船用系泊绞车的结构设计

周志轩

(南京工程学院，江苏 南京 211167)

0 引言

船舶工业在国民经济中占有重要的地位。船舶工业的发展与创新对推动渔业、海洋业等相关产业发展，保障国家安全等具有重要战略意义。随着船舶工业的发展，船舶工业相关配套的产业也得到了相应的发展。

但是目前船舶配套业的发展远远跟不上船舶业的发展。虽然船舶工业的发展声势浩大，但由于其配套设备的发展水平相对滞后，已经严重制约了船舶工业的健康发展，对船舶工业的产业结构构成了安全威胁[1]。绞车作为船舶配套设备的主要设备之一，是船舶泊船或泊船停靠岸边能够成功实现的关键设备。

随着船舶工业的发展，船舶吨位正在不断提高，系泊绞车的体积也趋于大型化，其所承受的载荷也在不断增加。为了确保系泊绞车的稳定，一般将其体积设计的较大，造成了相当大的冗余，成本同样也随之提升。

同时，由于全球航运市场的相对低迷，导致船舶的设计与制造要求相比于以往变得越来越严苛，使得各大船舶公司对船舶工业的创新发展投入更多资本。为了降低成本，同时还能满足其稳定性的要求，因此船用设备的轻量化设计也就显得愈发必要[2]。本文重点介绍一种船用系泊绞车的结构设计。

1 绞车的工作原理及基本参数

系泊绞车的结构简图如图1所示，主要由齿轮箱1、卷筒2、刹车装置3、安全销装置4、底座5、墙架装置6、电机7、联轴器8和减速器9等组成。其中卷筒是系泊绞车中非常关键的部件，其结构强度影响绞车工作质量和安全。

绞车的工作原理如下：电机7通过联轴器8驱动减速器9，减速器9的输出轴输出动力驱动齿轮箱1工作从而驱动卷筒2旋转，实现起锚和收放缆绳[3]。

系泊绞车的主要技术参数如下：卷筒负载140 kN(第5层)，公称速度14 m/min(第5层)，支持负载420 kN；钢索直径Φ28；卷筒容绳量650 m(6层)；电机型号：JZ2-H-71-4/8/16；减速机型号：ZSY280 620-35.5-Ⅲ JB/T8853-2001。

1—齿轮箱；2—卷筒；3—刹车装置；4—安全销装置；5—墙架装置；6—底座；7—电机；8—联轴器；9—减速器

2 确定卷筒几何尺寸及强度验算

2.1 卷筒结构尺寸计算

卷筒工作级别为M4，直径系数h=18，根据GB3811-83的规定来计算卷筒的最小直径：

Dmin=h·d.

(1)

其中：d为钢索直径，mm。此处h=18，d=28 mm，将相关参数代入式(1)计算得出滚筒最小直径Dmin=504 mm。

取卷筒直径D=780 mm，卷筒开档长度l=1 250 mm。实际容绳量为：

L=πn(D+nd)l/(d+δ1).

(2)

其中：n为卷绕层数；δ1为钢索间隙。此处n=6，D=780 mm，d=28 mm，l=1 250 mm，δ1=3 mm。将相关参数代入式(2)计算得出的实际容绳量L=720 000 mm=720 m。实际容绳量720 m大于理论容绳量650 m，符合容绳量需求。

卷筒两端的飞边外径为：

D外=D+2(n+1.5)d.

(3)

将相关参数代入式(3)计算得出卷筒飞边外径D外=1 250 mm。取D外=1 300 mm。

2.2 卷筒强度的校核

主要参数：支持负载Pmax=420 kN，缆索直径d=28 mm，卷筒材料ZG310-570，σs=310 N/mm2，卷筒直径D=780 mm，卷筒壁厚δ=40 mm，根据ERNST公式进行以下计算：

(1) 弯曲应力为：

(4)

将相关参数代入式(4)计算得出弯曲应力Pb=57 N/mm2=57 MPa。

(2) 压缩应力为：

(5)

将相关参数代入式(5)计算得出压缩应力Pd=187.5 N/mm2=187.5 MPa。

(3) 合成应力：

(6)

将相关参数代入式(6)计算得出合成应力P=196 MPa。

(4) 安全系数：

(7)

将相关参数代入式(7)计算得出安全系数n=1.58，许用安全系数[n]=1.2，n>[n]，卷筒设计合格[4]。

3 船用绞车的结构设计

3.1 齿轮箱的结构设计

齿轮箱的结构如图2所示，主要由齿轮箱体1、轴承盖2、小齿轮3、大齿轮6、轴瓦4，5，8、齿轮箱盖7、油标9等组成，采用单级齿轮传动。

1—齿轮箱体；2—轴承盖；3—小齿轮；4，5，8—轴瓦；6—大齿轮；7—齿轮箱盖；9—油标

减速箱为软齿面圆柱齿轮减速箱，具有体积小、承载能力大等优点。大齿轮齿数Z1=76，模数m=16，小齿轮齿数Z2=17，模数m=6 mm，中心距a=744 mm，由于大、小齿轮结构尺寸相差比较大，采用斜角布置，以减小齿轮箱的结构尺寸。

3.2 主轴装置

主轴装置如图3所示，由主轴1、卷筒2和压绳板3组成[5]。

1—主轴；2—卷筒；3—压绳板

主轴总长度为943 mm，键槽1长度为140 mm、宽度为28 mm、四周圆角半径为2 mm；键槽2长度为110 mm、宽度为22 mm、四周圆角半径为2 mm。

对卷筒装置布置加强筋和腹板，以提高卷筒的刚度和强度。

3.3 墙架装置

墙架装置的结构如图4所示，由墙架本体1、轴瓦2、轴承座盖3和小衬套4等组成。

1—墙架本体；2—轴瓦；3—轴承座盖；4—小衬套

3.4 刹车装置

刹车装置如图5所示，由下刹车带1、双向螺杆2、螺母3、上刹车带4、固定卡板5、紧边拉板6、管接头7、液压油缸9、油缸支座10、衬套11、支座13、销轴14和16、连臂15、松边拉板17等组成。

1—下刹车带；2—双向螺杆；3—螺母；4—上刹车带；5—固定卡板； 6—紧边拉板；7—管接头；8，18—开口销及垫圈；9—液压油缸；10—油缸支座；11—衬套；12—螺栓及弹垫；13—支座；14，16—销轴；15—连臂；17—松边拉板

绞车采用普通带式刹车结构，上、下刹车带1和4由钢带和铜丝石棉带铆接而成，在刹车带两端焊有接头，其内有螺母3，用来调节刹车带1(4)松紧；上刹车带4与固定卡板5焊接，用来控制卷筒的转动。

工作时，随着液压油缸9的拉动，使松边拉板17向右移动，连臂15绕销轴16逆时针旋转，从而使上、下刹车带1和4夹紧卷筒，同时在固定卡板5作用下固定卷筒；反之，液压油缸9后退时，松开上、下刹车带1和4，卷筒可以转动[6]。

3.5 安全销装置

安全销装置如图6所示，由拨叉1、销轴2、安全销3、插销4等组成。

1—拨叉；2销轴；3—安全销；4—插销

滚筒转动收紧缆绳时，安全销装置中的安全销在拨叉作用下插入卷筒，在电机和液压油缸不工作的状态下保持滚筒不旋转(刹车制动)，防止缆绳松动。

4 结语

对140 kN的船用系泊绞车进行了总体结构设计。其中卷筒的结构尺寸大小对整机重量影响较大。

本文详细分析了卷筒的结构尺寸和强度计算，为满足船用设备的轻量化设计要求，在系泊绞车的驱动方式上采用了电机驱动，由减速器齿轮箱带动卷筒，其具有尺寸小、结构紧凑等优点。