“海洋四號(hào)”船高張力萬(wàn)米絞車改造淺析

冼偉倫 李華龍 高方朝 余 平

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州510075）

引 言

海洋調(diào)查船是用于海洋科學(xué)考察、應(yīng)用技術(shù)研究以及測(cè)量或勘探等船舶的統(tǒng)稱［1］，是進(jìn)行海洋調(diào)查與研究的重要平臺(tái)和必要工具，是海洋科研能力建設(shè)的重要組成部分，它的整體性能和技術(shù)裝備水平直接影響國(guó)家海洋事業(yè)的發(fā)展。［2］萬(wàn)米絞車是海洋調(diào)查船上不可或缺的設(shè)備。

由于萬(wàn)米絞車在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)上不成熟，對(duì)海上的惡劣情況沒(méi)有充分考慮，尤其在排纜方面非常不整齊，研發(fā)投入力度不足，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)購(gòu)置非常少，各科考船的萬(wàn)米絞車都是采購(gòu)國(guó)外產(chǎn)品，而且趨向于采購(gòu)帶有牽引的恒張力絞車。為實(shí)現(xiàn)黨中央提出的海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)，打破船載調(diào)查設(shè)備完全依靠于進(jìn)口的局面，打破技術(shù)上的壟斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必然。很多國(guó)內(nèi)海洋調(diào)查機(jī)構(gòu)、科研單位和機(jī)械設(shè)備廠家都躍躍欲試，爭(zhēng)取調(diào)查設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的愿望早日實(shí)現(xiàn)。

敢為人先，摸著石頭過(guò)河，就必然有經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和成敗。海洋調(diào)查船的舊船改造和新船建造是相輔相成的，對(duì)海洋科學(xué)調(diào)查事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都十分必要［3］。2013年以來(lái)，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號(hào)”舊船改造，其萬(wàn)米絞車系統(tǒng)通過(guò)國(guó)際公開(kāi)招標(biāo)的方式確定了貴陽(yáng)某礦山機(jī)械公司為生產(chǎn)廠家。但由于其缺乏海上調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海上惡劣的作業(yè)環(huán)境缺乏深入了解，對(duì)于約20 t的鋼纜高張力估計(jì)不足,導(dǎo)致所生產(chǎn)的絞車交付后不能正常使用。因此，需要對(duì)此存在缺陷的萬(wàn)米絞車進(jìn)行改造，讓其重獲新生，而分析萬(wàn)米絞車的高張力排纜技術(shù)、研究排纜的關(guān)鍵因素，對(duì)調(diào)查設(shè)備國(guó)產(chǎn)化具有非常重要的意義。

1 萬(wàn)米絞車的構(gòu)成

萬(wàn)米絞車系指滾筒儲(chǔ)存鋼纜、光纖纜或同軸纜能力超過(guò)10 000 m的卷?yè)P(yáng)機(jī)，用卷筒纏繞纜提升或牽引重物的起重設(shè)備，并且取樣能力能滿足相應(yīng)水深及海底下取樣長(zhǎng)度之和的海域，目前一般取樣長(zhǎng)度為30 m內(nèi)。由于“海洋四號(hào)”船調(diào)查任務(wù)繁重，科考調(diào)查往深水海域拓展，所以本次主要針對(duì)舊船改造項(xiàng)目中的萬(wàn)米絞車進(jìn)行再次改造。萬(wàn)米絞車基本構(gòu)成有液壓泵站、減速齒輪及液壓馬達(dá)、減速機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)、電控機(jī)柜、操縱臺(tái)、滾筒、排纜器及其附屬設(shè)施。

2 絞車海試后遇到的主要問(wèn)題

（1）“海洋四號(hào)”船改造后安裝了新的萬(wàn)米絞車，船舶試航非常成功。但該絞車經(jīng)海試后卻發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)海上惡劣的作業(yè)環(huán)境估計(jì)不足、絞車鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致鋼纜增多后擠壓滾筒端面，使?jié)L筒發(fā)生變形，而這一變形又導(dǎo)致滾筒端面間距離在滾筒軸線上的方向上不均勻一致，每一層排纜的數(shù)量發(fā)生變化，滾筒距離與鋼纜的直徑不成比例，致使排纜越來(lái)越紊亂。此外，由于原絞車?yán)?qiáng)度不足，滾筒變形受力不均，導(dǎo)致軸承發(fā)熱，軸承在軸線垂直方向上接觸面不同導(dǎo)致磨損快速且發(fā)出異常聲音（見(jiàn)圖1）。

圖1 萬(wàn)米絞車的滾筒

（2）拉力不夠，設(shè)計(jì)時(shí)的部分傳動(dòng)設(shè)備性能未充分發(fā)揮（見(jiàn)圖2）。剎車馬達(dá)是液壓控制的，在液壓泵站上的一路分支，控制減速機(jī)的剎車片，但由于沒(méi)有連鎖，也沒(méi)有信號(hào)反饋，所以導(dǎo)致無(wú)法判斷該剎車是否失效或誤動(dòng)作。必須設(shè)置電氣上的連鎖和獨(dú)立油泵提供剎車油，使開(kāi)機(jī)之前能判斷并顯示剎車必須松開(kāi)后才能啟動(dòng)絞車，這樣才能避免不必要的能量損耗。減速機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速約為3 000 r/min，由于沒(méi)有強(qiáng)制循環(huán)冷，卻導(dǎo)致其內(nèi)部潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，使該設(shè)備的性能明顯下降，絞車?yán)σ蚨鵁o(wú)法達(dá)到預(yù)定值。

圖2 萬(wàn)米絞車的操作顯示屏

（3）由于其帶有伺服馬達(dá)的智能排纜設(shè)計(jì)不成熟，基座斷裂、傳感器容易進(jìn)水腐蝕、質(zhì)量和敏感度差，導(dǎo)致鋼纜排纜紊亂、停滯不暢（見(jiàn)圖3和圖 4）。

圖3 萬(wàn)米絞車的智能排纜器

圖4 萬(wàn)米絞車的排纜情況

智能排纜器的傳感器安裝在排纜器的兩個(gè)小滾輪上。當(dāng)鋼纜往某一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)撥叉偏移，而使藍(lán)色的兩個(gè)傳感器與撥叉距離不同從而產(chǎn)生電位差，觸發(fā)信號(hào)傳給伺服馬達(dá)，馬達(dá)就能按照給出的指令動(dòng)作；當(dāng)鋼纜不偏移使撥叉恢復(fù)正中位置時(shí)，伺服馬達(dá)就停止動(dòng)作。不過(guò)，由于傳感器水密質(zhì)量差、靈敏度低下，與撥叉的間隙太大，導(dǎo)致伺服馬達(dá)經(jīng)常誤動(dòng)作，從而鋼纜非常紊亂。撥叉與固定的滾輪距離太近，使撥叉力臂短導(dǎo)致動(dòng)作不靈敏，滾輪磨損快。

傳動(dòng)滾輪圓周很小，被鋼纜帶動(dòng)從而高速旋轉(zhuǎn)。由于滾輪調(diào)質(zhì)處理不過(guò)關(guān)，導(dǎo)致硬度不夠，故磨損特別快。當(dāng)其與鋼纜接觸面變小時(shí)，便容易使計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，而磨損的傳動(dòng)滾輪壓著鋼纜的力度變小又會(huì)導(dǎo)致張力計(jì)不準(zhǔn)確。

3 解決方案

由于“海洋四號(hào)”船任務(wù)非常繁重，需要一臺(tái)可靠的萬(wàn)米絞車來(lái)執(zhí)行調(diào)查任務(wù)，要解決萬(wàn)米絞車海試中存在的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)需重新制作，零部件必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體措施如下。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題

海上科考調(diào)查作業(yè)的環(huán)境非常惡劣，鹽分大、海況風(fēng)浪變幻無(wú)常，科考調(diào)查作業(yè)對(duì)船舶及其設(shè)備的強(qiáng)度要求非常高。絞車再次改造時(shí)，對(duì)主滾筒進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，充分考慮了海上惡劣的工作環(huán)境以及涌流影響，采用加厚鋼材，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；軸承按照安全工作拉力的需求，再加上1.5倍的安全系數(shù)；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)太多或者用料上太保守，肯定影響滾筒旋轉(zhuǎn)速度，為了不因結(jié)構(gòu)變化而影響齒輪的傳動(dòng)，用戶提出創(chuàng)新設(shè)想，把傳動(dòng)齒輪和滾筒外板分開(kāi)，傳動(dòng)齒輪和滾筒傳動(dòng)軸通過(guò)鍵的方式連接，驅(qū)動(dòng)滾筒圓周運(yùn)動(dòng)，使傳動(dòng)齒輪不受鋼纜排纜纏繞時(shí)產(chǎn)生的對(duì)滾筒端面?zhèn)认蛄Φ姆e壓，也通過(guò)鏈條傳動(dòng)來(lái)強(qiáng)行驅(qū)動(dòng)機(jī)械排纜器，該排纜器可以隨時(shí)脫開(kāi)并適當(dāng)自我調(diào)整（見(jiàn)圖6）。

3.2 拉力不夠問(wèn)題

拉力不夠的主要原因有以下三點(diǎn)：

（1）減速機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致性能明顯下降，磨損過(guò)大，達(dá)不到預(yù)定拉力；

（2）受側(cè)向力的滾筒單薄變形，導(dǎo)致其基座軸承受力不均，軸承發(fā)熱，甚至卡死不動(dòng)；

（3）剎車沒(méi)有及時(shí)松開(kāi)甚至誤動(dòng)作，導(dǎo)致能耗過(guò)大。

根據(jù)以上缺陷和安全工作負(fù)荷和系數(shù)，采取如下措施：

（1）對(duì)原來(lái)的泵站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)其檔板高度、齒輪強(qiáng)度、主軸強(qiáng)度、滾筒強(qiáng)度重新進(jìn)行校核； 同時(shí)進(jìn)行有限元分析并采取得力加強(qiáng)措施，對(duì)其減速比進(jìn)行重新計(jì)算，提高其鋼纜線速度。

（2）更換排纜器、滾筒、軸承、滾筒和傳動(dòng)齒輪分開(kāi)并通過(guò)軸向鍵槽連接，剎車使用獨(dú)立的油泵。

（3）尤為重要的是，經(jīng)過(guò)用戶詳細(xì)觀察分析、大膽提出創(chuàng)新，對(duì)減速機(jī)采取強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的辦法，使得其溫度明顯降低，從而提高了效率（見(jiàn)圖 5）。

圖5 減速機(jī)及傳動(dòng)齒輪

3.3 排纜器問(wèn)題

不過(guò)，上述幾點(diǎn)都較容易整改并實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是排纜器問(wèn)題。當(dāng)今國(guó)內(nèi)的智能排纜器軟件及其芯片技術(shù)設(shè)計(jì)上不夠成熟，很容易出現(xiàn)排纜紊亂現(xiàn)象，再加上各個(gè)智能排纜的傳感器質(zhì)量不過(guò)關(guān)，比較容易腐蝕導(dǎo)致故障不斷，因此現(xiàn)在只能采取最簡(jiǎn)單可靠的機(jī)械排纜方式：傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)主滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在另一端通過(guò)鏈條或者齒輪帶動(dòng)排纜器強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鋼纜進(jìn)行有序排列。盡管偶爾需要適當(dāng)自我調(diào)整，但不會(huì)像智能排纜那樣產(chǎn)生故障且導(dǎo)致停滯不前。制作生產(chǎn)安裝調(diào)試后，經(jīng)過(guò)4天的海上試驗(yàn)驗(yàn)收并成功通過(guò)，現(xiàn)在一直在海上安全地生產(chǎn)作業(yè)（見(jiàn)圖6）。

圖6 新的萬(wàn)米絞車

在滾筒底層安裝了LEBUS纜槽，對(duì)底層排纜能夠固化有序，打下了堅(jiān)實(shí)排纜基礎(chǔ)，對(duì)整體排纜起到相當(dāng)好的作用。

4 排纜問(wèn)題的具體改造工作

4.1 機(jī)械排纜的基本工作原理

機(jī)械排纜的原理是由液壓泵站驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪和主滾筒旋轉(zhuǎn)，同時(shí)按照計(jì)算好的減速比通過(guò)鏈條或齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)排纜器主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。主軸是具有月牙形狀螺紋的絲杠（見(jiàn)圖6），絲杠上面的撥叉夾著鋼纜沿著主軸來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使鋼纜按照設(shè)計(jì)好的主滾筒和排纜器之間的減速比在滾筒上規(guī)律且整齊地排纜；又因?yàn)槭窃卵佬螤畹慕z杠，使撥叉能夠在絲杠的盡頭自動(dòng)返回進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使鋼纜能較順暢地纏繞于滾筒。

為防止機(jī)械排纜偶爾出現(xiàn)排纜不整齊或跳槽的現(xiàn)象，排纜器主軸和主滾筒之間的連接通過(guò)離合器來(lái)脫開(kāi)，利用人工方式重新將鋼纜整理順暢后再嚙合進(jìn)行排纜。

4.2 機(jī)械排纜的主要關(guān)鍵因素

機(jī)械排纜的整齊程度取決于滾筒底層否有纜槽，取決于排纜器的計(jì)算是否準(zhǔn)確。

4.2.1 纜 槽

纜槽也稱作LEEBUS纜槽（即折線纜槽），由美國(guó)人Frank Leebus發(fā)明。這種纜槽在滾筒周向的大部分區(qū)段保持與滾筒端面平行，只有很小區(qū)段與滾筒端面相交，因此纜槽必然出現(xiàn)折線現(xiàn)象，故名“折線纜槽”。

隨著LEBUS纜槽的誕生，鋼纜在主滾筒5/6圓周的相互平行的，兩個(gè)過(guò)渡段約1/6圓周是折線的。

滾筒上纏繞的每一層纜繩是其上一層的基礎(chǔ)和軌跡，尤其是最底層，這對(duì)于滾筒上纏繞的纜繩排列是否整齊順暢起到關(guān)鍵作用。為了纜繩在剛開(kāi)始纏繞時(shí)就能夠整齊有序，在制作滾筒時(shí)就要安裝纜槽。該纜槽可以直接制作滾筒時(shí)在其底徑表面上用數(shù)控機(jī)床來(lái)加工切割，也可以用另外材料分開(kāi)兩個(gè)半圓加工制作好后，焊接或者螺栓連接固定在滾筒上。以直徑16 mm的鋼纜為例，纜槽稍微寬些，為16 mm+0.5 mm。如圖7和圖8所示，纜槽展開(kāi)圖是對(duì)稱的，有平行段和過(guò)渡段，鋼纜可沿著纜槽順暢纏繞。

圖7 鋼纜排序正視示意圖

Parallel：平行段※過(guò)渡段，每一轉(zhuǎn)有兩個(gè)過(guò)渡段。

4.2.2 排纜器計(jì)算

不同的鋼纜截面直徑，其滾筒和排纜器的計(jì)算結(jié)果不同,當(dāng)然纜槽設(shè)計(jì)也不盡相同，但計(jì)算方法是相同的，現(xiàn)以16 mm的鋼纜為例說(shuō)明。

圖7、圖8表明排纜器軸絲杠螺距與LEBUS纜槽螺距之間的關(guān)系,絲杠螺距和纜槽螺距成比例關(guān)系，傳動(dòng)比的選擇沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，只是涉及到排纜器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度快慢問(wèn)題，比如上述傳動(dòng)比約是1 : 4，即絲杠旋轉(zhuǎn)一圈，那么滾筒需要旋轉(zhuǎn)約四圈，這需要計(jì)算滾筒傳動(dòng)齒輪和排纜器齒輪的減速比來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為實(shí)現(xiàn)整齊緊密排纜，在設(shè)計(jì)排纜器時(shí)必須滾筒每旋轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)向套筒通過(guò)撥叉在絲杠上移動(dòng)一個(gè)鋼絲繩直徑的距離。［5］

設(shè)絲杠的螺距為P,滾筒轉(zhuǎn)速為n1，絲杠轉(zhuǎn)速為n2，鋼絲繩直徑為d，滾筒每旋轉(zhuǎn)一周，絲杠旋轉(zhuǎn)n2/n1周，導(dǎo)向套移動(dòng)距離為P×(n2/n1),則d =P×(n2/n1)，P = d(n1/n2)。

圖9表明了鋼纜每一層與LEBUS纜槽的導(dǎo)向關(guān)系。換言之，絞車滾筒旋轉(zhuǎn)80轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了排纜器滑塊移動(dòng)的距離等于A到B的距離，即160轉(zhuǎn)就是一個(gè)來(lái)回。螺紋數(shù)量沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定，根據(jù)船舶實(shí)際允許安裝的尺寸需要來(lái)決定絞車和滾筒的尺寸，從而決定螺紋數(shù)量。

圖9 排纜器和滾筒傳動(dòng)示意圖

滾筒的內(nèi)寬 W′ = P′×(n+0.5)= 1 330 mm

排纜軸的有效寬度W = 64.5×20 = 1 290 mm

滾筒每一圈,排纜器軸滑塊移動(dòng)的距離P"=W/n =16.125 mm

綜上所述, W′＞W(wǎng)和P′＞P″為了讓在滾筒兩端需要淺而平滑的角度，從而使鋼纜盡可能線性走向。

纜槽的螺距一般是鋼纜的截面直徑加上適當(dāng)?shù)拈g隙。當(dāng)如果沒(méi)LEBUS纜槽時(shí)，鋼纜只能沿著滾筒的圓周以螺旋方式纏繞,如果第一層是左手方向，那么第二層是右手方向，跨過(guò)第一層上，以此類推，隨著層數(shù)的增多很容易產(chǎn)生紊亂。為使鋼纜更加線性走向，必須滿足以下幾點(diǎn)：

（1）鋼纜的的截面必須是圓的，而且形狀不變。

（2）鋼纜的外徑必須是均勻的，而且誤差不超過(guò)±0.3 mm。

（3）鋼纜相位角度和排纜器滑塊間沒(méi)有偏差，如果存在則需要調(diào)整。

（4）需安裝張力計(jì)和計(jì)數(shù)器，鋼纜的張力需沒(méi)有非常明顯的波動(dòng)，如果由于上一層鋼纜的輕負(fù)荷和船舶的搖晃就很容易出現(xiàn)跳槽現(xiàn)象，從而不能保證鋼纜從始到終進(jìn)行線性順暢地纏繞滾筒。

針對(duì)上述問(wèn)題和注意事項(xiàng)，采購(gòu)質(zhì)量更加可靠的進(jìn)口鋼纜，可保證鋼纜的圓度和圓柱度誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，為保證張力非常明顯的波動(dòng)落差，如果絞車再次改造，建議采購(gòu)一套波浪補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3 智能排纜和機(jī)械排纜對(duì)比

使用智能排纜和機(jī)械排纜兩種不同的排纜方式，各有利弊，針對(duì)本次改造過(guò)程和結(jié)果，總結(jié)出各自優(yōu)點(diǎn)參見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)絞車的智能排纜和機(jī)械排纜的優(yōu)缺點(diǎn)

續(xù)表1

5 結(jié) 語(yǔ)

“海洋四號(hào)”船的萬(wàn)米絞車改造是按照《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》［4］以及《船舶檢驗(yàn)規(guī)則》等送中國(guó)船級(jí)社進(jìn)行圖紙審核并認(rèn)可的。改造總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

基于海上惡劣的工作環(huán)境，設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須持保守態(tài)度，各種安全系數(shù)都需遠(yuǎn)高于在陸地，如材料厚度、軸承強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等。原動(dòng)力必須充分考慮海底下涌浪的沖擊以及調(diào)查設(shè)備出土?xí)r候的破土力等，使安全系數(shù)提高些。

此外，智能排纜還不成熟，尤其是軟件和傳感器質(zhì)量，需要花大力氣研究。而機(jī)械排纜是非常成熟的、簡(jiǎn)單可靠的，但必須要安裝LEEBUS纜槽，使排纜順暢些，考慮到是高張力鋼纜，排纜器設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度系數(shù)必須明顯提高。

總之，“海洋四號(hào)”船齡已有30多年，此次萬(wàn)米絞車改造雖然是國(guó)內(nèi)第一個(gè)敢于“吃螃蟹”的，是成功的，但仍有很多亟待改進(jìn)完善之處，需作進(jìn)一步研究探討。

國(guó)際上，船載絞車趨勢(shì)是電動(dòng)或液壓的帶牽引的恒張力智能絞車，排纜既順暢又安全高效，故障率非常低。在國(guó)家號(hào)召大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的形勢(shì)下，希望能產(chǎn)生由我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的設(shè)備。盡管國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)目前尚不夠成熟，仍需不斷摸索、砥礪前行，但也需要有人敢為天下先。我們相信在不久的將來(lái)，我國(guó)自主研發(fā)的設(shè)備定能日臻成熟并且走向國(guó)際市場(chǎng)！