浅水铺管船用100t电动定位绞车设计与分析

齐 悦 司 翔

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）



浅水铺管船用100t电动定位绞车设计与分析

齐 悦 司 翔

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

摘 要：本文以上海振华重工（集团）股份有限公司自主开发设计的100t电动定位绞车为例，简要介绍绞车设计的基本流程。同时，根据用户给定的绞车基本参数，进行电机、联轴节和制动器等的选择，并校核卷筒等部件的强度。

关键词：定位绞车 电动 设计

铺管船定位绞车用于铺管船铺管作业中的锚泊定位。通过绞车对钢丝绳的收放，进行铺管船的前进、后退和横移。一般作业时，定位绞车使用频率特别高，机构级别也处于较高等级，是铺管作业的重要设备。本文就某浅水铺管工程船上配套的10台100t电动定位绞车为例，对定位绞车的设计做一介绍。

1 定位绞车简介

本铺管船配备10台定位绞车，用于船的定位和移船。绞车布置在主甲板下的绞车舱内，艏4台、艉6台。锚索从绞车引出，通过导向滑轮，引到主甲板上，然后再经导向滑轮和舷边转动导索器引出船外，并同工作锚连接。

由于绞车所需功率大，且对机构稳定性要求极高，所以选择采用电机驱动形式。由电机驱动，通过减速箱变速，带动一对开式齿轮运转。开式大齿轮安装在卷筒上，从而带动卷筒运转，完成收绳和放绳工作。

2 定位绞车主要技术参数

定位绞车的主要技术参数，见表1。

表1 定位绞车的主要技术参数

3 主体构件的计算

3.1 电机功率计算

所需功率P的计算公式，如式（1）所示。

式（1）中，T为额定拉力100t；v为额定速度18m/min；μ为绞车总效率，由减速箱、开式齿轮、滑轮等部件效率计算，取0.9。于是，功率P为319.4kW。

选用功率为320kW的变频电机，额定转速为739r/m，过载能力为150%。

3.2 电机与减速箱、联轴器及电机高速制动器计算

所需传递扭矩，根据经验公式式（2）获得。

式（2）中，P为电机额定功率320kW，n为电机额定转速739r/m，于是M为4135Nm。

选用传递扭矩为11200Nm的联轴节，安全系数为11200/4135=2.7＞2，可行；

选用制动力矩为10380Nm的高速制动器，安全系数为10380/4135=2.5＞1.5，可行。

3.3 卷筒强度计算

钢丝绳14层缠绕。为了加工方便，采用圆钢式半利巴卷筒加排绳机构辅助排绳。

这里，卷筒直径D=17×68=1156mm，卷筒长度L=1480mm，卷筒壁厚δ=115mm。

表2 与卷绕层数有关的系数选择一览表

此外，当D≤1200mm时，L＜2D，则无需对卷筒壁进行稳定性计算。

3.4 带式制动器计算

3.4.1 设计参数

参数情况：支持负载210t（第二层），制动力矩Mb=2100kkNN ⋅1224mm/2=1285kNm。

制动衬垫材料及其性能：陶瓷纤维高强度无石棉编制制动带，摩擦系数μ=0.35，最大比压P0=6MPa，许用比压[p]=4MPa，最高工作温度200℃。

3.4.2 结构形式

采用双向油缸和蝶簧组合结构。蝶簧制动，液压开闸，制动带为方便安装和维护，采用2段结构，如图1所示。

图1 带式制动器力学计算简图

3.4.3 设计计算

制动钢带紧闸端最小拉力Smin由式（4）计算获得。这里，D为带轮直径2.6m，α为制动带包角336°（5.86rad）。结合上述中获得的制动力矩Mb=1285kNm、摩擦系数μ=0.35，计算得Smin为145900N。

进一步，获得制动钢带固定端的最大拉力Smax、制动带带宽B，即

取B=280mm，实际比压p=3.1MPa。

于是，由式（7）和式（8）依次获得制动弹簧力Fs约为97860N、油缸压力P为7.16MPa。考虑到压力损失，取P=10MPa。需要注意的是，i1为至弹簧处的杠杆比1.754， η1为传动效率0.85；D为油缸缸径180mm，d为油缸杆径110mm，F为油缸推力114159N。

3.5 阻尼制动器

阻尼制动器通过带动安装在传动开式小齿轮另外一侧的开式小齿轮，作为绞车放绳时的制动器。在锚机快速放绳时，对卷筒产生一个制动力，从而抵消卷筒上的惯量，使钢丝绳可以一直处于张紧状态。

这里，用Tw表示阻尼制动器阻尼力矩，f代表中间层阻尼力，d代表中间层直径，iw代表阻尼制动器开式齿轮速比6.93。于是，根据式（9）得到阻尼制动器阻尼力矩。

选用WCB124水冷式阻尼制动器，安全系数为15460/10856=1.42＞1，可行。

4 结论

随着海洋工业的发展和南海的开发，工程船用定位绞车的需求逐渐提高。高性能、高稳定性的绞车必将受到更加广泛的关注和应用，也将产生更多的需求。电动移船绞车相较其他定位方式，有结构紧凑、价格低廉、操作简便、相应速度快等优点，是同类产品中的首选。

本文通过一系列计算分析，完成了锚机的各个主要部件的设计，对电机、联轴器、高速制动器及阻尼制动器进行了选型，对卷筒、开式齿轮及带式制动器进行了计算分析。通过经济可靠的方式，满足了用户对产品各种功能的需求。

由于绞车各个部件均采用电气或液压控制，并在每台绞车周围装有CCTV监控系统，所以该绞车可以在机旁进行控制，也可以在驾驶台进行远程操控，且可以在驾驶台进行10台绞车联动，进行一键操控，大大降低了绞车操作的难度，节省了用户人力，降低人为出错的可能性。

参考文献

[1]兰铁军.基于Pro/Engineer、Ansys的收放绞车结构的有限元优化设计[D].天津：天津大学，2007.

[2]马天亮，李军营，王福山，等.基于ANSYS的绞车滚筒结构强度分析及优化设计[J].石油机械，2011，（7）：48-51.

[3]张建，唐文献，魏月庭.基于有限元法的某船舶锚机设计与分析[J].机械设计与制造，2012，（7）：15-17.

[4]胡甫才，周勇，向阳，等.锚机机座有限元分析与试验研究[J].航海工程，2007，（2）：53-56.

[5]方振兴，张连达.锚机基座有限元分析[J].广东造船，2008，（1）：40-42.

[6]中国船级社.钢制海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7]戴相富.钻修机绞车滚筒的有限元分析[J].石油矿场机械，

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