李欣一，董明曦

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

錨泊設(shè)備作為艦船的重要機(jī)電設(shè)備其重要性不言而喻，為提高錨泊裝置的控制性能與可靠性，研究引入先進(jìn)控制技術(shù)的新型錨泊設(shè)備也是非常必要的。變頻控制技術(shù)可以解決常規(guī)三速電機(jī)無法實現(xiàn)無級調(diào)速的弊病，且效率高、控制方便快捷、響應(yīng)迅速[1-2]，結(jié)合編碼器及PLC閉環(huán)控制還可以顯著提升設(shè)備自動化水平。在錨機(jī)與絞車的應(yīng)用上，采用變頻驅(qū)動有著無與倫比的節(jié)能優(yōu)勢，與液壓系統(tǒng)相比具有更好的工作性能。

本文結(jié)合某臥式錨絞組合機(jī)項目，按照所提出的技術(shù)指標(biāo)等要求，對其總體設(shè)計、系統(tǒng)組成、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和負(fù)載特性等方面開展了深入的分析和設(shè)計研究。

1 臥式錨絞組合機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 臥式錨絞組合機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

1.2 臥式錨絞組合機(jī)工作原理

如圖3所示，濾波控制柜由船電站提供AC380V電源，經(jīng)濾波器濾波后為變頻控制柜供電。變頻控制柜的主要功能由電氣控制柜通PROFIBUS總線進(jìn)行控制實現(xiàn)，同時變頻控制柜把驅(qū)動器的狀態(tài)及報警信息傳輸給電氣控制柜中的控制器。集中操縱臺作為操作終端，首先將操縱指令傳給電氣控制柜，從而控制器將相應(yīng)的控制指令傳送給變頻器。變頻器驅(qū)動電機(jī)運行，同時采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及其他狀態(tài)信息。制動電阻與變頻控制柜的制動斬波器相連，消耗制動過程中產(chǎn)生的能量。此外，作為最高優(yōu)先級的“急?！敝噶钣杉胁倏v臺直接控制變頻器，以實現(xiàn)急停功能。

圖3 右舷錨絞組合機(jī)系統(tǒng)組成及連接圖

電氣控制柜中的控制器是控制系統(tǒng)的核心，可接收集中操縱臺的調(diào)速、起拋錨或絞纜控制指令，并結(jié)合機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器的反饋信號，經(jīng)可編程控制器處理后，實現(xiàn)對變頻電機(jī)的調(diào)速控制，進(jìn)而實現(xiàn)起拋錨或絞纜的調(diào)速和制動力控制。

2 臥式錨絞組合機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 臥式錨絞組合機(jī)布局設(shè)計

針對不同的船首布置要求，需要對臥式錨機(jī)的機(jī)構(gòu)型式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)整體布置要求?？紤]到設(shè)備適裝性及總體要求，確定采用臥式結(jié)構(gòu)型式并同時集成系泊絞車裝置。船艏錨絞組合機(jī)甲板布置圖如圖4所示。

圖4 錨絞組合機(jī)甲板布置圖

錨絞組合機(jī)甲板布置方案主要從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

1）通過集成化設(shè)計盡可能減小錨絞組合機(jī)甲板面安裝空間。在設(shè)計初始階段，考慮到絞車與錨機(jī)集成需求，確立了采用雙輸出軸的平行軸箱式減速器傳動形式。絞車與錨機(jī)分別處于減速器輸出軸兩端，這種結(jié)構(gòu)型式能夠有效利用甲板面安裝空間。錨鏈輪-大齒輪-制動輪采用集成化設(shè)計，其中大齒輪及制動輪均與錨鏈輪采用傳動銷聯(lián)接。

2）任意一舷的組合機(jī)系泊絞車與錨機(jī)工作相互獨立。將系泊絞車與錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分列輸出軸的兩端，并分別設(shè)置離合器裝置進(jìn)行動力通斷。錨機(jī)與絞車離合器裝置均設(shè)置有接近開關(guān)，通過接近開關(guān)的信號控制保證錨機(jī)工況與絞車工況互鎖。

3）考慮人機(jī)工程，操作位置合理可行且左右舷錨絞組合機(jī)操作互不影響。由圖4可以看出：左右舷錨鏈艙錨鏈進(jìn)口位置靠的比較近，因此將錨機(jī)剎車操作位布置于遠(yuǎn)離船舯線一側(cè)，留出較為充裕的操作空間。另適當(dāng)延長絞車端減速器輸出軸長度，使絞車剎車操作位能夠避開電機(jī)。

2.2 臥式錨絞組合機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對錨絞組合機(jī)總體研究與布局設(shè)計，建立該裝置的三維效果圖如圖5所示。

圖5 臥式錨絞組合機(jī)三維效果圖

下面分別對各部分進(jìn)行介紹。

1）錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由錨鏈輪、鏈輪主軸、開式齒輪、傳動軸、制動輪、錨機(jī)制動裝置、錨機(jī)離合器裝置、編碼器裝置及錨機(jī)基座等組成。三維效果圖如圖6所示。

圖6 錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維效果圖

錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式采用集成化設(shè)計，其中錨鏈輪、大齒輪以及制動輪采用傳動銷聯(lián)接為一個整體，大齒輪—制動輪—錨鏈輪整體承重于鏈輪主軸上，并采用墊圈及隔套進(jìn)行軸向定位。小齒輪通過襯套安裝于傳動軸上，通過擋圈及卡環(huán)進(jìn)行軸向定位。扭矩通過導(dǎo)向平鍵從傳動軸傳遞至半離合器上。錨鏈輪與主軸采用鍵連接，確保主軸能夠隨錨鏈輪旋轉(zhuǎn)。

在傳動軸上安裝有手動離合器裝置，通過操縱離合器的閉合以實現(xiàn)錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力通斷。傳動裝置傳來的動力通過傳動軸經(jīng)開式齒輪將力矩傳遞至錨鏈輪，由錨鏈輪帶動錨鏈即可實現(xiàn)動力起拋錨。脫開離合器，錨鏈輪成自由輪狀態(tài)，配合制動裝置即可實現(xiàn)自由拋錨。自由拋錨時傳動軸與小齒輪脫開，小齒輪將隨開式齒輪及錨鏈輪旋轉(zhuǎn)并且速度很快，為防止傳動軸過熱，在軸承蓋頂端開油道對軸承進(jìn)行加油潤滑，同時小齒輪設(shè)置潤滑油道對小齒輪襯套進(jìn)行潤滑。

錨機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在錨機(jī)基座上，再通過螺栓安裝于組合機(jī)整體底座上，錨機(jī)基座采用焊接式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、具有較好的強(qiáng)度與剛度。

此外，在主軸端還設(shè)置有2套編碼器裝置。起拋錨時，主軸在鍵的作用下隨錨鏈輪跟轉(zhuǎn)，主軸軸端編碼器可采集軸旋轉(zhuǎn)信號進(jìn)行測速，并通過測算獲得錨鏈移動速度及錨鏈?zhǔn)辗砰L度，該信號可為錨出水自動減速控制提供反饋。

2）系泊絞車

系泊絞車由卷筒軸、卷筒、離合器、制動輪、絞纜筒以及支座等組成，其三維效果圖如圖7所示。

圖7 系泊絞車三維效果圖

減速器的另一輸出軸與系泊絞車卷筒軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，卷筒軸穿過卷筒及絞纜筒，電機(jī)輸出扭矩經(jīng)由傳動裝置將動力通過齒形離合器傳遞至卷筒上，實現(xiàn)纜繩的收、放功能。通過開槽擋板將卷筒分為工作區(qū)及儲繩區(qū)，滿足系泊纜繩收放及貯繩需要。卷筒軸端安裝有絞纜筒，絞纜筒通過平鍵與卷筒軸始終聯(lián)接，可輔助船舶進(jìn)行系泊作業(yè)。卷筒軸通過滑動軸承安裝于支架上，卷筒通過襯套安裝于卷筒軸上，所有旋轉(zhuǎn)襯套均開設(shè)有潤滑油道并加裝潤滑油嘴保證潤滑。

3）傳動裝置

傳動裝置主要由變頻電機(jī)、減速器、盤式制動器及相關(guān)附件、聯(lián)軸節(jié)和帶剎車盤的聯(lián)軸器等組成。變頻電機(jī)采用變頻方式驅(qū)動，具有無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬[3]、調(diào)速精度高以及調(diào)速過程平穩(wěn)[4]等優(yōu)點。傳動裝置三維效果圖如圖8所示。

圖8 傳動裝置三維效果圖

減速器采用雙輸出的平行軸箱體式結(jié)構(gòu)，四軸三級傳動。電機(jī)軸通過帶有剎車盤的聯(lián)軸器與減速器輸入端聯(lián)接，電液推桿盤式制動器作為安全制動器作用于聯(lián)軸器剎車盤上。減速器采用雙輸出軸兼顧起錨機(jī)與系泊絞車的扭矩輸出，變頻裝置驅(qū)動電機(jī)通過減速器將扭矩傳遞至錨機(jī)端與系泊絞車端，但起錨機(jī)端與系泊絞車端不同時工作，通過錨機(jī)與絞車各自離合器的離合來實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

3 錨機(jī)負(fù)載特性分析

一般錨機(jī)起錨過程從啟動到錨鏈完全收入至錨靠緊船殼共經(jīng)歷4個階段：收余鏈（將船移近落錯點）階段、改變懸垂錯鏈階段、破土起錨階段、將余鏈?zhǔn)者M(jìn)錨鏈筒階段[5-6]。錨機(jī)起錨過程負(fù)載-時間特性曲線圖如圖9所示。

圖9 錨機(jī)負(fù)載特性曲線圖

第Ⅰ階段（AB段）為收起海底的余鏈將船拉向落錯點，并收起海底的余鏈。錨機(jī)所受的力為將船舶拉向錨泊地的力，這時錨機(jī)承受的負(fù)荷即為船舶受到的外部阻力，其數(shù)值大體上是恒定的。該負(fù)載大體分為3個部分：即外界的風(fēng)力、船體在水中的摩擦力、制動螺旋槳的阻力。

第Ⅱ階段（BC段）的力主要是由錨鏈全部離地至全部拉直，所以對應(yīng)的狀態(tài)為在B點時為懸鏈線狀態(tài)，至C點時錨鏈全部拉直狀態(tài)。B點至C點錨機(jī)所承受的力是逐步增加的，即為移船力逐漸增加至破土力。

第Ⅲ階段（CD段）C點為破土點實際上是一個瞬間，當(dāng)拉力增大至破土力時，錨機(jī)瞬時過載，使錨破土。破土力即為起錨作業(yè)中的錨機(jī)最大負(fù)荷。

第Ⅳ階段（DE段）錨破土之后錨機(jī)負(fù)載迅速減小，D點的力為錨重加上懸掛的錨鏈重，鏈長為拋錨深度。最后在錨出水后尚余有一部分錨鏈懸在空中，為防止錨鏈進(jìn)入錨鏈筒時錨會撞擊船舶，應(yīng)當(dāng)注意運用低速收錨，此時錨機(jī)負(fù)荷也處于較小的工況。

4 結(jié)論

本文以配套于某型船的臥式錨絞組合機(jī)裝置研制為目標(biāo)，完成了大規(guī)格臥式錨機(jī)系統(tǒng)方案研究，對其系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備功能、工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。該臥式錨絞組合機(jī)在節(jié)能、工作效率與控制性方面較以往錨機(jī)有了較大提高，具有良好的可靠性。