余 威， 王恒智， 李艷春， 張 彪

(1.中國船級社 武漢分社， 湖北 武漢430022； 2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司， 湖北 武漢430084)

0 引 言

近年來，隨著極地區(qū)域越來越多的油氣資源被發(fā)現(xiàn)以及北極東北航道和西北航道交通流量的上漲，世界各國對高冰級的極地原油運(yùn)輸船、多用途集裝箱船、LNG船的需求不斷增加[1]。對于不同類型的極地航行船舶，為了滿足船舶自身的航行和功能要求，必須為其配套相應(yīng)的舾裝設(shè)備。錨絞機(jī)作為保障船舶航行安全的重要設(shè)備，無論對油船還是貨船都是必不可少的一類甲板機(jī)械，研究并掌握以錨絞機(jī)為代表的極地航行船舶機(jī)電配套設(shè)備具有重要的意義。

1 低溫環(huán)境對設(shè)備的影響分析

極地地區(qū)低溫多冰、氣候惡劣。統(tǒng)計(jì)表明，北極點(diǎn)的年平均氣溫為-23 ℃，冬季的平均氣溫為-34 ℃，最低氣溫可達(dá)-68 ℃。北冰洋海氣交換強(qiáng)烈，濕度很大，大部分時(shí)間相對濕度都在95%以上，經(jīng)常有霧生成，不利于常規(guī)船舶的航行。

由于極地環(huán)境的特殊性，相較于普通船舶用甲板機(jī)械，船舶所裝備的甲板機(jī)械，特別是安裝在露天甲板面上的錨絞機(jī)須面對眾多問題(見圖1)，如：冰雪帶來的附加載荷；結(jié)構(gòu)件因材料的低溫脆性而損壞；鑄鋼(鐵)件出現(xiàn)凍裂現(xiàn)象；鋼絲繩因低溫出現(xiàn)凍硬現(xiàn)象，會難于纏繞甚至斷股；工作液凝結(jié)；橡膠密封件脆化、失效；電氣線路出現(xiàn)硬、脆現(xiàn)象等。

圖1 低溫對設(shè)備的影響

受到上述因素的影響，設(shè)計(jì)和建造適用于極地航行船舶的錨絞機(jī)存在以下幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)需要突破：(1)材料選型與應(yīng)用；(2)關(guān)鍵部件與系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)；(3)大溫差環(huán)境下的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 極地航行船舶錨絞機(jī)需求分析

目前極地航行船舶主要分為兩大類：一類是以油氣開發(fā)、海洋勘測等為目的的海工特種船舶；另一類是以貿(mào)易物流為主的商船。

一般而言，海工特種船舶總體排水量較小，船體甲板采用封閉式設(shè)計(jì)，其使用的錨絞機(jī)位于艙室內(nèi)部，環(huán)境相對可控，故本文不再進(jìn)行討論。

對于以油船、集裝箱船等為代表的商船，其船體通常選擇開敞式甲板，將錨絞機(jī)等系船設(shè)備直接放置于露天，其對應(yīng)的泵組、電控系統(tǒng)等則安放在艙室內(nèi)(見圖2)。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是增大了船舶內(nèi)部空間利用率，降低了整體建造難度，但也存在明顯的不足，即位于露天環(huán)境的錨絞機(jī)機(jī)械裝置將直接面對極地惡劣的氣候環(huán)境，給設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用帶來了一系列挑戰(zhàn)。

圖2 極地錨絞機(jī)總體布局

本文結(jié)合某型極地航行船舶錨絞機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例，從材料選型、防寒設(shè)計(jì)、大溫差環(huán)境下的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面對適用于極地環(huán)境的錨絞機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析和闡述。該型錨絞機(jī)設(shè)計(jì)服務(wù)溫度為-63～45 ℃，采用電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)鏈徑Φ66 mm，AM3級。

3 設(shè)計(jì)控制點(diǎn)

3.1 材料選型與應(yīng)用

對于極地錨絞機(jī)而言，材料選型和應(yīng)用的最大難題是如何經(jīng)濟(jì)、有效地克服低溫引起的金屬材料冷脆和非金屬材料(主要是密封件)失效問題。

一般而言，錨絞機(jī)所使用的金屬材料包括板材、圓材、鍛件、鑄件等。板材一般用于機(jī)座、齒輪箱、支架等結(jié)構(gòu)件的制作，要求具有良好的可焊性；圓材用于銷軸、主軸等零部件制作，由于這些零件一般均承受較大載荷，因此被要求具有較高的強(qiáng)度；鍛件常用于齒輪等重要受力構(gòu)件的制作，且應(yīng)具有一定可焊性；鑄件則主要為錨鏈輪的材料，被要求具有良好的鑄造性能。除上述要求外，所有承載構(gòu)件都應(yīng)具有良好的低溫沖擊韌性，在規(guī)定的溫度下構(gòu)件材料的夏比V 型缺口沖擊試驗(yàn)得出的沖擊功平均值應(yīng)不小于20 J[2]。

根據(jù)上述要求，結(jié)合船級社規(guī)范、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和力學(xué)性能試驗(yàn)，極地錨絞機(jī)所需的金屬材料可參考表1進(jìn)行選取。

針對非金屬密封材料，承受一定工作壓力的液壓密封可采用耐低溫材質(zhì)，如聚四氟乙烯、耐低溫橡膠[3]等，其與系統(tǒng)工作介質(zhì)有良好的相容性。對于不承受壓力的潤滑密封，可采用氈圈等對溫度變化不敏感的密封件。

3.2 關(guān)鍵部件與系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)

錨絞機(jī)位于船首，易受到上浪、水花飛濺的影響，在低溫環(huán)境下極易出現(xiàn)大面積積冰、凍結(jié)的現(xiàn)象。因此，結(jié)構(gòu)的積冰、運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的凍結(jié)、潤滑系統(tǒng)的冷凝是錨絞機(jī)防寒設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題。

(1) 結(jié)構(gòu)的防寒設(shè)計(jì)。對于一般的承載結(jié)構(gòu)，常見的防積冰措施有伴熱和涂層等兩大類。對于安裝在開敞甲板面上的錨絞機(jī)而言，整體伴熱需要消耗巨大的能量，且會增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，不利于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。涂層法則是在設(shè)備表面涂上一層憎水劑，降低水與設(shè)備表面之間的黏附力，使得水滴在凍結(jié)前滾下垂直或傾斜表面。如果是水平表面，水滴則會以球形的形式凍結(jié)，這樣將會減少冰凍與設(shè)備之間的黏附力，使其可被輕易去除[4]。目前已有的有機(jī)硅憎水劑在涂裝后可耐受-70 ℃的低溫，滿足極地環(huán)境的使用要求，且低溫下的小樣試驗(yàn)效果良好，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防積冰方案。

表1 極地錨絞機(jī)材料選型(-60 ℃級)

(2) 機(jī)構(gòu)的防寒設(shè)計(jì)。增加防護(hù)罩和密封裝置是解決運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)凍結(jié)的有效手段之一。對于外露旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，如離合器，可在其外部增設(shè)可拆卸式的防護(hù)罩，避免大范圍凍結(jié)、積冰；而對于軸承位等部位，則應(yīng)在軸承座外加密封透蓋，并增加硅氟橡膠材料的墊片和密封圈以避免大量雨水浸入軸承位導(dǎo)致主軸凍結(jié)造成設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 軸承位防寒設(shè)計(jì)

(3) 潤滑系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)。極地錨絞機(jī)潤滑系統(tǒng)的防寒設(shè)計(jì)總體思路是伴熱和改變潤滑方式。對于必須采用液體潤滑的部位(如傳動(dòng)齒輪)：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其設(shè)計(jì)為全封閉式結(jié)構(gòu)并設(shè)置溫度傳感器、加熱器；其次還應(yīng)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低油箱內(nèi)的容積，使得加熱器可在短時(shí)間內(nèi)迅速提升箱內(nèi)油液溫度；最后，系統(tǒng)可采用溫度適用范圍較廣的潤滑油，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的潤滑性能。對于不必采用液體潤滑的部位：建議采用固定潤滑的方式避免冷凝問題，例如傳動(dòng)軸可使用自潤滑滑動(dòng)軸承(見圖4)，軸承本體材料選擇ZCuZn25Al6Fe3Mn3[5]，潤滑劑選擇溫度適用范圍廣泛的石墨，配合外部的阻水密封裝置，可滿足錨絞機(jī)的使用要求。

圖4 銅合金鑲嵌固體潤滑軸承

3.3 大溫差環(huán)境下的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)部件準(zhǔn)確的配合尺寸是其正常、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。對于極地航行船舶，極地航區(qū)的環(huán)境溫度與其他航區(qū)的溫差可能達(dá)到數(shù)十度，因此在錨絞機(jī)的設(shè)計(jì)中必須考慮到高低溫對傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是公差與配合的選擇，而不同材料的熱膨脹系數(shù)存在一定差異，這就導(dǎo)致錨絞機(jī)在高低溫變化的環(huán)境下可能出現(xiàn)配合失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5是錨絞機(jī)典型傳動(dòng)系統(tǒng)示例。圖中包括軸-軸承、聯(lián)軸節(jié)等，這其中涉及“鋼-鋼”“鋼-銅”等不同熱膨脹系數(shù)的材料副，也包括間隙、過盈、過渡等3類配合關(guān)系。通過理論分析和小樣試驗(yàn)結(jié)果可知：銅相對鋼的熱膨脹系數(shù)更大，因此對于以軸與軸承(鋼-銅)為代表的間隙配合，選擇較常規(guī)配合偏小的間隙公差帶；對于以軸承座與軸承(鋼-銅)為代表的過盈配合，選擇較常規(guī)更緊密的中等過盈公差帶；對于以軸與連軸節(jié)(鋼-鋼)為代表的過渡配合，在盡量選擇同一材質(zhì)或類似材質(zhì)的前提下不變。

圖5 錨絞機(jī)典型傳動(dòng)系統(tǒng)

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段，國際造船市場需求以高技術(shù)、高性能船舶為主導(dǎo)。為降低船舶的營運(yùn)成本，提高船舶運(yùn)輸?shù)男?，開展極地船舶甲板機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)勢在必行。

本文對極地航行船舶錨絞機(jī)設(shè)計(jì)過程中的要點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論，針對錨絞機(jī)自身的布局和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和原理性試驗(yàn)，以經(jīng)濟(jì)性、有效性為前提，歸納總結(jié)了材料選型清單，提出結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)防寒以及大溫差下的傳動(dòng)系統(tǒng)公差配合選取等設(shè)計(jì)方案供廣大船舶設(shè)備設(shè)計(jì)工作者參考和討論，希望能為中國極地航運(yùn)的發(fā)展提供一定幫助。