大型船用拖缆机的检验要点分析

2012-01-22

船海工程 2012年5期

(中国船级社武汉分社，武汉 430022)

1 拖缆机的类型及其发展现状

1.1 拖缆机的分类

拖缆机按照驱动方式可分为蒸汽机拖缆机、柴油机拖缆机、电动拖缆机和电动液压拖缆机等。按照其操作控制方式的不同可以分为自动拖缆机和非自动拖缆机[1]。

拖缆机在进行拖带作业时，如果海面风平浪静，拖船以一定航速拖带被拖船按拖船航迹航行，排缆中收到的是恒值拉力；当有风浪时，拖船与被拖船间将出现相对航速，比如，当船在波峰、波谷时，缆绳将被拉紧、放松，此时缆绳中的拉力将急剧增多、减小。如拖船的艏艉线与缆绳间有较大倾角，则因拖船常比被拖船小，此时可能使拖船倾斜甚至倾覆，为此要求拖缆机能自动缓和缆绳中的巨大冲击力，使其在风浪中进行拖带作业时，能够在半个波浪周期内放出足够长的缆绳以缓和剧增的拉力，能在另半个波浪周期内收完前半个波浪周期放出的缆绳，以防止缆绳松弛。另外，对放出的缆绳长度必须检测，以保证拖船和被拖船之间的相对距离，同时可以避免放缆绳过长或收绳过多造成事故。

1.2 拖缆机的发展现状

早期的拖缆机主要为非自动型，随着技术进步和用户要求的不断提高，现在拖缆机基本上为自动型拖缆机，通过电控系统对拖缆机的机械、液压和电气部分进行自动控制，安全性和可靠性大大提高，目前，我国生产的大部分拖缆机主要采用电动液压驱动和控制。

2008年6月，江苏海泰船舶设备公司为广东粤新造船股份有限公司建造的起锚供应船提供了100 t拖缆机。目前，该公司已自主研发、生产了80 t、150 t、200 t系列拖缆机并已成功交付使用。近期，该公司与挪威一家公司达成贴牌生产合作协议，将制造300 t大型拖缆机，用于斯里兰卡船东订造的船舶。其卷筒负载为300 t×6 m/min、动力制动为(60～300) t×(0～35) m/min、支持负载400 t。

武汉船用机械有限责任公司已成功研制了海洋工程船超大型低压拖缆机。其设计采用闭环流量张力非线性控制方法，开发了大型拖缆机控制系统软件；在国内首次提出了船用拖曳设备应急释放模糊控制方法，建立了拖缆机应急释放数学模型及动态制动与张力仿真分析模型，并得到试验及实船验证；通过控制容错设计，实现了拖缆机信号的集成处理与实时监控。其250 t拖缆机成果已在7 400 kW三用工作船上得到应用，主要性能指标处于国内领先水平，对促进我国海洋工程船超大型低压拖缆机技术的提升具有重要作用。

其他国内船舶机械生产厂家如华南船舶机械厂生产过16 t液压拖缆机，25 t电动拖缆机；南京绿洲机器厂生产过25、35 t电动液压拖缆机；无锡江南船舶设备厂也生产过拖缆机。

目前，拖缆机已经向标准化方向发展，国际标准ISO7365规定了拖缆机的分类、技术要求和验收试验等内容，国家标准GB11869-2007《远洋船用拖曳绞车》参考了该国际标准，另外，《船舶与海上设施法定检验规则(海上拖航法定检验技术规则)》(1999)对船用拖缆机的相关内容也有具体规定。

2 拖缆机的主要机构及形式

拖缆机主要由执行机构、驱动装置、电控系统等部分构成。某公司生产的250 t电动液压拖缆机结构见图1。

该250 t双滚筒拖缆机拟用于某海洋工程支持船上，其驱动方式为电动-液压驱动，采用低速大转矩叶片马达作为动力驱动元件，并具有三档速度自动切换的功能，以适应不同工况下作业的需要(高速轻载、低速重载)。双卷筒上下瀑布式布置。上卷筒为拖曳卷筒,下卷筒为起抛锚卷筒。电控系统采用PLC控制器，实现对拖缆机的监测、控制和保护功能。该拖缆机的主要性能参数见表1。

图1 250 t拖缆机的结构

表1 TL-2500型拖缆机主要性能参数一览表

2.1 拖缆机的执行机构

拖缆机执行机构主要包括：卷筒装置、驱动系统、排缆系统、刹车装置、机座等。

2.1.1 滚筒装置

卷筒装置主要由滚筒、低速大齿轮M25Z123、铰孔螺栓以及标准件组成。滚筒、低速大齿轮M25Z123为钢结构件形式，滚筒外形尺寸约为直径2 600 mm、长度4 900 mm，重量17 t，为保证起吊安全性、可靠性，焊接过程中及装配翻身时必须使用设计吊耳，并采用四点起吊的方式。低速大齿轮M25Z123外形尺寸直径3 125 mm、长度400 mm，重量4.8 t。其它部件还包括侧板、主轴、压绳块、制动轮、轴承端盖等，卷筒实现拖曳和起抛锚作用。见图2。

2.1.2 驱动部件

驱动部件主要包括液压马达、液压马达高速小齿轮、驱动轴、高速大齿轮、离合器小齿轮、离合器等，离合器采用牙嵌离合器，其在操纵时依靠液压动力进行，驱动轴通过离合器的分合作用实现规范中关于拖缆机在制动、拖曳与回收等操作时，能从驾驶室应急释放缆绳[2]。该拖缆机上下了个卷筒各配置两个液压马达，每个滚筒的液压马达设计成由一组遥控阀组同时控制，见图3。液压马达高速小齿轮，通过与高速大齿轮的啮合带动驱动轴的运转，见图4。

图2 拖缆机滚筒装置

2.1.3 制动装置

根据GB11869-2007《远洋船用拖曳绞车》的规定，拖缆机制动装置应能对卷筒进行制动，它能支持2.5倍最大系柱拉力的负载，其最小值不应小于钢丝绳的破断拉力。由于大型拖缆机的制动力矩很大，因此一般采用带式制动器作为卷筒的制动装置，特殊情况下还可以增加一套棘轮止动装置。该250 t拖缆机采用带式刹车带的制动方式，通过液压油缸对上下滚筒实现刹车作用。

图3 拖缆机液压马达的操纵形式

图4 拖缆机离合器与齿轮的装配形式

2.1.4 排缆器部件

由于拖缆机的缆绳很长，为保证缆绳在卷筒上缠绕整齐，需要装设排绳装置，排绳装置采用双向螺纹丝杆的形式。主要包括排缆液压马达、支架、链轮轴、导向轴、排缆器支架、滑动轴承、水平滚子轴、垂直滚子轴等，用以在拖缆机收放绳过程中实现对缆绳的导缆作用。

2.2 拖缆机的液压系统

该拖缆机的液压系统主要由两套独立的主液压泵站和一套伺服泵站组成，其中每套主液压泵站包括两台型号HPD8-8的液压泵和两台电机组成，分别独立作用于两套卷筒的液压马达。液压系统提供的功能主要包括如下内容。

1)向主马达提供动力并控制主马达的旋向和转速；

2)向排缆马达提供动力及排缆控制；

3)制动器控制(上闸、松闸)、离合器控制和蓄能器应急备用；

4)张力控制和应急释放控制，补油放油功能，断电保护和检测保护。

2.3 拖缆机的电控系统

电控系统由驾控系统(含控制面板和驾控PLC单元)、触摸屏、机旁控制系统(含机旁控制面板和机旁I/O单元)、泵站I/O单元、拖缆机主机I/O单元、油泵电机起动器组成。主要用来实现拖缆机的控制、监测和报警等功能[7]。

3 拖缆机检验要点分析

3.1 制造检验过程中主要部件的控制要点

3.1.1 滚筒装置检验控制要点

1)对于上滚筒，在装焊时要保证轴1、轴2与侧板的同轴度不超过1 mm;筒体与两侧板及刹车轮缘的同心度小于2 mm;筒体与两侧板垂直度小于1.5 mm;滚筒两侧板开档尺寸的误差在0～+3 mm之间。焊接成型后要求整体退火，同时焊缝要进行超声波探伤。该轴承为FAG标准滚动轴承,其轴承位尺寸控制应重点关注。

2)低速大齿轮焊接前大齿圈必须按工艺要求进行预热，焊接后要整体退火处理，在加工时以幅板为粗基准校正，保证幅板跳动量在 3 mm以内。

3)下滚筒除关注以上要求外，还须注意主轴与K76锚链轮和K84锚链轮的装配问题。

3.1.2 驱动部件检验控制要点

1)驱动轴原材料为锻件，关注材质证书和探伤报告，调质后按照图纸要求进行性能试验，半精车之后先进行超声波探伤，在进行精车加工时注意保证轴承位的同轴度和圆柱度，两处安装离合器的方在同一平面上。

2)高速大齿轮的齿圈在焊前采取整体预热的方式进行预热，焊后整体退火处理。齿轮加工时，以幅板为粗基准，保证幅板跳动量在1.5 mm以内，同时保证轮毂内孔与齿圈外圆的同轴度、内孔与基准面垂直度要求。

3)离合器小齿轮关注齿轮内孔与啮合圆直径的同轴度、内孔与基准面垂直度要求。

离合器在加工端面凹槽时上数控铣床保证角度93°、87°。内孔双键用线切割的方法加工，键槽宽度方向留余量0.3 mm，与键配磨。

4)高速小齿轮在加工时应注意保证小齿轮内孔锥面的角度正确性，滚齿时与高速大齿轮用同一把刀滚齿，以此保证两者在装配之后的良好啮合。

3.1.3 制动装置检验控制要点

刹车带半径R误差范围为0～2 mm；焊接时注意2个耳板焊接变形量要按图纸的技术要求控制在0.5 mm以内；保证在头部位置与刹车轮缘有约4 mm间隙；连杆在机加工时要注意图纸标识的角度尺寸，上、下滚筒的连杆内方偏角角度不同；刹车油缸的工作压力要保证能提供理论要求的刹车力。

机架外形尺寸7 300 mm×5 400 mm×2 700 mm，焊缝需100%UT探伤，焊后退火去应力处理。机架的轴承座对同轴度要求及尺寸公差要求精度很高，需重点关注。马达安装面宽约900 mm，距机架上平面约1 400 mm，需在镗床上重新校正进行加工。

3.2 装配检验过程中的典型故障问题分析

3.2.1 机架组件

马达与高速大齿轮间隙调整好后，所配孔与机架立板距离太近，经分析，发现图纸上存在设计影响操作的问题，加上结构件焊接存在变形，无法加工孔或安装螺栓，后对立板进行氧割并打磨才将问题解决。

3.2.2 驱动部分

离合器杆销与油缸耳板孔尺寸不相配；离合器控制杆Ⅰ正常操作时与离合器控制杆Ⅱ中止推块相干涉；离合器控制杆Ⅰ正常操作时与滑脂嘴相干涉；由于焊缝的干涉，离合器杆Ⅰ无法装配在机架上。以上现象主要原因是图纸设计及结构件焊接存在问题，未考虑离合器杆实际使用情况。后经过车铜套并冷套进油缸耳板孔中，保证了装配间隙；将止推块长度加工掉25 mm，保证离合器控制杆Ⅰ正常操作；将离合器杆外形尺寸加大及离合器杆销加长，保证使用时滑脂嘴均在离合器杆内部；将离合器控制杆I装配孔下移10 mm，避开焊缝位置。

综合以上问题，建议修改离合器油缸技术要求，保证与销装配尺寸正确，充分考虑结构件装配误差及使用情况，修改止推块及离合器杆Ⅰ图纸上尺寸及位置。

2013－2017 年，我院ICU需使用万古霉素进行抗感染治疗的老年患者共959例，其中行血药浓度监测的有237例（占24.7%）。这237例患者中，男性133例，女性104例；平均年龄（71.2±7.9）岁；均合并肿瘤、心功能不全等疾病；肺部感染98例，血行感染87例，腹腔感染53例，中枢神经系统感染40例（同一患者可能存在多个部位感染，故合计值＞237）；肾功能正常者135例，异常者102例；使用万古霉素的平均疗程为（10.9±7.8）d。

3.2.3 刹车部分

1)刹车带装配检验时发现刹车带相对刹车轮缘扭曲，最大凸出刹车轮缘约20 mm，将其拆下复查，发现其直径120 mm销孔平面与带身平面倾斜约5 mm。该问题属于焊接质量控制不严。要求先将其耳板刨掉，再以销孔为中心校正重新焊接带身。

2)连杆本体与耳板焊接角度不对，造成刹车油缸焊接位置与设计要求偏差太远。先将耳板刨掉，重新下料制作耳板；以连杆本体中心为基准划线，重新焊接耳板；最后上镗床加工耳板孔，后重新装配，达到要求。

3.2.4 排缆器组件

在对排缆器装配检验时，发现排缆器的链条长度偏长，导致排缆器装配后链条与齿轮罩相碰。后按照图纸要求重新调整齿轮，并在排缆器安装底板上增加垫板，问题得以解决。

3.2.5 主泵装配

在主泵装配检验中，调整弹性联轴节与泵的同轴度，多次调整均无法满足设计要求。弹性联轴节与泵同轴度设计要求0.10 mm，实际安装是先将弹性联轴节装于泵轴上单键连接，接触面为具有弹性的橡胶面，同轴度的可调范围为0.3～0.5 mm，再由8件销轴固定弹性联轴节和分动箱的机械胀套。经分析得知，设计所要求的同轴度为0.10 mm 是针对刚性连接的联轴节，而非弹性联轴节。

3.3 试验检验过程中的典型故障问题分析

3.3.1 齿轮啮合噪声问题

拖缆机在高速运转时噪声过大且啮合声音不连续，经目测发现驱动轴存在径向偏摆，并且大小齿轮靠近根部还有强接触痕迹。分析现场试验过程，造成噪音过大的原因可能是驱动轴存在轴向跳动，齿轮啮合间隙过小。为此，进行如下检查。

1)检查驱动轴Ⅰ及驱动轴Ⅱ在机座上的跳动。若跳动过大，可能是安装轴承的轴向挡圈与轴承内圈间隙过大，造成轴承径向游隙过大，高速运转时轴承内圈相对外圈有左右偏摆(假定轴的同轴度与机座的同轴度满足图纸设计要求)，就需要重新拆装驱动轴。具体的操作为：拆除齿轮罩组件Ⅰ，拆下驱动轴Ⅰ上的轴用挡圈Ⅰ，将百分表座放到横梁上，表头放在驱动轴Ⅰ上，缓慢转动驱动轴Ⅰ，检查轴的外圆跳动，并作详细记录，然后逐步提高转速，看百分表指针读数的变化。用同样的方法对驱动轴Ⅱ的跳动进行检查。结果显示，百分表检查驱动轴跳动约为0.08 mm，符合设计要求。由此也得知，噪声问题不是因驱动轴在基座上的跳动引起。

2)检查两对齿轮的间隙。检查高速小齿轮与高速大齿轮的间隙，将齿轮用油清洗干净，在齿向1/3及2/3处各压一条铅丝，缓慢转动齿轮。检查每对齿轮的间隙合及相同个齿的平行度误差。低速小齿轮与低速大齿轮的间隙检查同上。结果显示，高速小齿轮与高速大齿轮啮合间隙过小，通过拔掉马达和轴承架上定位销，松开连接螺栓，取出装配前安放的调整垫板，将每块调整垫板厚度加工去1.5 mm，使齿隙增大约0.5 mm。调整后重新高速运转，啮合噪声已经有很大的改善。用分贝仪在靠近液压泵处(此处为最大噪声处)测量，满足规范要求。

3.3.2 液压管路漏油问题

拖缆机的液压管路在工作中受到持续变化的冲击载荷，是拖缆机的薄弱环节和潜在问题多发点[3]。拖缆机联调试验检验过程中，伺服泵站液压管路多次发生不同程度的漏油，甚至钢管与管接头脱节，整个过程多次发生这个问题，主要漏油和脱节的部位为卡套式接头与不锈钢管的联接处。

经现场分析，拖缆机伺服系统部分在液压配管时选用卡套式接头，而该公司在以往设计常规船品液压管路时，钢管部分大多采用焊接式接头，缺乏卡套式接头的应用经验，而该伺服液压系统的工作压力为高压21 MPa，重新采用无缝钢管焊接连接的方法，并经RT探伤合格后重新试验，未出现漏油现象。

3.3.3 马达同步问题

该拖缆机是由一组遥控阀组同时控制两个液压马达进行操作，两台液压马达同时同步为一个滚筒提供动力，图5所示为拖缆机液压马达布置。

图5 拖缆机液压马达布置

将1#、2#马达简称上滚筒马达，3#、4#马达简称下滚筒马达。由于两个马达在加工工艺和装配工艺等方面存在差异，要求遥控阀组同时传递给两个马达的压力具有一定的准确性、及时性和一致性。在初始的试验中，没有采用如图3所示的用增加连杆的方式来同步控制马达，液压马达无法同时提供滚筒最大力矩，因此试验中无法满足试验的要求。具体试验过程如下。

1)不安装手柄连杆时测量电流与马达手柄偏离中位角度，放绳测量曲线，见图6。此曲线是在反向增加200 mA的电流基础上进行测试的，出口压力值稳定在1.3 MPa。