馬云驕，葛楊元

（南通力威機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226500）

0 引 言

近年來，隨著船舶建造水平的不斷提高和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，海纜船的發(fā)展取得很大進(jìn)步，已由采用錨泊定位、僅適用于淺水作業(yè)的鋪纜船發(fā)展為采用動(dòng)力定位技術(shù)、能滿足深海作業(yè)需求的鋪纜船。

為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，鋪纜船在淺水作業(yè)區(qū)、深水作業(yè)區(qū)應(yīng)采用不同的動(dòng)力來完成鋪纜作業(yè)。淺水作業(yè)區(qū)鋪纜船上的牽引系統(tǒng)應(yīng)能有效解決傳統(tǒng)錨泊定位鋪纜作業(yè)存在的輔助時(shí)間長(zhǎng)、效率低和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，同時(shí)能減少輔助船使用量，提高鋪纜作業(yè)效率。

1 牽引機(jī)構(gòu)作業(yè)流程

牽引機(jī)構(gòu)[1]主要作用是使鋪纜船在作業(yè)時(shí)沿著既定的鋪纜路線完成牽引船、移船等操作，主要由牽引 絞車、換纜裝置[2]、甲板儲(chǔ)纜絞車、艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車和導(dǎo)向滾輪組、拋錨艇絞車及控制系統(tǒng)等組成。

為保證連續(xù)鋪纜作業(yè)，牽引機(jī)構(gòu)采用2條線路切換的設(shè)計(jì)（見圖1），其工作流程為：當(dāng)線路A的牽引絞車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，甲板儲(chǔ)纜絞車輔助張力并將纜索纏繞到卷筒上；當(dāng)纏繞一段鋼纜接近末端后，通過換纜裝置將前后鋼纜接頭連接件卡住，解開卸扣，前段鋼纜末端繼續(xù)纏繞到線路A的甲板儲(chǔ)纜絞車卷筒上；隨后將卡在換纜裝置上的后段鋼纜切換到線路B的甲板儲(chǔ)纜絞車上，繼續(xù)進(jìn)行牽引收纜工作。在線路B的牽引絞車與儲(chǔ)纜絞車工作的同時(shí)，線路A的甲板儲(chǔ)纜絞車鋼纜通過滑輪組轉(zhuǎn)移到艙內(nèi)的儲(chǔ)纜絞車上。反之，在線路A的牽引絞車與儲(chǔ)纜絞車工作的同時(shí)，線路B的甲板儲(chǔ)纜絞車鋼纜通過滑輪組轉(zhuǎn)移到艙內(nèi)的儲(chǔ)纜絞車上。艙內(nèi)的儲(chǔ)纜絞車鋼纜釋放是通過拋錨艇絞車回收并轉(zhuǎn)到下一個(gè)拋錨點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。重復(fù)上述工作，從而實(shí)現(xiàn)牽引船舶鋪纜連續(xù)作業(yè)。

圖1 牽引機(jī)構(gòu)作業(yè)示意

2 牽引機(jī)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

該牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1) 牽引絞車卷筒結(jié)構(gòu)型式[3]及多圈纏繞通過快速連接卸扣時(shí)無卡阻、蹦纜、壓纜現(xiàn)象或鋼纜損傷；

2) 甲板儲(chǔ)纜絞車卷筒能容納鋼纜快速連接卸扣結(jié)構(gòu)；

3) 艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車卷筒能容納多根大容纜量鋼纜結(jié)構(gòu)，鋼纜之間的切換及排纜機(jī)構(gòu)的要求；

4) 拋錨艇絞車鋼纜釋放控制的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)；

5) 導(dǎo)向滑輪組通過鋼纜連接卸扣滑輪槽型設(shè)計(jì)；

6) 快速連接卸扣結(jié)構(gòu)型式和強(qiáng)度要求。

通過對(duì)以上幾個(gè)方面的重點(diǎn)研制和使用驗(yàn)證，排除牽引機(jī)構(gòu)性能方面的隱患，保證整個(gè)牽引機(jī)構(gòu)工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

2.1 牽引絞車設(shè)計(jì)

牽引絞車（見圖 2）是整個(gè)牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備。絞車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證卷筒多圈纏繞有足夠的摩擦力[4]，同時(shí)保證兩段鋼纜之間的快速連接卸扣通過卷筒時(shí)無卡阻、蹦纜、壓纜現(xiàn)象或鋼纜損傷。因此，連接卸扣的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、活動(dòng)范圍和運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)直接關(guān)系到絞車牽引過程的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。對(duì)此，在與索具制作廠家共同研究討論的基礎(chǔ)上，通過理論分析和三維建模模擬分析，確定卷筒的節(jié)徑，并利用與卷筒等徑的試驗(yàn)裝置驗(yàn)證卸扣在卷筒上運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于卸扣外形較大，影響牽引效果并易損傷鋼纜。經(jīng)過仔細(xì)分析、論證，設(shè)置防壓纜專用裝置（見圖3）。該裝置的基本工作原理是在鋼纜快速連接卸扣進(jìn)入卷筒之前用油缸頂起，即使快速連接卸扣與卷筒表面分離，消除快速連接卸扣對(duì)纏繞鋼纜的影響。通過改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證，取得理想的效果，滿足不同工況的使用要求。

圖 2 牽引絞車

圖 3 防壓纜裝置

2.2 甲板儲(chǔ)纜絞車設(shè)計(jì)

甲板儲(chǔ)纜絞車（見圖4）是配合牽引工作的絞車，其拉力需足以滿足牽引絞車在負(fù)載工況下產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)理論計(jì)算式[5]，有

式(1)中：ψZ為起升載荷的動(dòng)載系數(shù)，查表取1.5；Smax為鋼纜最大工作負(fù)載，以500000N為例；μ為鋼纜與卷筒和壓板間的摩擦因數(shù)，按摩擦面有無油脂，取0.12～0.16；a為安全圈在卷筒上的包角，rad；e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，取2.71828。從卷繞3圈開始計(jì)算，代入數(shù)值得：第3圈 S1= 7 8111N；第4圈 S2=36750 N；第5圈 S3= 1 7 291N 。

以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，結(jié)合多年的設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)，在確保安全因素和考慮摩擦效率等因素的前提下，設(shè)定甲板儲(chǔ)纜絞車的工作負(fù)載為50kN，并進(jìn)行工廠試驗(yàn)驗(yàn)證。

甲板儲(chǔ)纜絞車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮鋼纜快速連接卸扣對(duì)絞車卷筒纏繞且有序排列鋼纜的影響。對(duì)此，卷筒采用分隔式結(jié)構(gòu)，即快速連接卸扣與鋼纜分開儲(chǔ)存。工作時(shí)將輔助引纜掛在鋼纜快速連接卸扣卷筒儲(chǔ)存區(qū)，同時(shí)將快速連接卸扣卷入儲(chǔ)存區(qū)，當(dāng)鋼纜從卷筒隔板缺口導(dǎo)入到鋼纜儲(chǔ)存區(qū)卷筒側(cè)時(shí)，靠排纜器纏繞并有序排列鋼纜。

為保證甲板儲(chǔ)纜絞車與艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車收纜時(shí)甲板儲(chǔ)纜絞車需有恒定的張力，絞車設(shè)置有動(dòng)態(tài)阻尼制動(dòng)器，保證在艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車預(yù)張力下鋼纜排列整齊有序。

2.3 艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車設(shè)計(jì)

艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車（見圖 5）主要用來導(dǎo)入甲板儲(chǔ)纜絞車的鋼纜，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮容納多根大容纜量的卷筒結(jié)構(gòu)受艙室空間的限制、鋼纜之間的切換連接及排纜機(jī)構(gòu)的要求。對(duì)此，經(jīng)過反復(fù)論證和模擬分析，卷筒采用分隔式結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋼纜數(shù)量設(shè)置相應(yīng)的主儲(chǔ)纜部分和存儲(chǔ)快速卸扣部分。

圖 4 甲板儲(chǔ)纜絞車

圖 5 艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車

艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車卷筒采用分隔式結(jié)構(gòu)，排纜裝置（見圖6）結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。為保證各卷筒有序排纜，采用電動(dòng)伺服排纜機(jī)構(gòu)，不僅可根據(jù)作業(yè)情況任意選擇鋼纜主儲(chǔ)纜區(qū)對(duì)應(yīng)位置的排纜，而且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況對(duì)伺服排纜進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。同時(shí)，考慮鋼纜主儲(chǔ)纜區(qū)的快速切換要求，排纜器導(dǎo)輪設(shè)置采用翻轉(zhuǎn)的形式。

2.4 拋錨艇絞車設(shè)計(jì)

拋錨艇絞車（見圖7）主要用來與艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車配套使用，導(dǎo)入鋼纜為下一個(gè)工作循環(huán)做準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證鋼纜釋放控制的穩(wěn)定性。對(duì)此，設(shè)計(jì)采用空冷的阻尼制動(dòng)器，滿足拋錨艇絞車的使用工況要求。

2.5 導(dǎo)向滑輪組設(shè)計(jì)

導(dǎo)向滑輪組（見圖8）主要用來改變鋼纜的走向，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮鋼纜連接接頭如何順利通過滑輪，通過滑輪槽型的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬分析和樣品試驗(yàn)，有效保證快速連接卸扣滿足使用要求。

2.6 快速連接卸扣

快速連接卸扣（見圖9）用來連接鋼纜，主要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和快速拆裝要求。通過分析論證和模擬試驗(yàn)，確定具體結(jié)構(gòu)。

圖 8 導(dǎo)向滑輪組

圖9 快速連接卸扣

3 牽引機(jī)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 工廠試驗(yàn)

1) 分別對(duì)牽引絞車、甲板儲(chǔ)纜絞車、艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車和拋錨艇絞車進(jìn)行負(fù)載和速度測(cè)試，檢查其性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性、傳動(dòng)件的溫升、潤(rùn)滑和密封情況、噪聲和振動(dòng)及單機(jī)控制功能；

2) 通過快速連接卸扣形態(tài)試驗(yàn)，檢查牽引絞車卷筒多圈纏繞時(shí)連接件運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

通過牽引系統(tǒng)各組成件試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

3.2 海上試驗(yàn)

進(jìn)行牽引機(jī)構(gòu)集成系統(tǒng)功能檢測(cè)，包括：

1) 牽引機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成件動(dòng)作的協(xié)調(diào)性；

2) 牽引機(jī)構(gòu)工作時(shí)，防壓纜裝置和掣纜換纜裝置動(dòng)作的可靠性、安全性；

3) 鋪纜船作業(yè)工況下，牽引絞車、甲板儲(chǔ)纜絞車、艙內(nèi)儲(chǔ)纜絞車和拋錨艇絞車的性能參數(shù)；

4) 控制系統(tǒng)性能。

通過海上試航，解決存在的問題，滿足客戶的使用要求，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

該鋪纜船牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的鋪纜船靠錨泊移船敷設(shè)效率低、輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)和勞動(dòng)強(qiáng)度大的狀況，能更好地適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，降低作業(yè)成本，贏得更好的商機(jī)。