串接增速器的機械式同步機構在大型起重船上的應用

陸 紅，鄭遠斌，王義程

● （中交第四航務工程局有限公司，廣州 510231）

串接增速器的機械式同步機構在大型起重船上的應用

陸 紅，鄭遠斌，王義程

● （中交第四航務工程局有限公司，廣州 510231）

機械式同步機構屬傳統的機構，由于結構簡單、工作可靠和環境適應性強，因此被廣泛地應用于各類機械設備、工程船舶中。但是當兩個旋轉裝置軸線為平行布置，且在低速大扭矩工況下，采用常規的帶轉向齒輪箱的機械式同步機構雖然從原理上分析可行，但往往受到工藝上許多限制。本文介紹一種新穎的“串接增速器的機械式同步機構”，并成功應用于“四航奮進”號2600t起重船的多主鉤起升機構中，較好解決了主鉤同步問題。

機械式同步機構；增速器；起重船

0 引言

隨機械制造業的迅速發展，不論是陸上的工程機械還是海上工程船舶都在向大型化發展[1]。在這些設備中，經常遇到多個旋轉裝置之間有相互同步的要求，即應用到同步機構[1]。所謂同步機構是指有運動的兩個或多個零件之間需要保持有確定速度之間關系的一種裝置，如有兩個旋轉的零件，要求同向、等速旋轉，而滿足這一功能的就是一個同步機構。由于機械式同步機構的結構簡單、同步傳遞精度高、工作可靠、環境適應性強、故障率低，特別是在低速大扭矩工況下能長期可靠的工作，因此各類機械式同步機構被廣泛應用于機械設備、運輸機械、起重機械和工程船舶中。

1 問題的提出

“四航奮進”號2600t雙臂架固定式起重船是我國于2003年自行設計和建造的該類型的第一艘兩千噸級以上的大型工程起重船。該起重船為固定式雙臂架結構形式，配置四個按矩形布置的650t主鉤，最大起重量為2600t。主鉤起升機構為液壓驅動的大型絞車，并對應主鉤也按矩形布置于船體后甲板上。2600t起重船總布置見圖1。

圖1 2600t起重船總布置圖

由于起重系統采用了雙臂四鉤的布局，能夠適應海上各類起重吊裝作業的工況要求，僅吊鉤系就可完成對被吊構件3個自由度的調整，吊裝作業工藝性好，特別是長梁寬幅結構的重型構件吊裝，如大型橋梁箱梁安裝、沉船打撈、海上風電整機安裝等。但是同樣也帶來了新的問題，在某些吊裝作業工況中，為減小和避免因4個主鉤不同步運行產生的載荷轉移，該系統對4個主鉤的同步運行精度也提出了相當高的要求。

在該起重船的起重控制系統中，原設計了一套采用由電子編碼器、液壓控制系統、PLC等組成的電子軟同步器控制系統。但在實際的使用中，采用軟同步的四臺起重絞車有跟蹤速度慢、動作有明顯的延時效應，并有較大的速度損失，同步精度不理想，絞車出繩時常伴有“竄動”的現象，可靠性不高，難以滿足起重系統精確同步的要求。因此努力尋求更好的軟同步或采用機械式同步機構(俗稱：硬同步)的方案來解決。

2 同步方案比選

方案I：在原有軟同步控制系統的基礎上，選用高精度數字編碼器、高精度的電液比例閥作為液壓絞車的主控制閥元件，重新編程并采用合適的算法設計新的閉環同步控制系統軟件，從硬件(指液壓系統閥件)和軟件兩方面完善整個系統。經過反復的研究和分析，軟同步方案雖然僅涉及到少量的液壓閥件和編程軟件的修改，但對絞車系統的硬件改變較少，如能滿足同步精度的要求，當然是最好的。但該方案有許多不確定的因素，當時國內也沒有找到同類控制系統的工程案例，雖然作了許多努力，有所改善，但還是達不到同步的精度要求，因此暫時放棄該方案。

方案II：采用機械式同步機構。設計一個長條型的多級齒輪箱，該齒輪箱的輸入與輸出軸之間的傳動比為1∶1、轉動方向一致，實際上該齒輪箱起到一個“過橋”的作用，其輸入與輸出軸分別與前后兩臺絞車的第一級閉式減速箱的輸出軸端聯結，達到前后兩臺絞車同步的目的。但是由于前后絞車軸線間的距離較長（約 8000mm），傳遞的扭矩較大，初步設計需6級～8級齒輪傳動才能完成“過橋”的功能，并涉及到的硬件改造多，實際上是較難實現的。因此也只能放棄。

方案III：采用機械式同步機構。由于四臺主鉤起升絞車在起重船的后甲板上成矩形布置，左右臂架的前后主鉤的絞車軸線成平行布置，需要在同步系統中設置90°轉向齒輪箱（傳動比為1∶1的圓錐齒輪箱）來實現轉向的功能，從原理上分析可行，較容易滿足長距離軸線的布置結構。并且國內有過類似采用90°轉向齒輪箱進行軸線相互垂直的旋轉機構之間同步聯結的成功實例。因此，同步機構的研究方向就基本確定以方案III為主要研究方向。同步方案原理見圖2。

圖2 同步方案III工作原理圖

進一步的分析研究表明，作為轉向用的齒輪箱結構龐大，初步設計齒輪箱的箱體尺寸(不計外伸軸的尺寸)為：2200×1500×1200mm，單臺變速箱質量約 8.6t，且由于實際可提供安裝同步器空間有限，即使花費較高完成制造，但在四臺起升絞車中的空間位置內較難容納下這么一套同步機構。因此還得尋求新的技術方案解決。

方案IV：在上述采用轉向用的齒輪箱的方案基礎上，把僅有90°轉向功能的齒輪箱（傳動比為1∶1的圓錐齒輪箱）改為“增速箱”，實現既能轉向，又有增速、降低扭矩的目的。該方案雖然國內暫沒有在大型起重船上應用的工程實例，但經進一步的理論分析和研究，基本確定方案是可行的，因此確定選擇該方案。

3 串接增速器的機械式同步機構應用

“四航奮進”號2600t雙臂架固定式起重船配置有4個 650t起重能力的主鉤，需要滿足多種起重工況，主要有：兩兩同步作業工況（即左臂雙鉤或右臂雙鉤分別同步）、四主鉤同步工況等等。由于工藝上的某些原因，四臺起重機主鉤起升絞車按矩形位置布置在起重船的后甲板上。該四臺液壓絞車規格為2×400kN，動力分別由兩臺大扭矩的徑向柱塞液壓馬達并聯驅動第一級閉式齒輪減速箱（減速比i=7.41），第二級減速由減速箱輸出軸上的小齒輪與絞車大卷筒上的大齒圈組成開式齒輪傳動減速機構（減速比i=5.26）。第一級減速箱的輸出軸端傳遞的最大扭矩約200kN·m、轉速20 r/min～45r/min。

3.1 同步機構的主要設計參數

由于本方案采用一種新穎的理念和設計方案，通過采用增速-降低傳遞扭矩的方法進行機械能的傳遞。達到了既滿足轉向功能，又成倍地減小了作為同步器中起重要作用的變速箱的尺度規格的目的。

同步機構與主絞車的聯結點選擇了起升絞車的第一級閉式齒輪減速箱輸出軸端。經分析和計算同步器在各種使用工況下，可能出現傳遞的最大扭矩值，確定了增速器的主要參數和規格，并選取了YK系列450型兩級圓錐齒輪減速箱為設計原形進行初步設計，在初步設計的基礎上，最終確定了以南京高精齒輪廠的 YKL450型齒輪箱的箱體主要參數為基礎，設計改進成為增速比i=8.325的增速箱。增速箱的主體尺寸（不計外伸軸部分的尺寸）約為：1300×700×900mm，單臺增速箱重約2.8t，僅為方案III的三分一；增速器輸出端的高速軸軸徑減小到150mm以下，尺度較長的三條傳動軸均采用φ150×10的無縫鋼管制造而成。

3.2 同步機構的工作原理簡介

該同步機構由：4臺增速齒輪箱、6個齒合式離合器、3個萬向十字聯軸節、聯軸器、2條縱向傳動軸、1條橫向傳動軸以及其他輔助機構和零部件等組成。

離合器在機構中起到了分、離串接同步器的功能。如圖3所示，當各主鉤使用獨立作業工況時，1號～6號離合器全部分離；當左、右臂架主鉤需要采用兩兩同步工況時，除橫向傳動軸兩端的5號離合器、6號離合器處于分離狀態外，1號～4號離合器全部合上；當需要四主鉤同步工況，1號～6號離合器全部處于接合狀態。

圖3 串接增速器的機械式同步機構原理圖

4 實船應用效果

本同步器通過在機構中設置了增速器，既滿足了變向功能，又通過增加后級轉動部件的轉速、降低實際傳遞扭矩的方式，有效減少了系統中各零部件結構尺寸，使機械式同步器在2600t起重船的起升系統中應用成為可能。該裝置整體結構緊湊、占用空間少、同步精度高、轉動慣量小、起升作業安全可靠，滿足起重船各種起重作業工況的要求。且整套同步機構制造和配套成本較低，具有良好的技術經濟性。

上述“串接增速器的機械式同步機構”于2005年下半年安裝在某公司“奮進”號2600t雙臂架固定式起重船上，使用至今，效果理想。起重船安裝同步機構后，先后完成了浙江金塘海灣大橋和青島海灣大橋近千件2000t級的混凝土箱梁、鋼箱梁的海上安裝任務，使用性能良好。在四個主鉤接近滿載作業條件下運行時，負荷轉移量很小，安全可靠并發揮了起重船的最大能力，完全滿足和適用于大型起重船多鉤系統的同步要求，同步精度和效果良好。

5 結語

機械式同步機構雖屬傳統的同步控制裝置，即使當今機、電、光和液等控制技術已達到相當高的水平，但機械式同步機構仍然廣泛地應用于各類機械、機構之中，形式和功能也多種多樣。特別是在一些大型的工程機械和工程船舶中，由于這些設備的特殊作業條件以及惡劣的作業工況，簡單的采用電、光、液等閉環同步控制系統也無法替代機械式同步機構。

在旋轉機構中通過串接增速器，調整了機械能傳遞過程中的轉速與扭矩這一對參數，使得在傳遞相同功率的條件下，能有效減小機構的尺度、減小旋轉機構的轉動慣量、提高傳遞效率。所謂的“增速器”就如同電路中的“變壓器”，與遠距離傳輸電能而采用的升壓、降流和降耗的原理類似。因此，這種機構可延伸應用到許多需要較長距離(幾米～幾十米的距離)傳遞扭矩的機械裝置中，有著較廣泛的應用領域。

[1]吳宗澤.機械設計師手冊(上、下)[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2]西北工業大學.機械設計（上冊）[M].北京:人民教育出版社,1979.

[3]CCS.船舶與海上設施起重設備規范[S].2001.

Concatenated Speeder Mechanical Synchronous Mechanism Used in Large Floating Crane

LU Hong,ZHENG Yuan-bin,WANG Yi-cheng
(CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510231,China)

The mechanical synchronous mechanism is a traditional device.Because of its simple structure,reliable operation and wide adaptability,it is widely used in all kinds of mechanical equipments and engineering ships.Although normal mechanical synchronous mechanism with steering gear box is feasible in theory,two rotating devices are often restricted on technical when arranged in parallel axis with low speed and high torque.This paper presents a new type of accelerator mechanical synchronous mechanism,which is successfully applied in SHI HANG FEN JIN 2600t crane ship for solving the synchronization problem of the main hoisting mechanism.

mechanical synchronous mechanism; accelerator; crane ship

U661

A

陸紅（1957-），男，高級工程師。主要從事船機設備專業的研究。