船用微型絞車結構設計

張 影，李光輝

（1. 沈陽遼海裝備有限責任公司，沈陽 110000；2. 上海船舶設備研究所，上海 201100）

0 引言

隨著水聲工業的發展，越來越多的聲吶設備需要開展水下試驗，在試驗開始前需要絞車配合將其放入水中，待試驗完成后再回收到甲板上。質量輕的聲吶設備，可利用繩索等吊裝工具進行水下試驗，質量較大的聲吶設備在開展水下試驗時，都需要有絞車的輔助才能開展工作。目前，國內在船面甲板應用的絞車，面向對象都是質量為幾百千克的負載，絞車體積龐大，拆卸及運輸都十分不便[1]。因此，設計了一種專門服務于聲吶設備水下試驗的微型船用絞車，其具有質量小、體積小、安裝簡便、負載范圍大且可適應復雜海洋環境等特點，可跟隨聲吶設備安裝到各個試驗平臺上。鑒于微型船用絞車以上特點，近年來被廣泛應用于水上試驗站，可代替吊裝工具或升降臺輔助聲吶設備完成試驗，發揮著重要作用。

1 設計原理

船用微型絞車主要由電機、聯軸器、齒輪組、排纜機構、卷筒軸及底座構成。船用微型絞車的力矩傳遞關系較為簡單：力矩由電機經聯軸器傳遞給齒輪組，再由齒輪組傳遞給卷筒軸[2]。

齒輪組中一組齒輪隨著電機旋轉帶動卷筒軸旋轉，實現負載的提升與下放；另一組齒輪旋轉，帶動往復絲杠旋轉，使固定于其上的絲杠螺母在行程內做往返運動，實現纜繩的自動排纜[3]。船用微型絞車的系統原理見圖1。

圖1 船用微型絞車系統原理圖

2 整體結構設計

根據船用微型絞車需要實現的功能，利用三維軟件設計了整體結構。設計中涉及到材料的選擇、整體的防腐密封設計以及繩索直徑、電機功率等參數的選擇問題，具體設計過程見以下敘述。

2.1 結構設計

船用微型絞車的結構由齒輪組、密封端蓋、電機密封艙、電機插座、卷筒軸、固定架、排纜機構、發射電機以及連接軸組成[4]，見圖2。

圖2 微型絞車結構示意圖

微型絞車繩索回收時，如果任其自由纏繞容易在卷筒軸中心處堆積，造成負載的扭矩半徑增大，額外增加電機負載甚至引起超載的現象出現；而且會出現跳繩、壓繩以及亂繩的現象，這樣的纏繞方式會導致繩索跳動，在一瞬間繩索的張力增大，容易引起繩索的斷裂。因此需要電機負載保持一個穩定的工況，有必要加入自動排纜機構。其原理是通過齒輪減速器將電機與往復絲杠連接起來，電機轉動通過齒輪帶動往復絲杠旋轉，絲杠螺母在光杠的約束下與行程內做往復運動，這樣就實現了繩索的自動排纜。

排纜機構的示意圖見圖3。

圖3 排纜機構結構示意圖

2.2 防腐密封設計

由于船用微型絞車在使用過程中，會接觸到湖水或者海水，甚至還有鹽霧等，因此船用微型絞車在設計時，必須考慮整體的防腐與密封設計。

耐海水腐蝕的常規金屬材料有不銹鋼、鈦合金等，二者的機械強度較高，應用規模廣泛，鈦合金的價格高于不銹鋼；非金屬材料有尼龍、聚四氟乙烯以及碳纖維等，碳纖維對于異形零件需要特制模具且造價高，尼龍與聚四氟乙烯較為常見，價格較為適宜。

在本船用微型絞車設計里，例如電機的艙體、卷筒軸、排纜機構、卷筒軸、聯軸器以及固定底座等皆選用不銹鋼；齒輪組若是選用金屬材料，需要額外設計密封艙以保證潤滑，否則齒輪組暴露在海水中，涂抹潤滑油無法起作用，因此齒輪組材料選用尼龍，且帶有自潤滑效果，可在齒輪傳動過程中保證平穩的運行。

為保證電機正產工作，電機部位需要進行密封設計。在本設計中，共有4處密封，其中3處靜密封以及1處動密封。動密封位于聯軸器與密封前蓋交接處，選用帶有保持架的動密封膠圈；靜密封位于電機密封艙與密封前蓋、密封后蓋及電機插座處，選用常規O型密封圈。為保證密封的可靠性，每處的動密封與靜密封皆為2道密封膠圈[5]。

3 微型絞車具體參數設計

聲吶設備的形狀大小不一，但質量都在60 kg之內。假設船用微型絞車的設計輸入為負載質量70 kg，深入水下10 m，下降及回收速度約為0.05 m/s，下面展開具體設計。

3.1 承重繩索的計算及選型

考慮到海水腐蝕問題，承重繩索材質選用不銹鋼絲繩，下面開始計算繩索的直徑。

假設不銹鋼絲繩直徑為d，根據《機械設計手冊》手冊[4]，

式中：C為選擇系數，mm/N2，根據機構工作級別，選擇0.093；S為承重繩最大工作靜拉，N，按照水中阻力以及洋流影響，選取重力3倍。

設計工況負載總重70 kg，帶入式（1）中計算得出d≥4.22 mm。

初步選取主承重繩直徑為5 mm，型號為6×7+IWS。參數見表1。

表1 鋼絲繩參數表

3.2 電機減速機計算及選型

根據設計輸入，絞車負載70 kg，運行速度為0.05 m/s。卷筒軸直徑實際d'=36 mm，有效長度l=150 mm，第一層鋼絲繩鋪滿總長度L計算：

由以上計算可知，L=3 626 mm。在卷筒軸上從左至右鋪滿一層鋼絲繩索長度約為3.6 m，在本設計中，鋼絲繩索總長度10 m，總纏繞2.8層。考慮安全因素，鋼絲繩索在卷筒軸預留3～5圈繩索作為安全繩索，因此10 m鋼絲繩在卷筒軸上共計纏繞3層。此時力矩半徑最大，所需電機的驅動扭矩也為最大，根據此時的力矩數值確定電機的功率大小。卷筒軸受力簡圖見圖4。

此時，驅動卷筒軸轉動所需扭矩：

式中：T為扭矩，kN·m，取值21.3 kN·m；F為承受拉力大小，N，取值700 N；r為旋轉半徑，mm，取值30 mm。

試驗設備上升速度v=0.05 m/s，繩索軸直徑d'=36 mm，則繩索軸轉速n：

式中：n為繩索軸轉速，計算得出n=37.2 r/min；v為設備上升速度，0.05 m/s；d'為繩索軸直徑，mm，取值36 mm。

電機功率P：

式中：T為驅動扭矩，N·m；N為電機輸出端轉速，r/min；η總為傳動總效率，η總=η1η2η3η4=0.788；η1為齒輪聯軸器效率，0.99；η2為圓柱齒輪傳動，自潤滑0.92；η3為絞車卷筒，取值0.94；η4為電機效率，取值0.92；P為電機功率，P=113 W。

選擇安全系數K=2，則需要功率P=226 W，扭矩T=42.6 N·m。

根據以上計算結果，最終選擇電機參數見表2。選取減速機減速比i=103，則經由減速機后，扭矩T=44.29 N·m。減速機的參數見表3。

表2 絞車電機參數

表3 減速機參數

在減速機尾部配備電子制動器，當通電時內部磁片打開，斷電時磁片吸合抱閘，防止設備脫落，見表4。

表4 電子制動器參數

3.3 齒輪參數計算

在船用微型絞車整體結構設計中，齒輪組是不可或缺的一環。由于整體的空間尺寸有限，選取的尼龍輪齒數少，中心距離較短。由于排纜機構承力較小，相比而言傳遞卷筒軸力矩的齒輪組承受力矩更大，因此只對該齒輪組進行強度校核計算。初步選取尼龍輪齒數為z1=z2=30，模數m=2.5，齒寬B=30 mm，強度校核計算過程如下[4]。

由于微型絞車最長工作時間小于4 min，2次連續工作間隔大于30 min，齒輪轉速低，海水中散熱條件良好等因素，作為開始齒輪傳動，根據設計準則，以保證彎曲疲勞強度為準則，因此在本齒輪組的設計校核中，不做接觸疲勞強度校核，僅做彎曲疲勞強度校核。根據式（6）和式（7）：

式（6）和式（7）中：T為扭矩，T=21.3 N·m；d為齒輪分度圓直徑；Ft為端面切向力；bF為齒寬，30 mm；mn為法向模數，取值2.5；YF為齒形系數，2.15；YS為應力修正系數，取值1.74；Yβ為螺旋角系數，取值0.32；KA為使用系數，取值1.25；KV為動載技術，取值1.1；KFβ為齒間載荷系數，取值1.2；KFα為齒向載荷系數，取值1.37。

計算可得σF=20.49 MPa，經查閱材料手冊可知，尼龍PA1010的許用應力[Fσ]=50 MPa，計算可得數值遠小于材料的許用應力，因此該齒輪的選用符合實際工程要求。排纜機構的齒輪組齒數Z3=Z4=20，模數m=2.5。

3.4 往復絲杠參數選取

往復絲杠就是立體凸輪副的一種形式，其表現是兩條螺距相同、旋向相反的螺紋槽，兩端用過渡曲線連接，滑塊內部的滑靴在通過過渡曲線時可以反向運動，帶動滑塊實現換向。因此往復絲杠就是在不改變絲杠轉向的前提下，利用螺旋槽的側面推動螺旋槽內的滑塊做軸向往復運動。

在本微型絞車設計中，選用往復絲杠作為排纜裝置，由于負載質量較輕，僅是側向帶動負載前進，側向力就大大減少。因此在本設計中，側向力忽略不計。考慮耐海水腐蝕，選取往復絲杠材質為不銹鋼材料，其螺距與鋼絲繩索的直徑相等，兩端距離與卷筒軸排纜有效距離相等，具體參數見表5。

表5 往復絲杠參數

4 強度分析

在本設計中，鋼絲繩索纏繞3層，卷筒軸受力較大，其強度需進行校核。多層纏繞卷筒軸受到纜繩的擠壓應力用下面方法計算[6-7]。

式中：p為鋼索纏繞時，卷筒軸表面所承受的壓力，MPa；A為鋼索纏繞經驗系數，纏繞3層時取A=1.8；F為鋼索的極限拉力，F=700 N；D為卷筒軸的直徑，D=36 mm；S為鋼絲繩間距，S=5 mm。

多層纏繞后卷筒軸受到的擠壓應力：P=14 MPa。卷筒軸側板軸向推力按《建筑卷揚機設計》中的方法計算[8]。

式中：F為鋼索的極限拉力，F=700 N；n為纏繞層數，n=3。

因此，多層纏繞鼓輪側板軸向推力為：Ns=780 N。

此載荷作用在卷筒軸兩側側板上，側板內徑36 mm，側板外徑60 mm，均布壓力p=0.43 MPa。

利用ANSYS Workbench軟件，對卷筒軸進行強度校核。模型導入軟件中，設置材料為不銹鋼，卷筒軸中心位置固定，同時將上述計算結果施加到模型上[9-10]：內側面施加應力14 MPa，對側板施加應力0.43 MPa，仿真結果見圖5。

圖5 卷筒軸應力分析

根據分析可知，卷筒軸所受應力最大為10.6 MPa，遠小于不銹鋼材料本身許用應力225 MPa，因此，卷筒軸機械強度符合設計要求。

5 實際驗證與優化設計

船用微型絞車設計完成后，尚未進行實際驗證。后續某型聲吶設備在進行水下試驗時，借助船用微型機絞車進行了水下試驗。聲吶設備總重約50 kg，不超過船用微型絞車的負載。在經過試驗后，發現幾處地方需要進行改進：

1）鋼絲繩較硬，使用次數增多后，有些位置會有毛刺漏出，為避免在水聲設備上產生劃痕，將其更換成承載能力更強的凱夫拉繩索，對實際應用更為有利。

2）微型絞車的承載能力需要增大，考慮到遇到水流變化一些負載突變的情況，經過校核計算將卷筒軸齒輪組的齒數調整為26齒和42齒。增大了整體的傳動比，同時也降低了設備下放與回收的速度，在試驗過程中，絞車僅作為輔助設備，下放與回收速度不做考核內容。

3）整體設備使用過程中，假如有纜繩纏繞的情況發生，繩索容易脫出卷筒軸，卷入齒輪中，為整個設備的安全考慮，在卷筒軸上方添加兩個橫桿，防止纜繩脫出。

船用微型絞車在使用過程中的情況見圖6。

圖6 船用微型絞車使用安裝

6 結論

船用微型絞車裝配后總質量為4 kg，外形尺寸為282 mm×185 mm×135 mm（長×寬×高），固定方式為6個M8螺釘固定。經過幾次優化設計，已多次輔助聲吶設備進行水下試驗：運行良好，無故障發生。目前，該技術已在聲吶領域得到了廣泛應用。