海洋科考儲纜絞車設計及分析

謝威，吳坤陽，劉全良

（浙江海洋大學 海洋裝備工程學院，浙江 舟山 316000）

0 引言

隨陸地資源的逐漸枯竭，人類對能源的需求量越來越大，海洋資源的開發利用逐漸成為了世界各國新技術革命的重要領域[1]。海洋科考船是進行海洋資源勘查研究的重要平臺和必要工具，是海洋科研能力建設的重要組成部分，被廣泛應用于海洋科學考查、應用技術研究及測量勘探等工作[2-3]。海洋絞車是海洋科考船上至關重要的設備，主要完成科考設備的下放和回收工作。基于國內對科考船絞車設備需求量高，但自動化程度低、技術生產不成熟、關鍵技術多是引進于國外的現狀，對海洋絞車的研發是至關重要且非常有意義的，同時利于國內海洋強國計劃的實現。

通過查閱中國石油天然氣行業標準[4]海洋絞車相關技術參數，分析海洋絞車的性能要求，確定絞車的總體設計方案；計算絞車儲纜卷筒的結構參數、電動機選型、三維建模；最后利用ANSYS Workbench對儲纜絞車進行模態分析，依據分析結果對卷筒的動態特性提出建議，以提高卷筒的動靜態剛度。

1 絞車總體結構設計

1.1 絞車設計影響因素

海洋絞車作業時所處的海洋環境相對惡劣，纜繩的有序收放、卷筒速度的調控是有一定難度的，故設計的海洋絞車需具備如下特征及功能：

1）減張力功能。海洋絞車作業環境復雜，科考母船在波浪等因素的影響下會發生升沉縱搖等運動，纜繩受到張力變化影響易發生破損崩斷，故設計過程中需考慮纜繩張力的控制，避免纜繩因張力突變而受損。

2）精準整齊排纜。海洋萬米絞車的纜繩長度較長可達萬米以上，故儲纜卷筒在多層纏繞的過程易錯纜、跳纜[5]，為保證精確整齊的排纜，增設的排纜裝置是必不可少的。

3）絞車作業的穩定性。為提高絞車收放負載作業的效率，設計過程中需考慮絞車卷筒運轉速度、輸出力矩的調控，以及排纜系統與儲纜卷筒運轉的同步性、及時性、精確性。

4）安全性、操作便利性。絞車需要在保證安全性的基礎上才能投入深海環境作業，設計過程中要充分考慮絞車的適用海況、機械結構強度。

1.2 絞車總體結構

海洋絞車的主要功能是實現對深海設備的回收和下放，其主要結構由儲纜絞車、牽引絞車、排纜系統、主動升沉補償系統及控制系統等部件組成，絞車系統構成框圖如圖1所示。

圖1 絞車總體構成

綜合上述海洋萬米絞車的設計特點及要求，絞車總體結構設計方案如圖2所示。海洋絞車系統正常作業時，纜繩末端連接深海科考設備，電動機組提供動力驅動儲纜絞車正反轉動以收放水下科考設備。回收設備時，纜繩經過牽引絞車，通過與繩槽間的摩擦力吸收纜繩部分張力后進入儲纜絞車排纜儲存。儲纜過程中，自動排纜裝置配合儲纜絞車進行定向的往復運動以實現緊密整齊的排纜效果，主動補償裝置可以有效實現因海浪等因素導致科考母船產生的升沉位移補償。整個過程中張力傳感器實時檢測纜繩張力的變化，將數據傳遞至控制箱后進行精確的調控，保證海洋絞車作業的安全性。

圖2 絞車總體結構設計方案

2 儲纜絞車參數設計

儲纜絞車是海洋絞車系統中至關重要的組成部分，用以存儲大量的纜繩并為牽引絞車提供預張力，根據海洋絞車的技術參數要求（如表1）確定儲纜絞車結構參數及電動機型號。

表1 絞車技術參數

2.1 儲纜絞車滾筒結構參數設計

儲纜絞車卷筒直徑以及開檔長度會直接影響其容繩量，同時也是絞車整體大小的關鍵[6]。

1）卷筒體直徑[7]計算公式為

式中：D為儲纜卷筒直徑，mm；d為纜繩直徑，mm。

所設計的儲纜卷筒體直徑要滿足大于纜繩最小彎曲直徑的條件，因纜繩的直徑d=17.27 mm,其最小曲率直徑720 mm，為保證纜繩在儲纜卷筒上的纏繞層數盡可能少，故設計卷筒體的直徑D=950 mm。

2）卷筒體開檔長度[7]計算公式為

式中：L為儲纜卷筒開檔長度，mm；q為卷筒每層纏繞圈數。

儲纜卷筒體每層纏繞圈數q=94，纜繩直徑d=17.27 mm，確定卷筒體的開檔長度為L=1680 mm。

2.2 電動機選型

鑒于交流變頻電動機無極調速的特點，可以大大減小儲纜絞車的變速系統，簡化絞車結構，故采用交流變頻電動機對儲纜絞車進行驅動。

依照設計參數指標，儲纜絞車的容繩量是10 000 m,絞車的最大拉力為20 kN,收放速度為2 m/s，儲纜絞車輸出總功率為

式中：F為絞車額定拉力，kN；V為纜繩平均速度，m/min。

最終確定對儲纜絞車選用輸入總功率P=230 kW,輸出轉矩TM=376.8 N·m的交流變頻電動機。

3 絞車卷筒模態分析

為了確保所設計的儲纜絞車卷筒體的剛性，利用ANSYS Workbench對絞車卷筒體進行有限元模態分析。

3.1 卷筒體三維建模

參照上節儲纜絞車的結構參數，利用三維繪圖軟件SoildWorks草繪繪制、拉伸切除等功能對儲纜絞車零部件進行三維建模，最終裝配成如圖3所示的儲纜絞車三維模型。

圖3 儲纜絞車三維模型

3.2 網格劃分

將繪制好的儲纜絞車模型導入ANSYS Workbench分析環境中，設置模型的材料、彈性模量E及泊松比μ。定義卷筒的材料為Q345，彈性模量E=2.06×106MPa，泊松比μ=0.3。采用四面體網格自行劃分，卷筒體網格劃分如圖4所示。

圖4 卷筒體模型網格劃分

經分析計算后最終獲得卷筒體模型的節點數為57 727，單元數為29 823。

3.3 模態分析

對絞車卷筒的4個底座進行固定約束Fix support，因為筒體只有旋轉自由度，故將卷筒體的切向約束設置為Free。在卷筒體筒體及支架部位施加負載Moment,求解卷筒體的筒體及支架的模態，最終獲得模型前6階固有頻率及振型狀況如表2所示。

表2 模型前6階固有頻率及振型

各階振型圖如圖5所示，分析可知儲纜絞車第一階的振型較低；第二階的振型是屬于整體性的，振型圖表明卷筒體自身的剛度較強，卷筒體的左右兩側出現了凸振；第三階的振型逐漸從整體轉為局部振型；儲纜絞車第四階至第六階振型都處于相對薄弱的狀態。通過分析可知儲纜絞車的固有頻率并不是很高。

通過對儲纜絞車振型圖的分析可知，儲纜卷筒體局部易發生振型，究其主要原因是卷筒體局部的剛度不夠，內部結構的剛度、結構筋及壁厚不勻稱。由卷筒第三階振型圖可知，卷筒體兩側的擋板壁厚尤其不均勻，故需要對卷筒體兩側擋板的壁厚進行加厚調整，從而增加卷筒體的剛度。

圖5 卷筒體各階振型

4 結論

本文通過分析海洋科考船絞車的需求和現狀，設計了一種適用于遠洋作業的雙絞車結構形式的萬米絞車。研究海洋絞車的功能要求和特點；設計絞車整體結構的布局；確定絞車儲纜卷筒結構參數；建立儲纜絞車三維模型；進行儲纜絞車固有振動模態分析，得出如下結論。

1）牽引與儲纜功能相互分離的雙絞車結構形式的海洋絞車可以有效緩解纜繩張力，增加絞車作業的穩定性和安全性。

2）儲纜絞車卷筒體自身剛度較強，但是整體固有頻率不高、局部剛性較差，內部結構的剛度及壁厚不勻稱。

3）絞車儲纜卷筒體的最大變形出現在卷筒體兩側的擋板處，后續優化可以通過增加壁厚以提高卷筒體剛性，增加絞車作業的穩定性和安全性。