大型起重機電滑環原理及安裝技術

陽連豐

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

大型起重機電滑環原理及安裝技術

陽連豐

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

首先對一條在建深水鋪管起重船上起重機與船體連接部位的電滑環的原理、結構特點及特性做了介紹，然后對該起重機所用電滑環的安裝技術進行詳細介紹。研究結果可彌補目前生產廠家所提供電滑環設備手冊指導性不足的問題，同時對后續的電滑環維護保養具有指導意義。這可為其他類似的海洋重型旋轉裝備的電滑環安裝提供參考。

海洋油氣工程；起重機；電滑環；安裝技術

0 引 言

隨著世界海洋能源工程在深度和廣度上的發展，對海洋特種工程船的數量需求迅速增長。海洋特種工程船已經成為海洋鋼結構制造業中又一個重要的發展方向[1]。深水鋪管起重船“海洋石油201”項目于2005年5月啟動，2008年9月開工建造，是“十一五”國家科技重大專項和863計劃相關課題的重要組成部分。“海洋石油201”是世界上第一艘同時具備3 000 m級深水鋪管能力、4 000 t級重型起重能力和DP3級全電力推進的動力定位并具備自航能力的船型深水鋪管起重工程作業船。船舶的詳細設計和建造在國內自主完成，是亞洲和中國首艘具備3 000 m級深水作業能力的海洋工程船舶[2]。

“海洋石油201”船上大型起重機由荷蘭GUSTO公司設計，由海洋石油工程股份有限公司建造公司負責建造和安裝。此起重機主要結構有底座環、旋轉平臺、扒桿、A字架、平衡小車等。底座環與船體相連接，對整個吊機起支撐作用；旋轉平臺位于底座環之上，中間用軸進行連接，可以完成起重機360°旋轉。起重機主電源通過安裝在旋轉平臺中心孔上方的電滑環供應，電滑環是旋轉平臺動力系統的關鍵部件。

電滑環也叫集電環、集流環、匯流環等，一般為安裝在設備旋轉部件上的金屬環，與電刷相接觸，使電流從電路的一端通過滑動接觸流到另一端的導電金屬環，通過電刷與靜止點的接觸而提供連續的電流。它可以用在任何要求連續旋轉，同時又需要從固定位置到旋轉位置傳輸電源和信號的機電系統中。電滑環能夠提高系統性能，簡化系統結構，避免導線在旋轉過程中扭傷。

精密導電滑環屬于高科技產品，一直被應用于尖端軍事領域，是各種精密轉臺、離心機和慣導設備的關鍵器件。隨著我國經濟的不斷發展，民用領域也越來越多地使用此類產品，主要用于工業自動系統控制。在發達國家，該類產品已逐漸由軍用轉化為民用，近幾年已實現了標準化、批量化生產，被廣泛應用于安防、工廠自動化、電力、金融、儀表、航空、軍事、運輸、建筑等機電設備上。

本文以“海洋石油201”為例，對起重機所用電滑環的原理和安裝技術進行研究，以期為類似的海洋重型旋轉裝備的電滑環安裝提供參考。

1 電滑環的總體介紹

1.1 電滑環結構

電滑環屬于電接觸滑動連接應用范疇，是實現兩個相對轉動機構的圖像、數據信號及動力傳遞的精密輸電裝置[3]。電滑環特別適合應用于需要無限制地連續旋轉，同時又需要從固定位置到旋轉位置傳送功率或數據的場所。整個結構一般由彈性材料(電刷)、滑動觸點表面材料(導電環)、絕緣材料、粘結材料、組合支架、精密軸承、防塵罩及其他輔助件等組成。電刷采用貴金屬合金材料，呈“Ⅱ”型與導電環環槽對稱雙接觸，借助電刷的彈性壓力與導電環環槽滑動接觸來傳遞信號及電流[4]。

1.2 電滑環使用上的特點

設備機械部分實現360°無限制連續旋轉時，導線需連接到旋轉部件上去，遇到導線纏繞問題時需要一個電旋轉連接器。電滑環是用來傳輸動力和信號的旋轉連接。一般來說，導電環部分是轉子，電刷部分是定子。滑環是雙向轉動的，是電刷部分轉動還是導電環轉動沒有什么區別，至于是電刷作轉子還是導電環作轉子，取決于電滑環安裝方式。電滑環可以實現動力和信號的組合，既傳輸動力電，又傳輸信號。

1.3 電滑環的設計選型

一般情況下，鋼質電滑環的耐磨性好，機械強度大，因此這種電滑環常用于因極性引起的磨損差較大的同步電機上。鋼可以加工成復雜的結構，是一種容易得到而又價廉物美的材料，因而廣泛用于包括圓周速度較低的水輪發電機在內的同步電機。對于主要強調高圓周速度下機械強度和耐磨性的電滑環，有時也使用鍛鋼。另外，要求耐腐蝕性時可使用不銹鋼，但不銹鋼的滑動特性不穩定，與電刷組合時往往使電刷產生跳動，容易造成電刷溫升過高或異常磨損，所以使用時必須加倍注意。青銅鑄件等銅質電滑環與鋼質電滑環相比，因滑動特性好而用途很廣，但當含有大量低熔點鉛時，因通電點的發熱而產生脫鉛現象，容易造成電滑環磨損或電刷異常磨損。

2 電滑環的安裝技術

2.1 起重機電滑環安裝環境

以“海洋石油201”船4 000 t起重機為例，旋轉平臺總質量約1 404 t，電滑環安裝在起重機旋轉平臺中央箱體中的獨立艙室內，艙室中央為電滑環的安裝位置。該起重機上的電滑環質量約2 t，最大外形尺寸2 106 mm×299 mm，分為電源單元和信號控制單元兩部分進行安裝。各部分外形參數如圖1所示。

圖1 電滑環外形參數Fig.1 Outline parameters of electric slip ring

2.2 電滑環安裝流程

由于旋轉平臺建造完成后需通過吊裝安裝到起重機底座環上，而電滑環又處于旋轉平臺與底座環連接中心孔處，安裝位置處于旋轉平臺的箱體內，所以電滑環安裝總體上分為預安裝和精確安裝兩大環節，具體包括以下步驟：

(1) 根據現場情況安裝輔助支撐。

(2) 移除所有旋轉平臺的安裝輔助件。

(3) 解除電滑環與臨時固定支撐間的連接。

(4) 吊裝電滑環并移除臨時固定支撐。

(5) 將電滑環放置在底座支撐上。

(6) 調整電滑環的方向。

(7) 將電滑環與底座連接(確保扭矩臂處于正確位置并確保每側都留有2～3 mm的間隙)。

(8) 安裝機械部分。

(9) 安裝電器儀表部分。

(10) 電滑環安裝結束，必須關閉頂部艙蓋。

2.3 機械部分安裝

在機械安裝過程中，與電滑環相連的基座法蘭應連接到旋轉裝置的旋轉結構部分，與電刷相連的電滑環機架應當連接固定結構部分。具體安裝步驟如下：

(1) 使用M16螺栓把電滑環固定到安裝平面上。螺栓應當安裝進電滑環固定法蘭的凹槽內。安裝電滑環的安裝平面應當平整，應能夠承受電滑環的重量并保證其水平。

(2) 電滑環吊裝應使用提供的吊點將其固定到安裝平面上。主電源單元在頂部法蘭處設有4個吊耳，信號/控制單元在頂部設有2個吊耳。

(3) 電滑環分為兩部分，即主電源單元和信號及控制單元。主電源單元安裝完成后，將信號及控制單元安裝到主電源單元的頂部。連接到低壓電源滑環的電纜必須在信號及控制單元安裝之前進行連接。

(4) 電滑環機架的底部兩側具有驅動臂固定點。各個驅動臂兩側必須使用剛性結構進行固定，用于固定的剛性結構必須能夠抵抗電滑環的旋轉扭矩。為補償電滑環與機械結構之間可能存在的安裝誤差，要求在各向預留2～3 mm的空隙。另外，在安裝電滑環的過程中，在旋轉電滑環一圈后應認真檢查，確保電滑環沒有受到任何側向或彎曲的力。在電滑環旋轉過程中，當使用兩個驅動臂時，兩個驅動臂都應留有空隙。圖2為電滑環主驅動臂結構圖。

圖2 電滑環主驅動臂結構圖Fig.2 Structure of the master drive arm of electric slip ring

(5) 待主電源單元安裝完成及400 V電源單元電氣連接完成之后，才能進行信號及控制滑環單元的安裝。

(6) 吊起信號及控制滑環并將滑環放置在電源單元的頂端，將扭矩臂的扭矩銷放置在電源單元頂部十字部件的孔中。通過此扭矩臂，電源單元將帶動信號及控制單元共同轉動。圖3為信號及控制單元滑環的扭矩臂和扭矩銷的剖面圖。

圖3 信號及控制單元滑環的扭矩臂和扭矩銷Fig.3 Torque arm and torque pin of signal control unit slip ring

(7) 通過移除外板螺栓進行外板拆裝。需移除高壓電源單元及400 V電源單元里輔助的起保護作用的樹脂玻璃。恢復外板時與上述過程相反，確保密封及墊圈重新安裝完好。

2.4 電氣部分安裝

2.4.1 電環側電纜的安裝

6.6 kV部分導電環側電纜穿過基座向上通過中心部分連接到電滑環的6.6 kV單元。電源電纜使用適當的接線端子直接連接到導電環上。400 V電源導電環側的電纜穿過基座向上通過中心部分連接到電滑環的400 V單元。電源電纜使用適當的接線端子直接連接到導電環上。根據需要移除主電源機架頂部的兩個端蓋及400 V單元的隔離物，以便能夠接觸到導電環。電源滑環的接線應該在信號及控制部分安裝到電源單元頂部之前進行。接線后，電纜應該用綁扎帶固定，以便能夠支撐位于中心管子中的電纜的重量。

3.4.2 信號及控制單元的安裝

預先將信號及控制單元電環到船體接線箱的尾端電纜接好。安裝固定在船體上的接線箱，連接來自電滑環(尾端電纜)和船體兩方的電纜，將電纜接到接線箱的端子排上。

2.4.3 電刷排側電纜的安裝

對于電滑環，電源電纜應直接連接到電刷排或電刷排的母排上。

2.4.4 6.6 kV電源單元部分

將電纜敷設到高壓(HV)電源的引線盒，去除電纜的外層鎧裝，制作高壓電纜頭(采用冷縮終端處理)，將電纜連接到接線點上。引線盒出口處的玻璃鋼柵用于固定電纜。

2.4.5 400 V電源單元部分

將電纜敷設到引線盒，去除電纜的外層鎧裝，制作電纜終端(采用冷縮終端處理)并連接固定到母排上。

2.4.6 信號及控制單元的接線

將電纜敷設到電纜入口。使用端子將去往信號及輔助電源電刷排的電纜直接連接到電刷排上。

2.4.7 編碼器的安裝

按照編碼器安裝說明進行編碼器接線。在編碼器支架和滑環支架上通過螺栓固定來擰緊編碼器調速帶。

2.4.8 光纖單元的安裝

導電環側，敷設電滑環到船體光纖接線箱之間的光纜。固定好光纖，將電滑環和光纖接線箱中的光纖纖芯固定在光纖套管內。電刷側，光纖從電滑環的機架進入，連接到電刷側的光纖套管內。將多余長度的光纖固定在機架的電纜固定處，以免電滑環旋轉部分內的光纖纏繞。

2.4.9 加熱器的安裝

加熱器電纜通過填料函連接到單獨的230 V交流電(AC)加熱器回路端子上。設置自動調溫裝置至所需要的最高溫度，然后重新安裝HV單元的金屬保護殼。

3 電滑環的安裝注意事項

3.1 技術和施工安全交底

施工人員在電滑環上或內部工作時應該事先告知操作人員，技術人員應提前將施工風險向施工人員進行交底。如果需要在電滑環內部進行工作，在打開電滑環外殼之前，確保操作人員切斷所有的電路并且所有電源電路都采用合適的接地裝置進行接地。

3.2 電滑環內部施工安全檢查

在接觸任何電氣連接部分之前，必須使用合適的測量工具確定設備沒有帶電。即使在主電源電路斷開之后，電滑環內的任何加熱器的終端仍然會帶有電壓。在電滑環內進行安裝維護的過程中，應該確保安裝有電滑環的機器不發生轉動。在電滑環的安裝維護過程中，如果安裝有電滑環的機器需要轉動，操作人員應該遠離移動部件。

3.3 電氣安裝注意事項

在電纜安裝過程中應該注意以下幾點：

(1) 清除各表面，保證電纜線鼻子與導電環和電刷排、電刷排與母排之間的電氣連接。

(2) 確保在電纜接線點之間留有足夠的相與相、相與地之間的絕緣空間。

(3) 所有電纜的布置及安裝應該整齊，特別是連接到電刷排的電纜，應避免電滑環旋轉部分的電纜交叉和纏繞。

(4) 電纜應適當固定以消除由于震動及機械拉伸對電纜連接處產生的機械應力。尤其對從導電環下方進入的電纜，應當在設備下方進行固定。

(5) 接線完成后，檢查所有電刷以確保其處于滑環上的正確位置并排列整齊。

(6) 確保動力單元的高壓、低壓電纜的絕緣和打壓測試合格后，再進行信號及控制單元的安裝。

(7) 電滑環內部的每根電纜在接線完成后都應進行必要的檢驗工作，以免所有電纜接線、固定完成后，因內部空間不足造成電纜無法檢測和調整。

4 結 論

目前我國使用的高可靠性電滑環大多數依賴進口。高可靠性電滑環的生產與應用將開創我國自主研發高可靠性電滑環之路。本文所述電滑環已經成功安裝于“海洋石油201”船大型起重機上，各項性能均滿足技術要求。其原理和安裝技術對其他類似工程具有很好的參考價值。

[1] 蘇健，于彬，白洋，等. 大型浮吊現場機加工策略的研究[J]. 中國造船， 2009， 50(增刊)： 528.

[2] 旭蓮. 熔盛重工“征戰”海工市場制高點[J]. 中國遠洋航務, 2010(7)： 63.

[3] 何磊. 垂直鉆井工具井斜動態測量研究[D]. 武漢： 武漢科技大學， 2010.

[4] 王西哲, 姚云花. 匯流環結構設計及加工中需要注意的幾個問題[J]. 科技風, 2013(7): 20.

PrincipleandMountingTechniqueofHeavyCraneElectricSlipRings

YANG Lian-feng

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300461,China)

The principle, structural features and characteristics of the electric slip rings at the joint part of crane and ship body of a deepwater pipe-laying crane ship under construction are introduced. The mounting technique of the electric slip rings used on the crane is described in detail. The results can fix the problem that the existing equipment manuals are lack of guidance, and will direct the following maintenance of the slip rings. It will provide a reference for the installation of electric slip rings for similar marine heavy rotary equipment.

ocean oil and gas engineering; crane; electric slip ring； mounting technique

TE54;U674.35

A

2095-7297(2014)02-0151-05

2014-05-13

陽連豐(1979-)，男，高級工程師，主要從事海洋工程設計管理方面的研究。