快速放繩時(shí)，對(duì)卷筒產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力，從而抵消卷筒上的慣量，使鋼絲繩可以一直處于張緊狀態(tài)。

這里，用Tw表示阻尼制動(dòng)器阻尼力矩，f代表中間層阻尼力，d代表中間層直徑，iw代表阻尼制動(dòng)器開式齒輪速比6.93。于是，根據(jù)式（9）得到阻尼制動(dòng)器阻尼力矩。

選用WCB124水冷式阻尼制動(dòng)器，安全系數(shù)為15460/10856=1.42＞1，可行。

4 結(jié)論

隨著海洋工業(yè)的發(fā)展和南海的開發(fā)，工程船用定位絞車的需求逐漸提高。高性能、高穩(wěn)定性的絞車必將受到更加廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，也將產(chǎn)生更多的需求。電動(dòng)移船絞車相較其他定位方式，有結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、操作簡便、相應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是同類產(chǎn)品中的首選。

本文通過一系列計(jì)算分析，完成了錨機(jī)的各個(gè)主要部件的設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)、聯(lián)軸器、高速制動(dòng)器及阻尼制動(dòng)器進(jìn)行了選型，對(duì)卷筒、開式齒輪及帶式制動(dòng)器進(jìn)行了計(jì)算分析。通過經(jīng)濟(jì)可靠的方式，滿足了用戶對(duì)產(chǎn)品各種功能的需求。

由于絞車各個(gè)部件均采用電氣或液壓控制，并在每臺(tái)絞車周圍裝有CCTV監(jiān)控系統(tǒng)，所以該絞車可以在機(jī)旁進(jìn)行控制，也可以在駕駛臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，且可以在駕駛臺(tái)進(jìn)行10臺(tái)絞車聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行一鍵操控，大大降低了絞車操作的難度，節(jié)省了用戶人力，降低人為出錯(cuò)的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1]蘭鐵軍.基于Pro/Engineer、Ansys的收放絞車結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[2]馬天亮，李軍營，王福山，等.基于ANSYS的絞車滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2011，（7）：48-51.

[3]張建，唐文獻(xiàn)，魏月庭.基于有限元法的某船舶錨機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，（7）：15-17.

[4]胡甫才，周勇，向陽，等.錨機(jī)機(jī)座有限元分析與試驗(yàn)研究[J].航海工程，2007，（2）：53-56.

[5]方振興，張連達(dá).錨機(jī)基座有限元分析[J].廣東造船，2008，（1）：40-42.

[6]中國船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7]戴相富.鉆修機(jī)絞車滾筒的有限元分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，

2009，（3）：46-48.

Design of 100t Electric Positioning Winch

QI Yue,SI Xiang
(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd.,Shanghai 200125)

Abstract:The paper based on the 100t electric positioning winch which is independently developed by Shanghai Z henhua Heavy Industries Co., Ltd introduces the basic design process of winch. According to the parameters given by the users, the paper shows how to choose motor, coupling and brakes etc, and to check the strength of drum and other parts of the winch.

Key words:Positioning winch, Electric, Design