船用系泊絞車的結構設計

周志軒

(南京工程學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

船舶工業在國民經濟中占有重要的地位。船舶工業的發展與創新對推動漁業、海洋業等相關產業發展，保障國家安全等具有重要戰略意義。隨著船舶工業的發展，船舶工業相關配套的產業也得到了相應的發展。

但是目前船舶配套業的發展遠遠跟不上船舶業的發展。雖然船舶工業的發展聲勢浩大，但由于其配套設備的發展水平相對滯后，已經嚴重制約了船舶工業的健康發展，對船舶工業的產業結構構成了安全威脅[1]。絞車作為船舶配套設備的主要設備之一，是船舶泊船或泊船停靠岸邊能夠成功實現的關鍵設備。

隨著船舶工業的發展，船舶噸位正在不斷提高，系泊絞車的體積也趨于大型化，其所承受的載荷也在不斷增加。為了確保系泊絞車的穩定，一般將其體積設計的較大，造成了相當大的冗余，成本同樣也隨之提升。

同時，由于全球航運市場的相對低迷，導致船舶的設計與制造要求相比于以往變得越來越嚴苛，使得各大船舶公司對船舶工業的創新發展投入更多資本。為了降低成本，同時還能滿足其穩定性的要求，因此船用設備的輕量化設計也就顯得愈發必要[2]。本文重點介紹一種船用系泊絞車的結構設計。

1 絞車的工作原理及基本參數

系泊絞車的結構簡圖如圖1所示，主要由齒輪箱1、卷筒2、剎車裝置3、安全銷裝置4、底座5、墻架裝置6、電機7、聯軸器8和減速器9等組成。其中卷筒是系泊絞車中非常關鍵的部件，其結構強度影響絞車工作質量和安全。

絞車的工作原理如下：電機7通過聯軸器8驅動減速器9，減速器9的輸出軸輸出動力驅動齒輪箱1工作從而驅動卷筒2旋轉，實現起錨和收放纜繩[3]。

系泊絞車的主要技術參數如下：卷筒負載140 kN(第5層)，公稱速度14 m/min(第5層)，支持負載420 kN；鋼索直徑Φ28；卷筒容繩量650 m(6層)；電機型號：JZ2-H-71-4/8/16；減速機型號：ZSY280 620-35.5-Ⅲ JB/T8853-2001。

1—齒輪箱；2—卷筒；3—剎車裝置；4—安全銷裝置；5—墻架裝置；6—底座；7—電機；8—聯軸器；9—減速器

2 確定卷筒幾何尺寸及強度驗算

2.1 卷筒結構尺寸計算

卷筒工作級別為M4，直徑系數h=18，根據GB3811-83的規定來計算卷筒的最小直徑：

Dmin=h·d.

(1)

其中：d為鋼索直徑，mm。此處h=18，d=28 mm，將相關參數代入式(1)計算得出滾筒最小直徑Dmin=504 mm。

取卷筒直徑D=780 mm，卷筒開檔長度l=1 250 mm。實際容繩量為：

L=πn(D+nd)l/(d+δ1).

(2)

其中：n為卷繞層數；δ1為鋼索間隙。此處n=6，D=780 mm，d=28 mm，l=1 250 mm，δ1=3 mm。將相關參數代入式(2)計算得出的實際容繩量L=720 000 mm=720 m。實際容繩量720 m大于理論容繩量650 m，符合容繩量需求。

卷筒兩端的飛邊外徑為：

D外=D+2(n+1.5)d.

(3)

將相關參數代入式(3)計算得出卷筒飛邊外徑D外=1 250 mm。取D外=1 300 mm。

2.2 卷筒強度的校核

主要參數：支持負載Pmax=420 kN，纜索直徑d=28 mm，卷筒材料ZG310-570，σs=310 N/mm2，卷筒直徑D=780 mm，卷筒壁厚δ=40 mm，根據ERNST公式進行以下計算：

(1) 彎曲應力為：

(4)

將相關參數代入式(4)計算得出彎曲應力Pb=57 N/mm2=57 MPa。

(2) 壓縮應力為：

(5)

將相關參數代入式(5)計算得出壓縮應力Pd=187.5 N/mm2=187.5 MPa。

(3) 合成應力：

(6)

將相關參數代入式(6)計算得出合成應力P=196 MPa。

(4) 安全系數：

(7)

將相關參數代入式(7)計算得出安全系數n=1.58，許用安全系數[n]=1.2，n>[n]，卷筒設計合格[4]。

3 船用絞車的結構設計

3.1 齒輪箱的結構設計

齒輪箱的結構如圖2所示，主要由齒輪箱體1、軸承蓋2、小齒輪3、大齒輪6、軸瓦4，5，8、齒輪箱蓋7、油標9等組成，采用單級齒輪傳動。

1—齒輪箱體；2—軸承蓋；3—小齒輪；4，5，8—軸瓦；6—大齒輪；7—齒輪箱蓋；9—油標

減速箱為軟齒面圓柱齒輪減速箱，具有體積小、承載能力大等優點。大齒輪齒數Z1=76，模數m=16，小齒輪齒數Z2=17，模數m=6 mm，中心距a=744 mm，由于大、小齒輪結構尺寸相差比較大，采用斜角布置，以減小齒輪箱的結構尺寸。

3.2 主軸裝置

主軸裝置如圖3所示，由主軸1、卷筒2和壓繩板3組成[5]。

1—主軸；2—卷筒；3—壓繩板

主軸總長度為943 mm，鍵槽1長度為140 mm、寬度為28 mm、四周圓角半徑為2 mm；鍵槽2長度為110 mm、寬度為22 mm、四周圓角半徑為2 mm。

對卷筒裝置布置加強筋和腹板，以提高卷筒的剛度和強度。

3.3 墻架裝置

墻架裝置的結構如圖4所示，由墻架本體1、軸瓦2、軸承座蓋3和小襯套4等組成。

1—墻架本體；2—軸瓦；3—軸承座蓋；4—小襯套

3.4 剎車裝置

剎車裝置如圖5所示，由下剎車帶1、雙向螺桿2、螺母3、上剎車帶4、固定卡板5、緊邊拉板6、管接頭7、液壓油缸9、油缸支座10、襯套11、支座13、銷軸14和16、連臂15、松邊拉板17等組成。

1—下剎車帶；2—雙向螺桿；3—螺母；4—上剎車帶；5—固定卡板； 6—緊邊拉板；7—管接頭；8，18—開口銷及墊圈；9—液壓油缸；10—油缸支座；11—襯套；12—螺栓及彈墊；13—支座；14，16—銷軸；15—連臂；17—松邊拉板

絞車采用普通帶式剎車結構，上、下剎車帶1和4由鋼帶和銅絲石棉帶鉚接而成，在剎車帶兩端焊有接頭，其內有螺母3，用來調節剎車帶1(4)松緊；上剎車帶4與固定卡板5焊接，用來控制卷筒的轉動。

工作時，隨著液壓油缸9的拉動，使松邊拉板17向右移動，連臂15繞銷軸16逆時針旋轉，從而使上、下剎車帶1和4夾緊卷筒，同時在固定卡板5作用下固定卷筒；反之，液壓油缸9后退時，松開上、下剎車帶1和4，卷筒可以轉動[6]。

3.5 安全銷裝置

安全銷裝置如圖6所示，由撥叉1、銷軸2、安全銷3、插銷4等組成。

1—撥叉；2銷軸；3—安全銷；4—插銷

滾筒轉動收緊纜繩時，安全銷裝置中的安全銷在撥叉作用下插入卷筒，在電機和液壓油缸不工作的狀態下保持滾筒不旋轉(剎車制動)，防止纜繩松動。

4 結語

對140 kN的船用系泊絞車進行了總體結構設計。其中卷筒的結構尺寸大小對整機重量影響較大。

本文詳細分析了卷筒的結構尺寸和強度計算，為滿足船用設備的輕量化設計要求，在系泊絞車的驅動方式上采用了電機驅動，由減速器齒輪箱帶動卷筒，其具有尺寸小、結構緊湊等優點。