船用制动器在海洋工程领域的应用研究

付万里，谢松莲，顾 炳

（中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031）

船用制动器在海洋工程领域的应用研究

付万里，谢松莲，顾 炳

（中国船舶重工集团第七〇四研究所，上海 200031）

船用制动器在海洋工程领域应用非常广泛。本文主要论述几种船用制动器在深水钻井平台、工程船上的功能作用、结构形式、工作特性和选型计算，并结合实际情况详细论述低速带式制动器、高速盘式制动器、水冷制动器、液压多片制动器、电机电磁制动器和液力制动器，帮助广大机械设计工程师深刻了解制动领域。

带式制动器；盘式制动器；液力制动器；海洋工程

0 引言

船用制动器广泛应用于各类船舶和海工设备中，是一些核心设备的重要零部件。海上石油平台锚泊定位系统中的锚机或绞车配置了几种制动器，比如滚筒或链轮的低速带式制动器、电机高速盘式制动器和液力制动器。近海三用工作船拖缆机中，低速带式制动器作为主要制动设备，在拖带和起抛锚作业中非常重要。浅水铺管船中，铺管作业主要依靠布置在船四周的8至12台移船定位锚绞机，在锚绞车中有滚筒低速制动器、棘轮制动器、高速盘式制动器和水冷制动器。同样作为铺管船上重要设备的托管架调整绞车中，带式制动器和液压多片制动器也有广泛应用。

1 常见的几种制动器的功能作用、结构形式和选型计算

带式制动器、盘式制动器、水冷制动器、液压多片制动器、电磁制动器和液力制动器等，虽然都具有制动能力，但在用途布置形式上有很大差别。下面具体论述几种制动器。

1.1 低速制动器

低速制动器主要用于执行机构上，在甲板机械中最常见的低速制动器是带式制动器。带式制动器常常承受支持负载，主要用于滚筒或锚链轮上，具有包角大、制动力矩大、结构紧凑的优点，但也存在制动轮轴承受弯曲应力，制动带压强分布不均，摩擦因数受环境影响较大的缺点[1]。

如图1所示，带式制动器一般由刹车片、刹车带、杠杆机构、拉杆和液压油缸组成。一般带式制动器采用液压油缸作为驱动机构，液压油缸有双作用缸和单作用缸。在三用工作船拖缆机中，经常采用双作用油缸，但为了保持长期制动时液压力，在液压系统中需要配置蓄能器。在平台和船舶的定位绞车或锚机中，一般采用单作用油缸，弹簧力提供制动器所需制动力，液压油提供制动器释放时克服弹簧力。为了保证平台长期系泊时的安全，深水定位锚机或绞车采用两副带式制动器，而拖缆机、托管架绞车、铺管船移船定位绞车只配置一副。

图1 带式制动器

带式制动器的制动能力与刹车片的许用比压和摩擦因数有关，摩擦因数和许用比压越大，制动能力越强。带式制动器的制动力矩与支持负载和作用层数有关，而支持负载与钢丝绳最小破断力有关，作用层数为第一层或中间层。

制动力矩T计算公式：

式中：T为制动力矩，Nmm；Ft为支持负载，N；p为支持负载所在作用层数节径，mm；MBL为缆索最小破断力，N；k支持负载系数，具体取值见表1。

表1 取值表

圆周力F计算公式：

式中：F为圆周力，N；D为制动轮直径，mm。绕入端张力F1计算公式[2]：

式中：F1为制动片绕入端张力，N；μ为制动片与制动轮之间静摩擦因数；α为制动片包角，一般选取250°～270°。

最大压强Pmax计算公式：

式中：Pmax为制动带在绕入端起始位置最大比压，Mpa；Pp为制动带许用比压，Mpa。

根据以上公式，我们可以计算出制动轮直径D和制动片宽度b，根据此两项参数可以初步选取合适的带式制动器，然后再校验选取的制动器制动力矩是否满足要求。

1.2 高速制动器

高速制动器主要用于原动机上，特种甲板机械上最常用的高速制动器时盘式制动器、电磁制动器、液压制动器。其中盘式制动器用于电机输出轴端，液压多片制动器主要用于液压马达输出轴端，电磁制动器用在电机轴尾部。高速制动器主要承受堵转负载，并在紧急制动时刹住电动机或液压马达的惯性。

1.2.1 盘式制动器

盘式制动器工作表面为制动盘的两侧面，其摩擦副由制动盘和制动块组成，沿制动盘轴向施加制动力，制动轴不受弯矩作用，径向尺寸小，制动性能稳定，适用于制动频繁，环境恶劣的场合。但盘式制动器也存在制动比压大、制动块材质要求高、价格贵的缺点。

如图2所示，盘式制动器一般由基架、制动衬垫、杠杆组件、电液推杆、调整机构组成。电液推杆通过电机启动停止控制杠杆动作，制动衬垫在制动臂上，杠杆使制动衬垫刹紧联轴器上的制动盘。盘式制动器一般放置在电机与减速机之间，有时单一布置，有时成对布置。盘式制动器的制动性能主要与制动衬垫的动摩擦因数μ和许用比压Pp有关。盘式制动器的制动力矩与缆绳破断力和作用层数有关。按照国家标准和船级社规范，高速制动器制动力为缆绳破断力的50%。

图2 盘式制动器

制动力矩T计算公式：

式中：T为制动力矩，Nmm；MBL为缆绳最小破断力，N；Dp为缆绳作用层直径，mm；i为原动机到工作机之间的总减速比。

制动时夹紧力F：

式中：F为制动时夹紧力，N；μ为制动衬垫动摩擦因数，一般取平均值0.4；d为制动盘计算摩擦直径，mm；n为制动钳数量。

由以上公式中的制动力矩T、制动盘计算直径、夹紧力，我们可以选择合适的盘式制动器。

1.2.2 电磁制动器

电磁制动器的转矩是通过干摩擦面的摩擦产生，其电磁线圈常由DC 24/ 110V直流电控制。电磁制动器具有制动迅速、结构简单、操作方便、重量轻的优点，适用于动作频繁、闭合迅速的场合。但由于只有一副摩擦面，所以制动力矩较小，主要用于原动机上。

如图3所示，电磁制动器由转子、定子、线圈、摩擦衬垫、弹簧组成。转子通过平键与电机轴相连，与电机轴一起旋转，定子与电机底座相连，正常状态下弹簧将摩擦盘与摩擦衬垫压紧制动，当控制信号给出后，线圈通电吸附摩擦衬垫，制动器松闸。制动力与弹簧数量和弹簧力有关。

图3 电磁制动器

制动力矩T计算公式：

式中：T为制动力矩，Nm；k为制动器安全系数，一般取1.5；P为电机额定功率，kW；n电机额定转速，rpm。

电磁制动器作为普通的连接装置使用时，只进行制动力矩计算即可。但具有大惯性矩J的机械，在启动和停止或连接频度较高情况下，还需计算摩擦热和滑动时间。

摩擦热E：

式中：E为摩擦热，J；TN负载转矩，Nm；J转换到电机轴上的转动惯量，kg*m2。滑动时间T：

由以上公式中的制动力矩T、摩擦热、滑动时间，我们可以选择合适的电磁制动器。

1.2.3 液压多片制动器

液压多片制动器制动原理与电磁制动器基本相同，制动弹簧压紧多组摩擦片，产生制动力，通过液压油缸产生的液压力抵消弹簧力，使制动器释放。液压制动器结构紧凑，摩擦片面积大，制动扭矩大，但散热条件较差，维修不方便。

如图4所示，电磁制动器由转子轴、定子、弹簧、摩擦盘、液压释放油缸组成。转子轴一端通过内花键与液压马达轴相连，另一端通过外花键或平键与减速机相连，定子与马达壳体相连。正常状态下弹簧将摩擦盘与摩擦衬垫压紧制动，当控制信号给出后，液压油进入释放油缸，推动活塞继续压紧弹簧，制动器松闸。制动力与弹簧数量和弹簧力有关。

图4 液压制动器

制动力矩T计算公式：

式中：T为制动力矩，Nmm；MBL缆绳最小破断力，N；Dp为缆绳作用层直径，mm；i原动机到工作机之间的总减速比。

制动时压紧力F：

式中：F为制动时压紧力，N；μ为制动衬垫动摩擦因数；Rv制动盘计算摩擦直径，mm，Rv=(R+r)/2；z为摩擦面数量；R为摩擦盘外径，mm；r为摩擦盘内径，mm。

摩擦片比压p：

最大比压发生在ρ = r处

初始开启压力：

式中：ph为初始开启压力，Mpa；f为释放油缸摩擦阻力，N，一般为制动压紧力的3%左右；R1为释放油缸外径，mm；R2为释放油缸内径，mm。

1.3 动态制动器

动态制动器，主要用于持续打滑工况。动态制动器有两种型式：一种为被动式的液力制动器，另一种为主动式水冷制动器。被动式液力力制动器常用于平台锚泊定位系统或钻井系统中，主要控制定位锚机抛锚或钻机下放钻具时的速度。主动式水冷阻尼制动器常用于船舶移动定位系统中，主要控制定位绞车滚筒的惯性和提供移动船舶时的恒张力。

1.3.1 液力制动器

液力制动器又称为水刹车，是一种以水为介质的能量转换装置。在制动器工作过程中，机械能转化为热能并随流体循环冷却。它可以看成是一种蜗轮固定的液力耦合器，基本原理与之相同。

如图5所示，液力制动器主要由转子（泵轮）、定子（涡轮）、转子轴及密封附件组成。定子和转子上都有叶片且均匀分布，叶片与旋转方向成一定角度。当转子旋转时，转子叶片之间的水受离心力的作用，向偏离中心的方向运动并进入定子一片中，同时接近中心的水流被抽空形成负压，于是定子中的水流重新流回，由此形成转子和定制叶片之间的涡流循环。由转子中的水流冲向定子形成的反作用力和定子中的水流重新冲向转子形成的阻力构成了水刹车的制动力矩[3]。

图5 液力制动器

制动力矩T计算公式：

式中：T为制动力矩，Nmm；F为工作负载，N；Dp为作用层直径，mm。

消耗功率P：

式中：P为液力制动器消耗功率，kW；V为负载速度，m/*min。

传动比i：

式中：i为负载与制动器之间的传动比；n为制动器额定转速，rpm。

冷却水流量Q：

式中：Q为冷却水流量，m3/h；ρ为冷却水密度，kg/m3；C为冷却水比热容，J/(k*kg)；ΔΤ为进出口温差，K，一般取44.5K；

根据消耗功率、传动比、冷却水流量等参数可以选用合适的水刹车用于辅助制动。

1.3.2 水冷制动器

水冷制动器通过气囊或者活塞对摩擦盘产生压紧力，调节气囊或活塞的压力大小可以使摩擦盘压紧力成比例增大或缩小，从而使负载扭矩限定在设定的范围之内。

如图6所示，水冷制动器主要由定子、制动盘、转子、气囊或活塞等组成。制动器采用气动控制，一般压力为0.7MPa，冷却由闭式或者开式冷却系统持续流动的冷却液完成。摩擦片采用铜板，有利于传热。

图6 水冷阻尼制动器

水冷制动器选型主要依据是动态扭矩和热容量，这两个参数都不需要考虑安全系数。制动器额定扭矩是施加额定压力时的扭矩，而制动器输出扭矩之前要克服活塞或气囊摩擦阻力和弹簧复位力，所以需要一定的开启压力Pp。不同制动器的开启压力见表2。

表2 水冷制动器的开启压力

式中：Te为实际制动力矩，Nm；Tr为额定制动力矩，Nm；Pp为开启压力，bar；Po额定压力，bar。

散热能力P：

实际制动扭矩Te：

式中：P为散热功率，kW；Tr为额定制动力矩，Nm；n为最高滑动转速，rpm。

冷却水流量Q：

式中：Q为冷却水流量，m3/h；ρ为冷却水密度，kg/m3；C冷却水比热容J/(k*kg)；t2为冷却出口温度，K；t1为冷却水进口温度，K。

根据公式计算的制动扭矩、散热能力、冷却水流量，可以选定合适的刹车。

2 海洋工程领域的应用

随着海洋油气及附属资源的开发，大型海洋工程设备越来越扮演着重要的角色。作为油气开发的核心设备，半潜式平台、起重铺管船、钻井船、三用工作船是我们现阶段重点研究的对象。船用制动器作为甲板机械特种绞车和锚机的重要部件广泛上述领域中。

在半潜式平台中，一般在甲板上配置辐射状8、10、12点深水定位锚机或者绞车。如图7所示，在深水定位绞车中，在电机输出端与齿轮箱输入端使用带制动盘的弹性联轴器并配置盘式制动器，盘式制动器承受1.5倍的额定负载。在卷筒制动轮上配置低速带式制动器并承受支持负载，支持负载为静态负载。在传动系统的齿轮箱上配置液力制动器（水刹车），用于控制抛锚速度，在选用液力制动器时，一般按照挪威船级社规范DNV-OS-E301中要求承受动态持续负载60MT，并且速度在1m/sec的情况下[4]。

图7 深水定位绞车

在起重铺管船中，船艏船尾的舱室中一般配置分布式8、10、12点移船定位绞车。如图8所示，在移船定位绞车中，在电机输出端配置盘式制动器，承受1.5倍的额定负载。在卷筒制动轮上配置带式制动器承受支持负载。在传动系统的齿轮箱上配置水冷制动器，用于提供铺管船移动过程中的恒张力，保证铺管船移位平稳。水冷制动器一般承受额定负载和速度，并可以通过调整气压，控制输出扭矩从而控制缆绳张力。为了减少水冷制动器尺寸和重量，通常安装与齿轮箱上，这样可以降低扭矩。

图8 移船定位绞车

在起重铺管船船尾，为调整托管架幅度，实现不同管径的S型铺管，在船尾分别配置两台或者四台托管架调整绞车。如图9所示，在液压马达输出端配置液压多片制动器，承受1.5倍的额定负载，一般马达与制动器采用花键或平键连接。在卷筒制动轮上配置带式制动器承受支持负载。

图9 托管架调整绞车

3 结束语

通过以上的论述，我们可以发现船用制动器在海洋工程领域的应用非常广泛，详细理解各种制动器的功能、原理、计算选型等指示，对我们的工程设计非常有帮助。

[1] 成大先. 机械设计手册（第五版）第二卷[M]. 北京:化学工业出版社, 2007.11.

[2] 王强. 起锚机带式制动器的设计计算[J].船舶工程, 2007, 29(6):78-79.

[3] 李文志. 大制动力可调水刹车的研制及应用[J]. 工业技术, 2013(3):106-107.

[4] DET NORSKE VERITAS AS.Offshore Standard DNV OS E301, Ch.2 Sec.4 Mooring Euipment, October 2013.

Research on Application of Marine Brake in Offshore Engineering

Fu Wan-Li, Xie Song-Lian, Gu Bing
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

The marine brake has very wide application in the offshore engineering field. The article mainly describes the function, effect, structure, working characteristic and design calculating of a few brakes used in deepwater drilling platforms and engineering vessels. It also introduces in detail the low speed band brake, high speed disc brake, water cooling brake, hydraulic multi-disc brake, motor electromagnetic brake and hydrodynamic brake, combining with actual conditions. The research is to help mechanical design engineers have a good knowledge of the brake field.

band brake; disc brake; hydrodynamic brake; offshore engineering

U664.6+9

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.009

付万里（1986-），男，助理工程师，研究方向：海洋工程特种甲班机械。