300吨远洋船用拖曳绞车设计

丁洋

摘 要：远洋船用拖拽绞车是大型船舶专用拖拽设备，用于拖拽海上设备和失去自航能力的船舶，是军辅船和民船上的关键设备。远洋船用拖拽绞车的可靠性决定着设备和人员的安全。以有限元理论为基础，用UG软件为基础对远洋船用拖曳绞车的机体进行结构分析。对300N及大型远洋船用拖拽绞车的设计进行理论验证。根据得出的数据和分析的结果，对薄弱部位进行优化，然后再进行有限元分析，并得出最终数据。使该远洋船用拖曳绞车的关键部位达到一个理想状态。

关键词：远洋船用拖曳绞车；有限元；海洋开发

中图分类号： U664 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-177-2

本世纪，海洋资源越来越受到重视，海洋资源的开采逐渐成为全球石油勘探的重要领域。据国外权威机构推测，全球油气总储量的44%来自海洋，开采量巨大，是未来开采的主要领域。

目前，在船舶制造业中，船舶机械是其中的核心部分。而在船舶机械中，除主机外，均成为船舶辅机。在船舶辅机中，有一类称为甲板机械，甲板机械是指安装在船舶或海上建筑物甲板上机械的统称。甲板机械又分为远洋船用拖曳绞车、舱盖启闭装置、锚泊机械设备、起重机械设备、操舵机械设备等具备特殊用途的机械设备。主要为船舶的航行、系泊和货物吊运等服务。现代甲板机械融合了当代多项高新技术，已逐步朝电动—液压驱动式、封闭式、自动化、遥控化方向发展。远洋船用拖曳绞车是甲板机械中的主要部分，同时也是船舶辅机的重要组成部分，其技术水平对于船舶制造业和海洋工程的发展都着十分重要的意义。

有限元法是现代产品及其结构设计的重要工具，它的基本思想是将连续的物理模型离散为有限个单元体，使其在有限个指定的节点上相互连接，然后对每个单元选择一个比较简单的函数，近似模拟该单元的物理量，如单元的位移或者应力，并基于问题描述的基本方程建立单元节点的平衡方程组，再把所有单元的方程组集成为整个结构力学特性的整体代数方程组，最后引入边界约束条件求解代数方程组而获得的数值解，如结构的位移分布和应力分布。

将有限元法引入产品和结构设计是CAE的重要组成部分。图1所示为传统的产品设计流程，图2所示为现代设计中采用CAE技术后的设计流程。可见，从产品概念设计、方案对比、样机测试到加工制造，可以把有限元仿真和优化设计方法贯穿整个产品的全部过程，把传统产品设计方法中的从概念设计到样机测试，再返回修改的大循环过程，演化成平行于每一个设计环节的精确分析及其优化，减少了设计过程中的缺陷和不足，大大提高了产品的质量和可靠性，大幅缩短了设计时间，降低了产品研发成本。

300吨远洋船用拖曳绞车外形结构，远洋船用拖曳绞车基本结构如图3所示。

根据300吨远洋船用拖曳绞车工作状态和工作任务，多次论证确定的方案如图3所示。该大型液压远洋船用拖曳绞车主要由动力装置、传动系统、排缆装置、制动装置、滚筒和支架组成。该液压远洋船用拖曳绞车采用双滚筒双刹车结构，该结构的特点是可操作性好，通用性高，在一个滚筒故障后可以用另一个滚筒，保证工作的可持续性。并可以根据不同的安放位置来布置远洋船用拖曳绞车。该远洋船用拖曳绞车结构简单，安装调试方便，便于维护，对恶劣环境适应性强，特别是海上高盐、高湿度的恶劣环境。

该远洋船用拖曳绞车包括底座、侧板、横筋、滚筒、大齿轮、小齿轮、输出轴、液压马达、刹车装置、滑架、螺旋槽轴、链轮等。滚筒放置在两个侧板之间，滚筒一侧为大齿轮，输出轴的小齿轮啮合，滚筒的另一侧为刹车盘，与刹车带相连，组成刹车装置。输出轴的动力是由两个液压马达提供，液压马达与输出轴采用齿轮啮合。液压马达被密封在传动箱中，该远洋船用拖曳绞车的动力传动机构由液压马达、齿轮、传动轴、滚筒、箱体等部分组成，传动装置安装在远洋船用拖曳绞车的机箱里，被密封在箱体内，通过液压马达提供动力，采用齿轮传递动力，驱动滚筒实现缆绳的拖曳。该动力传动机构为保证工作稳定，采用了全密闭箱体结构，降低了受海水、海风侵蚀的风险，避免了风雨、阳光的侵蚀影响；延缓了传动系统的老化、延长了其使用寿命。通过采用双马达系统缩小了远洋船用拖曳绞车整体体积，降低了生产成本。通过采用双层隔断外壁结构增加了整体强度，使整体机械强度得到了极大的提高，为使该远洋船用拖曳绞车能够承受大负荷、交变重载提供了强度保证。

该远洋船用拖曳绞车的驱动是将液压马达的液压能转换为机械能，并通过变速箱进行转换输出，而得到所需要的转速。传动轴与变速箱相连，离合器安装在传动轴上，它们决定一号滚筒和二号滚筒的动作。离合器动作将带动一号小齿轮动作，一号小齿轮与一号大齿轮处于啮合状态，将带动一号滚筒旋转，实现收缆和放缆的动作。反之，离合器动作与二号滚筒啮合，将带动二号滚筒进行工作。滚筒与链轮同步转动，螺旋槽轴端面装有链轮，与滚筒链轮组成链传动，从而带动螺旋槽轴转动。滑架中装有滑块，与螺旋槽配合，螺旋槽轴带动滑架沿光杠往复移动而实现排缆动作。远洋船用拖拽绞车的工作状态为刹车状态，当滚筒停止动作后，刹车系统为工作状态，其作用是防止滚筒松动造成缆绳的滑脱。刹车系统的动力由制动液压缸提供，制动手柄与制动带之间利用铰接连板联接来进行动力传递，通过刹车液压缸的伸缩来实现刹车锁死和刹车解除。

该300吨远洋船用拖拽绞车已经安装、应用在天津新河船舶重工有限责任公司的三用拖轮上，使用证明，该远洋船用拖拽绞车的拖曳拉力能够达到300吨以上；箱体具有足够的刚性，在工作时不变形；滚筒能够容纳主拖缆绳的全部长度，无负载时收放缆绳具有足够的速度；滚筒与滚筒动力之间安装有离合装置；安装有排缆装置，拖航时能自动收放缆。该远洋船用拖拽绞车结构紧凑、设计合理、维护方便，保证了船舶的高效工作。

该大型液压远洋船用拖拽绞车设备可广泛应用于国内外的大型远洋船舶，而且当前远洋船用拖拽绞车的需求正在往大型化、标准化方向发展。因此，该远洋船用拖拽绞车应用前景非常广阔。远洋船用拖拽绞车的研究所涉及的机械设计技术、机械传动技术、驱动技术及新型抗腐蚀材料的应用等，其众多的技术创新将带动船舶生产设备的技术升级和结构创新，将对其产业化发展以及进一步开拓国际市场产生深远影响。

参 考 文 献

[1] 张澄宇，赵大力.中国船舶配套业现状极其发展方向[J].船舶工程，2005（01）.

[2] 余俊主.现代设计方法及应用[M].北京：中国标准出版社，2002.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国国家标准，远洋船用拖拽绞车[S].2007.7.