王東升，王　偉，鹿棟梁，陳建文海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

浮式起重船電動拖拉絞車恒張力試驗方案研究

王東升，王偉，鹿棟梁，陳建文
海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

電動拖拉絞車恒張力控制具有保護(hù)絞車和鋼絲繩，防止過載等優(yōu)點。以國內(nèi)某浮式起重船船尾處的4臺電動拖拉絞車為研究對象，測試恒張力控制效果?？紤]到絞車空間布局、鋼絲繩的路徑和外界制約因素，試驗采用自有絞車兩兩配合的方式。整個試驗分解為設(shè)計準(zhǔn)備階段、預(yù)加恒張力階段、恒張力實施階段、恒張力釋放階段等四個過程，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，詳細(xì)解析每個試驗步驟的操作方式和風(fēng)險點，給出了改進(jìn)措施，最終試驗順利完成，驗證了試驗方案的可行性，可為今后類似項目提供借鑒。

電動拖拉絞車；恒張力試驗；鋼絲繩；試驗方案

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自動化要求日益高漲，恒張力控制已經(jīng)成為海洋工程船舶中各類絞車的必備性能［1］。它時刻跟隨外部環(huán)境的變化，不僅可以保護(hù)絞車和鋼絲繩，防止過載，而且還能維持貨物穩(wěn)定，因此保持恒張力對海洋絞車具有重要意義［2］。

雖然在設(shè)計階段進(jìn)行了各種理論分析和仿真模擬工作，但是從安全角度考慮，在施工階段進(jìn)行實際的恒張力試驗測試工作非常必要。本文介紹了以國內(nèi)某浮式起重船船尾處的4臺電動拖拉絞車為例進(jìn)行的恒張力試驗研究情況。

1　方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成

該船尾處配置了4臺起吊能力40 t的電動拖拉絞車，分別位于吊機(jī)的兩側(cè)，左右舷各2臺，可在駕駛臺遠(yuǎn)程操作或現(xiàn)場操作臺就地控制。每臺絞車額定力矩為1 401 N·m，變頻驅(qū)動。變頻系統(tǒng)采用公共直流母線［3］，外置制動電阻。絞車配備電磁剎車，由變頻系統(tǒng)協(xié)同控制，具有自我對正和磨損補(bǔ)償功能，可手動釋放；設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，實時監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速；設(shè)置有松繩保護(hù)和限位保護(hù)。變頻系統(tǒng)設(shè)置有過流、短路、缺相和變頻器過熱等內(nèi)部保護(hù)。在駕駛室和現(xiàn)場操作臺均設(shè)置有急停按鈕，發(fā)生危險時可緊急停車。

1.2工作模式

拖拉絞車有速度和恒張力兩種工作模式［4］，一般情況下默認(rèn)為速度模式。通過空間矢量變頻控制原理可實現(xiàn)速度和恒張力控制，通過四象限運(yùn)行控制可實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。速度模式和恒張力模式通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，切換過程中保持鋼絲繩的張力不變，卷筒穩(wěn)定不動。對于速度模式，通過操作控制手柄，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)緩慢收繩和放繩；對于恒張力模式，通過緩慢旋轉(zhuǎn)力矩電位計，給定的卷筒力矩跟隨外部力矩的變化，實現(xiàn)緩慢收繩和放繩，以保持張力基本不變。

在制動工況時，電機(jī)處于倒發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的電能回饋到直流母線上，通過公共制動電阻消耗掉多余電能。

2　設(shè)計思路

2.1試驗條件

4臺40 t絞車編號分別為A、B、C、D，其中A、B位于絞車房左側(cè)，C、D位于絞車房右側(cè)。綜合現(xiàn)場位置和試驗工期，有以下制約條件：

（1）絞車位置分散，鋼絲繩出繩路徑分布于吊機(jī)兩側(cè)，空間距離長；即使調(diào)整吊機(jī)扒桿位置，試驗路徑也很難確定，屬于非常規(guī)路徑。

（2）甲板設(shè)備排布緊湊，沒有多余空間用于增加額外的輔助試驗設(shè)備。

（3）外租恒張力絞車費(fèi)用高昂。

2.2設(shè)計方案

力矩控制的原理是當(dāng)鋼絲繩受力大于設(shè)定值時，卷筒自動向外放繩；當(dāng)鋼絲繩受力小于設(shè)定值時，卷筒自動向里收繩，從而達(dá)到穩(wěn)定貨物，實現(xiàn)自動控制的目的［5］。根據(jù)現(xiàn)有條件，提出如下設(shè)計方案：

（1）利用現(xiàn)有絞車，通過絞車兩兩配合的方式，完成絞車恒張力試驗，解決非常規(guī)路徑設(shè)計難點及外租恒張力設(shè)備的問題。恒張力試驗時，一臺絞車為恒張力模式，是被測試對象；另一臺絞車為速度模式，是輔助對象。40 t絞車控制模式配置見表1。

表140　t絞車恒張力模式和速度模式配置

（2）借助專業(yè)的力學(xué)計算和結(jié)構(gòu)分析，選取船體甲板上合適位置設(shè)計板眼作為試驗固定點，通過卸扣和吊帶連接2臺絞車的索節(jié)形成環(huán)路，彼此相連，互相協(xié)作，從而完成恒張力試驗。板眼的受力分析和焊接形式是試驗成敗的關(guān)鍵之一。該板眼的受力分析根據(jù)APIRP 2A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；根據(jù)試驗吊點所承受的最大荷載為1 254.4 kN（考慮2.0倍動載荷系數(shù)），板眼與甲板平面內(nèi)夾角為22.9°，因此板眼的設(shè)計尺寸為：眼點直徑為88 mm；銷軸直徑為85 mm；板眼主板和筋板及加強(qiáng)環(huán)材質(zhì)為：GB 712-2000《船體用結(jié)構(gòu)鋼》所列的D36，屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。

由于絞車位置的局限性，不同的絞車組合需要通過調(diào)整吊機(jī)扒桿的角度來選取最佳鋼絲繩受力路徑。經(jīng)過計算得出右舷絞車扒桿方位為19.2°，左舷絞車扒桿方位為135.7°。試驗開展之前，要將吊機(jī)扒桿旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)方位。

2.3試驗流程（見圖1）

整個試驗過程分為：試驗準(zhǔn)備階段、預(yù)加張力階段、恒張力實施階段、恒張力釋放階段和試驗總結(jié)。

圖1　試驗流程

2.4試驗準(zhǔn)備

（1）需要完善工作安全分析（JSA），在試驗環(huán)路上連接測力儀進(jìn)行實時受力監(jiān)測，做好風(fēng)險管控。

（2）在試驗環(huán)路上連接拉力計實時監(jiān)測鋼絲繩受力，避免超出安全許可范圍。

（3）保證所用的工機(jī)具都是經(jīng)過標(biāo)定且在檢定有效期內(nèi)，試驗用工機(jī)具見表2。

（4）檢查鋼絲繩的穿繩情況和潤滑程度，滑輪和索節(jié)的安全系數(shù)，確保各設(shè)施符合試驗要求。

3　恒張力試驗

恒張力試驗分為預(yù)加張力階段、恒張力實施階段和恒張力釋放階段，以40 t絞車A和B為例進(jìn)行恒張力試驗分析，B為恒張力模式，是被測試對象；A為速度模式，是輔助對象。

3.1預(yù)加恒張力階段

具體操作細(xì)節(jié)如表3所示。首先限制預(yù)加恒張力矩為絞車B電機(jī)額定張力的10%，力矩旋鈕緩慢由0轉(zhuǎn)到100%，此時絞車A靜止不動，預(yù)加恒張力階段拉力計顯示的最大噸位為22 t（1 t對應(yīng)于9.8 kN），目的是使鋼絲繩帶上一定應(yīng)力，避免鋼絲繩由于受力出現(xiàn)擠壓破損現(xiàn)象。

表2　　恒張力試驗用工機(jī)具

表3　　預(yù)加恒張力階段操作明細(xì)

3.2恒張力實施階段

具體操作細(xì)節(jié)如表4所示。首先取消力矩限制，恢復(fù)電機(jī)最大出力。在預(yù)加恒張力的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)定絞車A為速度模式，絞車B為恒張力模式。絞車B力矩旋鈕由0緩慢轉(zhuǎn)到100%，絞車A靜止不動，最大噸位為29 t。通過調(diào)節(jié)輔助絞車的速度和轉(zhuǎn)向，觀察被測試絞車的反饋動作和鋼絲繩受力情況。

從表4可以看出，當(dāng)絞車A往外放繩時，絞車B能夠自動往里收繩；當(dāng)絞車A往里收繩時，絞車B能夠自動往外放繩，從而滿足了設(shè)計要求。同時，需要注意的是，當(dāng)絞車A往里收繩時，鋼絲繩受力遠(yuǎn)大于絞車A往外放繩時的受力。最后，隨著絞車A電機(jī)的不斷加速，鋼絲繩受力也不斷增加。

表4　　恒張力試驗操作明細(xì)

經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)，重物在勻加速直線運(yùn)動狀態(tài)（即考慮動荷載狀態(tài)）下，動荷系數(shù)Kd最大取值為2。但當(dāng)遭受到?jīng)_擊等瞬時變化荷載時重物的動力放大系數(shù)會更大。所以在吊點設(shè)計過程中將吊點所受荷載在考慮2倍動力放大基礎(chǔ)上再放大1.6倍。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在進(jìn)行40 t絞車張力試驗過程中，拉力計瞬時顯示的最大噸位達(dá)到了141 t，超過了設(shè)計數(shù)據(jù)128 t，同時也說明了試驗的危險性。

相反，當(dāng)設(shè)置絞車A為恒張力模式，絞車B為速度模式時，只要重復(fù)上述步驟即可。

3.3恒張力釋放階段

恒張力釋放時，應(yīng)把電位計緩慢歸零。在本次試驗中，當(dāng)力矩釋放到10%時，拉力計仍然顯示為9.26 t；當(dāng)力矩旋鈕歸零時，拉力計顯示為2 t，所以電位計不能過快歸零，要緩慢釋放鋼絲繩應(yīng)力，否則容易發(fā)生鋼絲繩咬合的現(xiàn)象，會損壞索節(jié)或滑輪。

待電位計歸零，鋼絲繩應(yīng)力為零后，取消所有力矩模式，改為速度模式；同時小心拆除索節(jié)和滑輪，清理試驗現(xiàn)場。

3.4試驗注意事項

最終順利完成拖拉絞車恒張力試驗，但由于恒張力試驗危險系數(shù)較高，試驗中必須注意如下事項：

（1）穿繩時，必須施加20%的預(yù)張緊力，為此可以選用專用放線車（排纜機(jī)）；避免鋼絲繩跳層、壓繩和擠壓等現(xiàn)象，以防止斷線、斷股和變形等問題；避免用鐵錘敲打，防止鋼絲繩表面受損；鋼絲繩繩頭壓板需要測試力矩，索節(jié)按照施工工藝制作良好，且要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）所有定滑輪和動滑輪不允許有裂紋，并且潤滑良好。

（3）試驗前做好應(yīng)急預(yù)案，增加安全系數(shù)。

（4）試驗時，實時觀察鋼絲繩及絞車的試驗狀態(tài)，尤其注意鋼絲繩路徑長度，索節(jié)走向和鋼絲繩運(yùn)行速度，盡量避免索具與滑輪碰撞。

（5）操作絞車時要時刻保持通訊暢通，最好配備經(jīng)驗豐富的絞車操作手；調(diào)節(jié)力矩電位計時，要謹(jǐn)慎適度，按口令操作。

（6）張力釋放時要謹(jǐn)慎小心，避免釋放過快使鋼絲繩發(fā)生纏繞。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計的浮式起重船電動拖拉絞車恒張力試驗方案充分考慮了自有資源，克服了不利因素，采取兩兩配合的方式，有序切換恒張力模式和速度模式，成功完成了絞車恒張力試驗。試驗數(shù)據(jù)顯示絞車的性能和功能達(dá)到了設(shè)計要求；同時，試驗的成功驗證了試驗方案的可行性。

拖拉絞車用途各異，不同的現(xiàn)場工況有不同的制約因素，需要靈活運(yùn)用現(xiàn)場資源，設(shè)計不同的測試方案；同時規(guī)避和管控風(fēng)險因素，確保試驗方案的可行性。本文設(shè)計的電動拖拉絞車恒張力試驗方案可為今后類似試驗提供借鑒。

［1］李晨浩，李偉.系泊絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.船舶，2005（2）：48-52.

［2］鄢華林，宋林.恒張力絞車的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動，2011（7）：80-83.

［3］車向中，郭建斌.基于公共直流母線的挖泥船絞車變頻控制系統(tǒng)［J］.船電技術(shù)，2009，29（3）：44-48.

［4］江峰，陳愷愷.淺析船用被動式恒張力控制液壓絞車［J］.液壓氣動與密封，2013（11）：38-40.

［5］王志勇，徐志強(qiáng)，倪漢華.拖網(wǎng)絞車變頻控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（1）：222-227.

Studyon Constant Tension Test Scheme ofElectricalL oad Tugger ofFloating Crane

WANG Dongsheng，WANG Wei，LU Dongliang，CHEN Jianwen
China Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

The constant tension control of an electrical load tugger has the advantages of protecting tugger and steel wire rope and preventing overload.Taking 4 electrical load tuggers in the stern of a domestic floating crane as the test objects，the effect of the constant tension control test is studied.In consideration of the tuggers layout，steel wire rope route and outside restrict factors，the test way of two tuggers working in pairs is adopted.The whole test procedure is devided into 4 stages，i.e.design and test preparation，adding pre-constant tension，adding constant tension and releasing constant tension.Based on the site test data，the operation way and risk point in each test step are detailed analyzed and the improvement measures are put forward.The successfultest demonstrates the feasibility of the test scheme and provides reference for future similar test projects.

electricalload tugger；constant tension test；steelwire rope；test scheme

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.019

王東升（1981-），男，山東青島人，高級工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，碩士，主要從事海洋采油平臺及船舶的調(diào)試工作。Email：274583654@qq.com

2015-09-15