深水定位锚机用锚链轮结构及齿形等研究

顾 炳，俞志刚，付万里，刘 贺

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

深水定位锚机用锚链轮结构及齿形等研究

顾 炳，俞志刚，付万里，刘 贺

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

锚链轮作为深水定位锚机关键零部件，与普通船用航行锚机相比，必须具备承受更大负载和耐磨等特点。通过对锚链轮（锚链直径Φ84）进行齿形优化、受力分析以及加工材料选型，设计出满足定位锚机使用的锚链轮，具有承受负载大、起锚速度快、降低磨损，使用寿命长等特点。

深水定位锚机；锚链轮

0 引言

定位锚机作为钻井平台等海洋工程船舶定位必不可少的设备，其中锚链轮是锚机中的关键零部件，锚链轮本体结构、齿形质量及材料选用的好坏，直接影响锚机的工作性能，甚至影响整个平台作业的安全性。所以必须满足锚链与锚链轮正常啮合，保证锚机工作平稳，同时链轮磨损要低，满足强度要求。

通过对国内外平台调研以及有关资料和标准的查阅，锚链轮一般都采用五齿结构，相对六齿型结构，前者链径节圆直径小，在同样的负载下扭矩小，有利于优化锚机结构，降低锚机重量。目前，国内使用的五齿锚链轮是按照国家 CB/T3179-1996标准设计的，但该标准规定的锚链轮仅适用于船用航行起锚机，若用于平台深水定位锚机，存在以下问题：1）深水定位锚机工作负载大，在此大负载下锚链轮强度不够，容易发生崩齿或齿形挤压变形；2）在同等工作负载下深水定位锚机起锚速度快，锚链轮与锚链啮合时滑移加大，可能会产生滑链，同时加剧锚链轮的磨损；3）按中国 CB/T3179标准，锚链轮采用 ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570材料，正火处理后表面硬度在HB150～220之间，而R5系泊链表面硬度超过HB345，两者硬度相差太大，锚链轮较短时间内使用后就被磨损至报废，因此需要适当提高锚链轮链窝与锚链啮合处的硬度，既不损坏锚链，又能保证锚机能长时间有效工作。

因此，按中国CB/T3179标准设计的锚链轮是无法上用在平台深水定位锚机上，必须进行优化改进设计。

1 锚链轮齿形结构设计

锚链轮首先必须能与锚链正常啮合，其基本要求是链轮节圆为锚链轮中心线形成的正五边形外接圆，这样理论上保证了起抛锚时不会发生歪链等现象。显然，对于五齿链轮，图1中α=72°，直径为D的圆即为正五边形外接圆，该圆直径：

O1O2为锚链啮合时的正五边形的边长，为此适当增大五齿锚链轮本体上齿侧面的圆弧半径R2，保证五齿锚链轮本体上的正五边形的相邻二个顶点O1、O2和锚链链环中心 O3三点在一直线上，而非折线（一般O3点圆与R1或R2圆弧干涉，O1、O2和O3三点就会形成折线，表明锚链可能发生歪链）。锚链轮本体以及与锚链啮合如图1所示。

图1 锚链轮与锚链啮合示意图

同时需要增加了锚链轮链窝处齿形厚度H，以增加齿形部分的强度。在起锚过程中，主要靠链窝拽住锚链链环，实现锚链的收放，因此此处承受很大的挤压应力；增大该齿形厚度，使锚链轮满足更大的工作负载要求，保证锚链轮齿形不被折断。

R1和R2对应的圆弧在连接处相内切，改变R2势必R1也要跟着变化，若R1变化，与R1对应圆弧相外切的分度圆（直径D2）也会变化，为了保证锚链轮与锚链能正常啮合，锚链轮的节圆直径不能发生变化，因此尺寸R1、R2及之间的相对位置关系，以及D2之间要统一考虑。如果仅适当增大R2，反而会降低齿窝厚度H，所以要对R2圆弧的圆心位置进行调整，使其向外侧移动，这样不仅能保证 O1、O2和 O3三点共线，还可以使得R2与R1对应圆弧的相切点向内侧偏移，更有利减少锚链在链窝受力时产生的滑移距离，。

CB/T3179标准中，Φ84锚链对应的锚链轮链窝处齿形厚度H仅为 67mm，而新设计的锚链轮为H=90mm；同时为了进一步有效避免抛锚时发生跳链的情况，适当增大R1，相关尺寸见表1。

表1 设计锚链轮相关尺寸

在起抛锚过程中，锚链与链轮啮合时在链窝处会产生一个与链窝相切的分力[2]，若这个分力方向向外，容易使锚链滑出链窝产生跳链现象，因此在设计锚链轮时保证使这个分力小于锚链与链轮之间的摩擦力或者方向向内，主要要把R2圆弧与O1圆相切点切线方向尽量与链轮中心线平行甚至向内倾斜靠近链轮中心O。

2 链轮结构强度设计

CB/T3179标准在使用范围中注明适用于船用起锚机和和起锚绞盘，并非适用于平台锚机；在技术要求中也注明锚链轮采用的是GB549和GB550中船用锚链的有档锚链，而不是采用GB/T20848海洋系泊链；同时，我国船舶行业标准《CB/T3663-2013 移动式海洋平台锚泊定位装置》在《CB/T3663-1994海上移动式平台用锚泊定位装置》基础上进行了修订，在锚链轮要求中取消了“锚链轮的几何参数和画法应符合 CB3179的要求”该要求，只对锚链轮的齿数提出了要求[3]，说明普通航行锚机使用的锚链轮不能用于平台锚机，R5级海洋系泊链与AM2或AM3级船用锚链，两种锚链性能相差甚远，在相同锚链直径（Φ84）下，两种锚链外形参数虽然一样，但对应两种锚机的工作负载相差8倍多（Φ84的 AM3级船用锚链，锚机额定负载为335kN；而采用R5系泊链，额定负载为2694kN，前者仅为后者的1/8），因此要求锚链轮具有很高的强度和较好的适应性；即使在船用锚机额定负载下，平台锚机起锚速度也是航行锚机的 7倍甚至更大，这样的起锚速度下要保证锚链不会出现滑链，否则对锚链轮的磨损很大（船用航行锚机在额定负载下额定起锚速度9m/min；定位锚机在该负载下收锚速度大大超过9m/min，甚至超过50m/min）。

为了增加锚链轮整体强度，提高锚链轮整体刚性，锚链轮本体采用合金铸钢，为ZG20Mn铸钢铸造而成，铸造后正火处理，机械性能与ZG310-570相当，而且焊接性能好，朔性和韧性也比较好，这样链轮本体部分强度满足要求，没有必要为了提高链窝强度而选用强度高出很多的材料来制造整个链轮，因此只需要提高链窝处强度即可。一般认为增加链窝处齿厚以降低锚链轮所受挤压应力从而提高锚链轮强度，但由于锚链轮是铸钢件，铸造工艺决定了链窝厚度不能过厚；厚度偏后反而会产生一些不利因素，尤其在链窝以及其它较厚处容易产生大量的缩孔并引起材质疏松，反而降低锚链轮强度，最初链窝设计齿厚为100mm，结果经试验验证，强度仅与厚度60mm相当，说明一味增加厚度反而不能起到提供强度的作用，而且会增加锚链轮的重量，所以要优化链窝齿形内部结构，因此在链窝内侧增加工艺孔，一是便于链轮浇铸满足铸造工艺，避免锚链轮浇铸过程中产生缩孔等不利因素，二是利用该孔起到了锚链轮与齿轮、制动轮之间的连接作用；所以经过研究和试制，链轮链窝厚度设计为90mm，最终也经试验得到了验证，满足使用要求。链窝处结构如图2所示。

图2 链窝结构

3 链窝啮合处耐磨考虑

在与锚链啮合的链窝处焊有一块硬度较高的衬垫，衬垫采用选用20CrMnMoB或Q960D，不仅仅是因为考虑材料硬度要高、耐磨性要好等特性，还要考虑材料的下料切割时的工艺性和可实施性，还要与之相啮合的锚链材料硬度相匹配，并且与锚链轮本体材料焊接性等一系列问题。首先材料的焊接性要好，能与锚链轮本体易焊，因此只能选择含碳量较低的钢板；其次，由于系泊链硬度较高，R5系泊链表面硬度一般都大于 HB345（实测都是 HB360左右），因此衬垫不能选用一般的低碳钢板，材料要具备较高的硬度，至少HB280以上，否则锚链轮需要经常更换或修理；再次，根据锚机系泊设备配置的特性，锚链轮在啮合处的硬度必须要低于锚链硬度（一般为 20HB～50HB），否则会锚链磨损很快，需要经常更换锚链，代价和成本高，最初选用耐磨钢（NM360，硬度比R5锚链还高）明显不合理。所以综合以上诸多因素，最终选用这两种材料的衬垫经处理后表面硬度可以达到 HB320左右。这样链轮不会很快被磨损，即使长期使用后被磨损后，也可以重新焊接。由于该材料主要是起到耐磨的作用，因此厚度不宜太厚，一般为10mm。

由于锚链轮与锚链的啮合是带滑移的，为了防止衬垫受力后掉落，因此衬垫与锚链轮本体实施焊接方式，也非采用一般的周边焊，而是采用塞焊+周边焊的方式，塞焊更能保证衬垫与锚链轮本体焊接后牢牢贴服在一起；当与锚链啮合时，衬垫是承受挤压和滑移的，所以在衬套上加工有3个Φ3mm的排气孔，这样便于排气，否则气体受挤压容易引起焊缝爆裂导致衬垫的剥落。同时，为了不改变链窝处的齿形，锚链轮在焊接衬垫处特加工有凹槽，形状与衬垫一致，待衬垫焊接修配后，齿面与原先成设计形状一致，这样既能达到提高啮合处硬度的目的，又达到不改变齿形的效果。链窝处衬垫结构图如图3所示。

图3 链窝处衬垫结构

齿形优化设计后的锚链轮三维建模图和实物加工如图4所示，链轮啮合处衬垫与链轮本体完成焊接并已打磨光滑。

4 结语

本文对深水定位锚机用的五齿链轮齿形进行分析和研究，并对齿轮材料进行选型，得到以下结论：

1）链轮本体上的节圆为锚链轮中心线形成的正五边形外接圆，为增加齿窝厚度，从而改变五齿锚链轮本体上齿侧面的圆弧半径R2和位置关系，使五齿锚链轮与锚链啮合时，锚链形成的正五边形的相邻二个顶点 O1，O2与锚链链环中心 O3在一直线上，保证锚链轮在起抛锚时与锚链正常啮合；

2）锚链轮本体链窝处齿形厚度H=90mm，同时增加工艺孔，以增加齿形部分的强度，并能满足定位锚机负载大的要求；

3）锚链啮合处增加有耐磨材料，能降低锚链轮磨损量，有效延长锚链轮使用寿命，最终进行了试验验证。

图4 锚链轮建模与实物图

[1] 常仲明, 周玉华, 等. CB/T 3179-1996, 锚链轮. 中华人民共和国船舶行业标准, 1996.

[2] 张庆普, 张海燕. 锚链轮齿形改进的实践与研究.江苏造船, 1999(5): 10-12.

[3] 顾炳, 张海燕等. CB/T 3663-2013,移动式海洋平台锚泊定位装置. 中华人民共和国船舶行业标准,2013.

Research on Structure and Tooth Form of Sprocket Wheel Using on Deepwater Positioning Windlass

GU Bing, YU Zhi-gang, FU Wan-li, LIU He
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Compared with the anchor windlass used on general vessels, the sprocket wheel, as the key component of deepwater positioning windlass, must have characteristic such as supporting higher load and wear resistance. The satisfying sprocket wheel (diameter: Φ84) has been designed by optimizing tooth profile, analyzing force and choosing the machining materials. The sprocket wheel has many advantages such as high load capacity, fast speed in hauling in or paying out, low wearing and long using life.

deepwater positioning windlass; sprocket wheel

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.003

顾炳（1980-），男，工程师，硕士，主要从事甲板机械及海洋工程特种绞车设计。