深水非接触式磁耦合绞车设计方法的研究

张 波， 王 茁， 张佰正， 吴 磊

（哈尔滨工程大学机电学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

深水非接触式磁耦合绞车设计方法的研究

张 波， 王 茁， 张佰正， 吴 磊

（哈尔滨工程大学机电学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

以解决深水环境下旋转轴的动密封为核心问题进行了磁耦合非接触驱动绞车设计方法的研究。该方法分为国内外资料检索查询、相关机构图形分析、二维装配草图创新设计、结构参数的理论计算、三维模型的建立及运动仿真、工程图生成6个设计阶段。此方法具有通用性，可为从事科研任务的研究生、工程技术人员进行自主创新的设计提供借鉴。

磁耦合；绞车；图形分析；计算机辅助设计

深海管道回接技术属于深海油气开发技术，将新开发的油田通过生产管道并入已建管网，可以充分利用已建设施，使主油田周边的边际小油田开发变得经济有效[1]。为了完成海底两个待连接管道的回接作业，需要测量两管道法兰中心的相对距离与位姿，根据距离与位姿参数在作业船或岸上预制一段适合两硬质管道连接的过渡管段。这种测量技术称为深海管道回接位姿测量技术，在我国研究较少，国外公司主要有潜水员辅助拉绳测量系统、ROV辅助拉绳测量系统[2]和水声测量系统[3]。因此，为实现该项技术的国产化自主创新研究，该项目在 2006年被列为国家“863”重点项目。在拉绳测量系统中绞车是其中的关键设备，它的瓶颈问题是深水旋转轴动密封的问题。本文将以解决深水环境下旋转轴的动密封问题为研究核心，采用国外机构图形分析、二维草图总体设计、三维零件建模、机构动画仿真等手段研究绞车的设计方法，为从事科研任务的研究生、工程技术人员进行自主创新的设计提供借鉴。

1 绞车设计方案确定的方法

在进行科研项目的研究时确定设计方案是最关键阶段，它制定的正确与否将直接影响到项目研究的成败，因而，需要设计人员花费一段较长的时间进行潜心研究。如一般科研项目的研究期限为3年，推荐至少用半年以上的时间进行设计方案的研究。

首先，将所研究的项目、所解决的问题进行技术归类。目前，任何一项科研课题的研究无论其技术多新、方向多奇都不会跳出现科学发展基础学科，任何严谨的科研人员都不会给自己的研究下世界独创的结论。因此，只有充分了解所研究技术领域的相关技术才能有的放矢的制定所解决的方案。在这个阶段需要充分利用图书馆检索资源进行相关资料的国内外资料的检索，包括相关期刊、硕士、博士学位、专利等数据库。

其次，根据所查得的国内外资料进行技术总结。对于此测量系统的绞车属于起重绳缆卷筒范畴，作用是拉紧收起或松开放出测量绳缆，与现起重绳缆卷筒不同是应用在深水（1500～15000米）下，需解决电机输出轴水下动密封的瓶颈问题。因此，还需要进行水下动密封技术的检索，通过资料的查询可得：水下动密封的技术主要有4种方式，即：O形圈密封、O形圈与聚四氟乙烯滑环的组合密封、机械密封、磁流体密封，具体特点分别为：第一，一般橡胶O形圈密封压力不能超过1.5MPa，同时，旋转的线速度在3.5m／s以内为宜；第二，组合密封的密封压力为0～70MPa，可用于 7000米以内的水深，旋转的线速度 6m/s以内；第三，磁流体密封，单级密封能力最大可为120kPa～180kPa，整个密封能力很难超越1.5MPa，即水深150米；第四，机械密封，压力可以达到45MPa，温度为200℃～450℃，旋转线速度高达 l50m／s，同样，可用于水深不超过4500m。随着水深的增加，电机动密封承受的压力越来越大，当水深超过4500米时，这4种形式的动密封均达不到密封要求，因而，进行水下回转轴动密封的设计需要特殊考虑压力变化对密封状况的影响。

最后，根据所查询的资料进行创新思考，可采取逐层递进、环环相扣设问的方式进行分析。对于此绞车设计，根据所查得的资料可设问：第一，既然目前水下回转轴动密封技术均受到水深压力变化的制约，那么，能不能有其它的密封方法密封水深 1500～15000米的压力（即压力15～150MPa）？答：由密封形式看，密封分为静密封与动密封两种，静密封可密封150MPa以上的压力。第二，能不能找到将电机输出轴的动密封转换成静密封的方法？答：可将电机包括输出轴全部镶嵌在一个密闭容器中能够实现电机的静密封。第三，如果电机输出轴被封闭，电机的转动又如何传出呢？答：这种非接触的传动再次通过资料的查询可以得到，采用磁力传动可以实现非接触传动，也就是说通过磁力传动可将外界水与内部电机完全分离开来。只要能回答出这3个问题就基本上能够形成解决的办法了，即绞车的设计方案采用电机驱动、磁力传动能够实现电机的全封闭静密封，承受150MPa以上的压力，同时，电机转动通过磁力传递至外界驱动卷筒转动。

2 绞车的结构设计方法

在确定了绞车的设计方案后就需要进行具体的装配结构设计。在装配结构具体设计前需要对所查得的国外相关资料进行图形分析，然后，进行二维装配图的草图设计，虽然现三维模型设计软件功能很完善，但在草图装配设计时需要调整图线多，零件具体形状与尺寸不确定，因此，推荐在装配设计时采用二维装配草图比例1：1真实尺寸设计，这样，才能保证三维模型建立的精确性，也便于工程图的拆解。

2.1 国外机构图形分析

对于绞车的设计，其磁力传动为设计核心，由国外资料可查得有德国流体系统有限公司(GFS)生产的用于腐蚀、易燃、易爆环境中的磁耦合搅拌器[4]，三维结构模型如图1所示。

图1 德国公司磁耦合搅拌器

由图1三维结构模型进行装配拆卸分析，从右端向左端读图，电机4的左法兰与隔离罩1的右法兰通过螺栓7连接成一封闭整体；电机输出轴3通过键与内磁转子2联接被密封在隔离罩1中与外界隔离；外磁转子6与搅拌叶轮5连接通过滑动轴承固定在隔离罩1左端中轴上，这样，电机输出轴3带动内转子2转动，通过磁力耦合传递至外界外磁转子6转动，外磁转子6带动搅拌轮5旋转搅拌腐蚀性物料。

2.2 二维装配草图设计方法

在机械制图画装配图的方法中分别有从外向内、从内向外两种方法[5]。根据国外三维模型的图形装配分析可确定绞车的装配设计采取由内向外的画法，即由磁耦合的局部装配为主线，逐次向外功能扩展。首先，进行电机4的封闭罩设计使其能够下水，其次，进行外磁转子5的驱动卷筒结构设计，最后，进行旋转轴支撑、电机固定、卷筒转动其它部件设计，在计算机上采用图形软件如 CAD、CAXA等设计的二维装配图如图2所示。

图2主要装配关系是：件1左端盖与件8右端盖通过件3定位杆由螺栓连接组成绞车的整体框架装配；件2卷筒左端盖、件4卷筒与件7卷筒右端盖也通过螺栓连接构成卷筒局部装配；电机16固定在件15密封隔离罩中，其左端法兰与件 11磁耦合隔离套通过螺栓连接，两法兰面之间装有O形密封圈14构成静密封装配；外磁转子10通过键9与件2卷筒左端盖连接构成转动装配，件15密封隔离罩与件8右端盖通过键17连接构成电机固定装配；电机 16右端由电机右端盖18通过O形密封圈形成静密封装配，最右端为水密电缆接头。这样，电机 16被密闭在件15，件 18构成的密封容器中，将动密封的形式改变为端面静密封装配结构，解决了电机输出轴水下动密封的瓶颈问题。

图2 绞车二维装配结构

3 绞车结构参数的确定

在确定绞车结构参数时，首先要通过试验，对钢丝绳所需拉力进行测量；然后结合理论分析，推导出产生的误差与竖直挠度的关系；再根据本课题中关于测量装置的误差要求，选取检测绳和绞车电机。

绞车中的绳缆作为拉绳测量系统的测量载体，在使用中除了受到竖直向下的自身重力外，还有来自海浪的冲击载荷、海水浮力等，因而，选取不锈钢钢丝绳，规格为：6×7+IWS圆股、公称直径d：3mm、最小破断力：6.37kN、理论重量：3.17kg/100m。当钢丝绳被拉出一定长度后，在自重作用下下垂，此时将对卷绳机构产生力矩，该力矩决定了卷绳电机功率、输出力矩的大小，也就决定了绞车的结构参数。

3.1 钢丝绳平衡方程及拉力

深水测量中，钢丝绳需要通过两端拉伸保持张紧，即构成一个类似悬索的张力结构，如图3所示，钢丝绳两支点A，B，高度差为c，跨度为l。

对于悬索机构的理论分析，通常要满足以下两个条件：

1） 索是理想柔性的，既不能受压，也不能抗弯。

图3 重力载荷沿跨度分布时钢丝绳曲线形状

图4 钢丝绳微分单元受力分析

根据所选取微分单元静力平衡条件，可列出如下钢丝绳平衡方程

由于外力只考虑重力分布载荷，因此qx=0，方程（2）可以写成

将上式积分两次后得到由方程形式可知，这是一条抛物线，通过进一步确定边界条件，可以确定积分常数C1，C2。

由式（5）知，当钢丝绳所受重力载荷沿跨度分布时，钢丝绳曲线形状为一条抛物线。钢丝绳跨度和两支点相同时，抛物线形状由其所受水平张力FH和竖直方向分布载荷q确定。

对于A、B之间的同一钢丝绳，只要知道其所受水平张力FH，即可确定其抛物线的曲线方程。同理，如果钢丝绳的抛物线方程已知，其所受的水平张力也可以求出。如图3所示，取曲线在跨度中点处的垂度为f。即有

代入式（5）中，求得钢丝绳水平张力FH

由式（7）可知，钢丝绳水平张力FH与分布载荷q成正比，垂度f成反比，f反映了钢丝绳的张紧程度，这如实际情况是完全相符的。

当钢丝绳曲线方程z(x)确定后，根据前面的分析，钢丝绳中各点所受的张力FT可以由下式得到

利用式（5）得到

因此，钢丝绳所受张力FT为

表1 钢丝绳不同垂度下所受拉力

由表1得到的数据可看出，钢丝绳不同垂度下下其所受的拉力T均远远小于其最小破断力Fbmin，即满足强度要求。

3.2 电机功率的确定

利用已经得到的拉力值FT，即可得到所需卷绳电机的功率P。电机功率由下式确定

式中，v——绞车拉绳速度，m/s。

根据式（12）得到不同直径钢丝绳绳长30m、不同垂度时，所需电机功率如表2所示。

表2 不同垂度时所需电机功率

与钢丝绳所受拉力相似，卷线电机功率P与钢丝绳的直径d和垂度f有关。d越大，垂度f越小，功率P也会越大。如d=3mm，f=1500mm时，对应电机功率P=349.5 W。

3.3 结构参数的确定方法

如上所述，在计算出钢丝绳不同垂度时所需电机功率的数据后，根据水下作业对垂度不同的要求，由式(11)确定出钢丝绳拉力，再代入式(12)可得到所需电机的功率。由于水下用电一般为36V以下，选取额定电压24V相应功率的直流电机，直流电机的大小确定后采用由内向外逐层扩展方式进行绞车结构参数的确定，即：首先，由电机确定磁耦合件的尺寸；其次，由磁耦合件外形尺寸结合钢丝绳最小挠度向外扩展就确定了绞车卷筒的外径尺寸；然后，由绞车缠绕钢丝绳的长度可计算出卷筒长度；最后，在卷筒的外径、长度确定后，进行卷筒两端支撑、连接杆、转动副等部件结构参数的确定。

4 绞车的三维模型与运动仿真

4.1 绞车的三维模型的建立

在确定了装置的结构参数后，在三维模型设计前需要对二维装配草图主视图进行详细的修改与完善。而有些设计人员及研究生急于想得到三维模型忽略了这一点，造成三维建模不准，给以后质量特性、干涉检查、运动模拟等分析及零部件工程图的拆画带来困难，以至在工程图绘制时，三维模型转换的二维工程图尺寸精度差，需要重新标注，工作量大，效率低。

对于此绞车的三维模型设计，在确定了结构参数后，需要对图2绞车装配主视图进行详细尺寸设计。之后，采用三维设计软件如 Pro-E、SolidWorks、Inventor、UG等由 CAD 的二维装配图采用由外向内的方法绘制绞车的三维模型如图5所示[6-8]。

图5 绞车的三维模型

在建立绞车的三维模型后可进行计算质量特性、干涉检查、运动模拟等分析，生成的绞车爆炸图如图6所示，组成部件与图2一致，分别是：1左端盖、2卷筒左端盖、3定位杆、4卷筒、5轴承、6隔套、7卷筒右端盖、8右端盖、9键、10外磁转子、11磁耦合隔离套、12内磁转子、13电机输出轴、14 O形密封圈、15密封隔离罩、16电机、17键、18电机右端盖、19电缆水密接头。

图6 绞车爆炸图

4.2 绞车的运动仿真

在绞车三维模型建立后进行机构的运动仿真检验设计的可行性。此绞车的运动分为电机、磁耦合器、卷筒3个顺序转动，卷筒转动实现绳缆的缠绕作业，具体如下：

1） 电机转动 电机由其固定螺钉固定在密封隔离罩15上，该罩由电机座平键17固定在右端盖8上，右端盖8是固定状态，电机16通电后电机输出轴将产生旋转运动。

2） 磁耦合转子转动 电机轴转动带动内磁转子12转动，使得磁场方向改变，外转子10中外磁块将受到这个磁力线的变化产生旋转运动。

3） 卷筒转动 外磁转子 10通过外转子平键9带动卷筒左端盖2旋转，卷筒左端盖2由卷筒联接螺钉与卷筒4联接，外磁转子10的转动将带动卷筒4的转动。

在三维设计软件中按机构运动仿真的步骤通过创建机构、定义机构图元、分析准备、分析模型、结果检查等操作进行上述运动的仿真并形成绞车运动视频文件，存储成*.mpg、*.avi等格式，可在媒体播放软件下播放观察运动的状况，图7为在视频播放中截图所得画面。

通过绞车运动仿真可检验设计是可行的，在此基础上可在图形软件中由三维模型直接转入工程图设计模块进行零部件的设计。

图7 绞车运动仿真

5 结 论

按上述绞车设计方法进行零部件的设计后加工制造出绞车样机，经收放绳缆、拉力检测、水下密封等试验验证了设计的可行性与正确性。现阶段已完成绞车与主机联调并进行了海上试验，如图8所示，图中件1为绞车、件2为测量主机，该项目已经通过有关专家验收鉴定。

图8 绞车海上试验

通过结合科研课题的创新设计，研究了深水非接触式磁耦合绞车的设计方法。该方法具有一定的通用性，可分为：国内外资料检索查询、相关机构图形分析、二维装配草图创新设计、结构参数的理论计算、三维模型的建立及运动仿真及工程图生成6个设计阶段。重点强调了二维装配草图设计在方案创新设计中的作用，而现一些从事科研任务的研究生、指导教师及其用户则先急于看整体宏观效果重视三维建模，却轻视二维装配结构设计，造成三维模型尺寸精度差，在转成工程图时往往需要重新绘制零件，工作重复且效率低。因此，本文所提出的设计方法能够为相关技术人员提供一种自主创新设计的思路，为其所进行科研课题的研究提供借鉴。

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Research on design method of winch driven by contactless magnetic coupling under deepwater

Zhang Bo, Wang Zhuo, Zhang Baizheng, Wu Lei
( College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China )

A design method of the winch driven by contactless magnetic coupling is researched for the core purpose of the turning shaft sealing in a deepwater environment. This method has six design phases, including domestic and foreign information query and retrieval,graphic analyses of relevant structures, innovative design of 2D assembly sketches, a theoretical computation of structure parameters, the 3D modeling and motion simulation and engineering drawing. This method is of generality, which can provide examples for the post-graduate students and engineering personnel in self-renovation design of scientific research.

magnetic coupling; winch; graph analysis; CAD

TH 122

A

1003-0158(2012)01-0008-07

2010-11-29

国家“863”重点资助项目（2006AA09A105-5）

张 波（1967-），女，吉林省吉林市人，副教授，硕士，主要研究方向为水下智能机械技术与工程图学。