拖船锚绞机卷缆装置改进设计

李文钊,韩俊月

(国能黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113)

拖船锚绞机通常安装在艏甲板上，是轮驳行业中必不可少的甲板机械设备。拖船在拖带等作业中，锚绞机承受较大的冲击载荷和振动，对稳定性和可靠性要求较高[1]。近年来，黄骅港拖船锚绞机卷缆装置常发生制动器打滑、制动带打开困难，以及缆绳松脱夹缆等故障，部分原因是结构设计缺陷引起，为此，有必要分析卷缆装置的故障原因，根据其结构和工作特点进行改进设计，以期降低设备维护成本和故障率。

1 卷缆装置问题分析

目前港作拖船的锚绞机一般为低速重载传动[2]，其主要结构包括卷缆装置、卷锚装置、传动轴和驱动站等，其中卷缆装置由液压弹簧缸、卷筒体、卷筒挡板，以及带式制动器等组成，见图1。

图1 拖船锚绞机卷缆装置组成

锚绞机在顶推货船作业中的拖力高达600 kN以上，卷筒体承受较大弯矩，所以带式制动器和液压弹簧缸等装置的可靠性要求较高。该型式卷缆装置在使用中常出现以下几种问题。

1.1 带式制动器打滑

带式制动器打滑的原因：①储备制动力不足时，在缆绳绷紧冲击过程中会产生远超额定制动力的冲击载荷；②带式制动器摩擦片在工作中会浸水的情况，导致额定制动力下降；③带式制动器的两段制动带磨损也会导致打滑现象发生。

1.2 传动轴联接装置失效

锚绞机卷筒的收放缆由液压马达通过传动轴驱动，该传动轴分为2段通过端面键加螺栓联接，该处受力较大且复杂多变，包括承载卷筒装置的重力、缆绳拉力引起的弯矩和转矩与收放缆绳过程中产生的交变载荷和冲击载荷等。黄骅港某拖船锚绞机在运行过程中多次发生键槽损坏、紧固螺栓断裂和传动轴断裂等故障。

1.3 卷筒轴向窜动

卷筒采用单侧带式制动结构，会引起卷筒窜动，使传动的轴向应力增加。另外，装设带式制动器的卷筒轮毂，在液压弹簧缸的高预紧力下易产生结构变形。

1.4 缺乏安全制动

卷缆装置的制动仅靠带式制动器，卷筒在制动情况下承受大负载运动，缺乏必要的应急制动装置，其制动器失效会导致设备的其他相关部件严重损坏。

1.5 缆绳松脱

缆绳在卷筒上缠绕，其一端系故于卷筒的固定点上，另一端为用于系故货船缆桩。锚绞机卷筒两侧一般设置较高的挡板，防止缆绳脱出。其中一侧的挡板安装带式制动器，用于卷筒的制动。其松脱原因主要由以下3点。

1)缆绳组成。为了节省成本和方便系固，缆绳采用大线径拖缆和小线径的加强缆插接而成，在二者的联接处会产生较大体积的联接块。由于拖缆重量大于加强缆重量，收缆过程中，该连接块极易松垂脱出卡入卷筒挡板与制动结构之间的空隙。

2)设备布置。由于缆绳为柔性体，卷筒在收缆绳时轴向的排缆均匀度和径向的排缆紧密度主要依靠驾驶员的观察和经验来控制。为了杜绝缆绳断裂伤人的隐患，缆车附近严禁人员进入，而拖船驾驶台无法观察到卷筒底部缆绳松脱情况，亟需设置监控报警装置。

3)低温等恶劣天气。缆绳收放时必然与海水接触，冬季低温情况下会结冰而柔性较低，严重影响其在卷筒上的排布性能，极易发生跳动脱出的故障。

2 缆绳冲击载荷计算

锚绞机工作时，卷筒上的缆绳自由端系故在货船缆桩上，拖船向后航行的同时卷缆装置同步放缆，若此时卷筒转速与拖船航速不一致会导致缆绳突然绷紧现象，产生较大冲击力，严重时会导致带式制动器失效。缆绳的动态张力最大值随着初始预张力、弹性模量的增大而增大[3]。拖船拖曳货船时，缆绳会保持一定的预紧力而减小冲击。

2.1 缆绳冲击运动模型

缆绳突然绷紧过程的受力较为复杂，为了方便计算该运动过程中冲击力的数值，在工程上做以下简化假设。

1)假设缆绳始终处于弹性范围内，且在冲击过程中没有其他形式的能量转换。

2)缆绳由松弛到绷紧状态，拖船航行距离很短，拖船的动能损失极小，因此忽略船舶航行阻力的影响。

3)由于货船重量远大于拖船，可假定其冲击前后二者速度为零。并假设缆绳处于弹性范围内。

4)由于锚绞机高度远小于拖船长度且安装位置贴近水平面，此时货船缆绳固定点、锚绞机缆绳受力点和拖船重心可近似视为在一条直线上且与水面平行，见图2。

图2 拖船受力示意

(1)

T=98kD2

(2)

式中：D为缆绳直径；k为系数(丙纶长丝k取值范围为0.74～0.85)；

2.2 缆绳冲击力计算

黄骅港某拖船满载量为6.04×105kg，卷筒配备缆绳(丙纶长丝)弹性模量为3.8×109N/m，作业时缆绳长度为75 m。根据式(2)可得缆绳的破断力为784 kN，拖曳试验记录中锚绞机制动机构的支持负载最大为686.5 kN，取二者较小值。然后，根据式(1)可得制动器抗冲击能力为拖船航速0～1.6 m/s。计算结果显示，缆绳绷紧产生的冲击力较大，锚绞机制动力明显储备不足。

3 键加螺栓联接结构强度校核

锚绞机的额定载荷由机械结构强度和液压马达的额定能力共同决定。其传动轴采用分段设计，通过端面键联接，并在周向用6根螺栓固定，见图3～4。根据《机械设计手册》对键加螺栓联接结构许用转矩采用设计理论校核方法计算，验证结构强度和液压马达的额定载荷的匹配性。

图3 传动轴Ⅰ简化模型

图4 传动轴Ⅱ简化模型

3.1 键联接传递转矩能力计算

在端面键联接中，其主要的可能失效形式有键的切断和较弱件工作面被压溃，需要校核许用剪切应力和许用挤压应力。

据许用剪力核算，键联接传递的许用转矩为

(6)

根据工作面许用挤压力核算，键联接传递的许用转矩为

[M]2=D·h·L(1-L/D)2·σpp

(7)

式中：D为轴的直径；h为键的厚度；σpp为许用挤压应力。

键材料的许用剪切应力和许用挤压应力与联接所承受的载荷性质有关，取值见表1。

表1 剪切许用应力取值

键联接传递的许用转矩值取上述两种核算值的较小者，即

[M]j=min([M]1+[M]2)

(8)

3.2 螺栓联接传递转矩能力计算

普通螺栓组传递转矩时，摩擦力矩平衡外转矩，螺栓的失效形式为螺栓拉断和被联件的滑移。根据螺栓不拉断的强度核算确定最大预紧力。

最大螺栓预紧力为

(9)

据被联件不滑移核算，螺栓传递许用转矩为

(10)

式中：Qp为螺栓预紧力；z为螺栓数量；f为摩擦系数；Kf为可靠性系数，取1.1～1.3；ri为螺栓中心到轴中心的距离。

3.3 键加螺栓联接结构许用转矩计算

从上述推导中得出键加螺栓传递许用转矩等于键联接传递许用转矩与螺栓传递许用转矩之和，即

[M]=[M]j+[M]l

(11)

本例中，端面键的长度L=140 mm，键厚度为25 mm。螺栓规格M22×2.5，性能等级8.8，预紧力Qp=94.14 kN。螺栓数量z=6，中心距轴中心距离ri=70 mm。钢-钢表面摩擦系数f=0.11。根据式(6)～(11)计算可得键加螺栓联接传递许用转矩[M]=18.32 kN·m。

锚绞机的驱动马达型号为MRH-750，额定压为力20.6 MPa，功率P=89.52 kW，额定转速n=400 r/min，减速比为9.15，根据转矩公式T=9 550×P/n，可得额定转矩T=19.56 kN·m。计算结果显示，在未考虑安全系数的情况下，额定使用转矩已超过键加螺栓联接的许用转矩，该设计不满足强度要求。

4 卷缆装置的改进方案及要点

4.1 棘轮式防冲击卷筒设计

为提高卷缆装置的抗冲击性能，设计一种棘轮式防冲击卷筒。根据《机械设计手册》，在传统带式制动器的对称侧设置棘轮式制动机构。该装置既能够实现带式制动器打滑时逆止保护功能，既能提高锚绞机的抗冲击性能，又能改善卷筒受力不对称问题，见图5。

图5 棘轮式防冲击卷筒示意

带式制动器采用弹簧力抱死，液压系统控制打开的工作模式，卷筒正反转动作前提前打开；棘轮制动优选采用电动推杆控制制动棘爪的动作，独立控制。拖曳货船工况时，卷筒的带式制动器和棘轮制动同时制动，即制动棘爪处于啮合状态，棘轮制动侧起到制动和逆止保护的双重功能，此时卷筒只允许收缆，同时可以在带式制动器摩擦片打滑或失效时起到逆止保护的作用。拖曳作业完毕后，可快速收缆。

卷筒两侧对称布置制动器，可以减小单侧制动力，避免机构的应力集中；卷筒采用电气和液压两种制动方式，互为备用，更为安全可靠；带式制动器的摩擦片在海水侵入、冬季结冰或过度磨损情况下打滑时，棘轮制动侧可以起到即时逆止安全保护的作用。

4.2 传动轴联接装置改进

为了增加键加螺栓联接强度，制定取消键和螺栓联接的一体通轴设计方案，并进行CAE仿真计算。对轴类结构进行CAE仿真计算技术较为成熟[4]，本节对传动轴进行建模和装配体仿真计算，确定其受力规律，进而验证方案的可行性。

为了提高网格划分质量和计算效率，对该轴明显不影响结果的细节进行简化处理。轴的材质为45#钢，屈服强度355 MPa。将模型沿轴向根据直径不同分段划分，然后通过“面面粘连”命令合为一体，采用四面体网格，总数量为250 778，网格检查无错误。传动轴与卷筒间的传动通过齿嵌式离合装置实现，在该段轴的离合器安装处添加固定约束。传动轴与减速齿轮采用过盈联接方式，在轴齿轮安装处施加转矩载荷19.56 kN·m。

该方案通轴最大应力出现在传动齿轮安装处，其值为132.29 MPa，远小于材料许用应力。原分段轴连接处的应力值显著降低，安全系数大幅提高。

4.3 缆绳防松脱装置设计

由缆绳松脱原因的分析可知，缆绳松脱防范重点在卷筒底部区域。据此设计制作缆绳防松脱报警装置，结构见图6。

图6 缆绳防脱防松装置结构

该装置安装于卷筒底部中心位置，两挡板圆弧与卷筒的挡板配合防止缆绳从底部脱出。在挡板中部设置监测杆，两端安装在感应圆盘上，圆盘通过弹簧在挡板上固定，当缆绳松垂到设定位置时，监测杆会动作而偏离初始位置，触发开关报警。当监测杆不动作时，杆在弹簧拉力作用下卡阻圆槽内，避免随船晃动引起误报警。该设计使卷筒与甲板的间隙极小，避免了缆绳从底部脱出的隐患，同时能将缆绳松弛脱垂的情况及时反映给驾驶员，便于及时规范收缆。