浮式起重船电动拖拉绞车恒张力试验方案研究

王东升，王　伟，鹿栋梁，陈建文海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

浮式起重船电动拖拉绞车恒张力试验方案研究

王东升，王伟，鹿栋梁，陈建文
海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

电动拖拉绞车恒张力控制具有保护绞车和钢丝绳，防止过载等优点。以国内某浮式起重船船尾处的4台电动拖拉绞车为研究对象，测试恒张力控制效果。考虑到绞车空间布局、钢丝绳的路径和外界制约因素，试验采用自有绞车两两配合的方式。整个试验分解为设计准备阶段、预加恒张力阶段、恒张力实施阶段、恒张力释放阶段等四个过程，结合现场数据，详细解析每个试验步骤的操作方式和风险点，给出了改进措施，最终试验顺利完成，验证了试验方案的可行性，可为今后类似项目提供借鉴。

电动拖拉绞车；恒张力试验；钢丝绳；试验方案

随着电力电子技术的发展，自动化要求日益高涨，恒张力控制已经成为海洋工程船舶中各类绞车的必备性能［1］。它时刻跟随外部环境的变化，不仅可以保护绞车和钢丝绳，防止过载，而且还能维持货物稳定，因此保持恒张力对海洋绞车具有重要意义［2］。

虽然在设计阶段进行了各种理论分析和仿真模拟工作，但是从安全角度考虑，在施工阶段进行实际的恒张力试验测试工作非常必要。本文介绍了以国内某浮式起重船船尾处的4台电动拖拉绞车为例进行的恒张力试验研究情况。

1　方案设计

1.1系统组成

该船尾处配置了4台起吊能力40 t的电动拖拉绞车，分别位于吊机的两侧，左右舷各2台，可在驾驶台远程操作或现场操作台就地控制。每台绞车额定力矩为1 401 N·m，变频驱动。变频系统采用公共直流母线［3］，外置制动电阻。绞车配备电磁刹车，由变频系统协同控制，具有自我对正和磨损补偿功能，可手动释放；设置旋转编码器，实时监测电机转速；设置有松绳保护和限位保护。变频系统设置有过流、短路、缺相和变频器过热等内部保护。在驾驶室和现场操作台均设置有急停按钮，发生危险时可紧急停车。

1.2工作模式

拖拉绞车有速度和恒张力两种工作模式［4］，一般情况下默认为速度模式。通过空间矢量变频控制原理可实现速度和恒张力控制，通过四象限运行控制可实现电机的正转和反转。速度模式和恒张力模式通过转换开关切换，切换过程中保持钢丝绳的张力不变，卷筒稳定不动。对于速度模式，通过操作控制手柄，给定电机转速，控制电机正转和反转，实现缓慢收绳和放绳；对于恒张力模式，通过缓慢旋转力矩电位计，给定的卷筒力矩跟随外部力矩的变化，实现缓慢收绳和放绳，以保持张力基本不变。

在制动工况时，电机处于倒发电状态，所产生的电能回馈到直流母线上，通过公共制动电阻消耗掉多余电能。

2　设计思路

2.1试验条件

4台40 t绞车编号分别为A、B、C、D，其中A、B位于绞车房左侧，C、D位于绞车房右侧。综合现场位置和试验工期，有以下制约条件：

（1）绞车位置分散，钢丝绳出绳路径分布于吊机两侧，空间距离长；即使调整吊机扒杆位置，试验路径也很难确定，属于非常规路径。

（2）甲板设备排布紧凑，没有多余空间用于增加额外的辅助试验设备。

（3）外租恒张力绞车费用高昂。

2.2设计方案

力矩控制的原理是当钢丝绳受力大于设定值时，卷筒自动向外放绳；当钢丝绳受力小于设定值时，卷筒自动向里收绳，从而达到稳定货物，实现自动控制的目的［5］。根据现有条件，提出如下设计方案：

（1）利用现有绞车，通过绞车两两配合的方式，完成绞车恒张力试验，解决非常规路径设计难点及外租恒张力设备的问题。恒张力试验时，一台绞车为恒张力模式，是被测试对象；另一台绞车为速度模式，是辅助对象。40 t绞车控制模式配置见表1。

表140　t绞车恒张力模式和速度模式配置

（2）借助专业的力学计算和结构分析，选取船体甲板上合适位置设计板眼作为试验固定点，通过卸扣和吊带连接2台绞车的索节形成环路，彼此相连，互相协作，从而完成恒张力试验。板眼的受力分析和焊接形式是试验成败的关键之一。该板眼的受力分析根据APIRP 2A标准执行；根据试验吊点所承受的最大荷载为1 254.4 kN（考虑2.0倍动载荷系数），板眼与甲板平面内夹角为22.9°，因此板眼的设计尺寸为：眼点直径为88 mm；销轴直径为85 mm；板眼主板和筋板及加强环材质为：GB 712-2000《船体用结构钢》所列的D36，屈服强度σs=355 MPa。

由于绞车位置的局限性，不同的绞车组合需要通过调整吊机扒杆的角度来选取最佳钢丝绳受力路径。经过计算得出右舷绞车扒杆方位为19.2°，左舷绞车扒杆方位为135.7°。试验开展之前，要将吊机扒杆旋转到相应方位。

2.3试验流程（见图1）

整个试验过程分为：试验准备阶段、预加张力阶段、恒张力实施阶段、恒张力释放阶段和试验总结。

图1　试验流程

2.4试验准备

（1）需要完善工作安全分析（JSA），在试验环路上连接测力仪进行实时受力监测，做好风险管控。

（2）在试验环路上连接拉力计实时监测钢丝绳受力，避免超出安全许可范围。

（3）保证所用的工机具都是经过标定且在检定有效期内，试验用工机具见表2。

（4）检查钢丝绳的穿绳情况和润滑程度，滑轮和索节的安全系数，确保各设施符合试验要求。

3　恒张力试验

恒张力试验分为预加张力阶段、恒张力实施阶段和恒张力释放阶段，以40 t绞车A和B为例进行恒张力试验分析，B为恒张力模式，是被测试对象；A为速度模式，是辅助对象。

3.1预加恒张力阶段

具体操作细节如表3所示。首先限制预加恒张力矩为绞车B电机额定张力的10%，力矩旋钮缓慢由0转到100%，此时绞车A静止不动，预加恒张力阶段拉力计显示的最大吨位为22 t（1 t对应于9.8 kN），目的是使钢丝绳带上一定应力，避免钢丝绳由于受力出现挤压破损现象。

表2　　恒张力试验用工机具

表3　　预加恒张力阶段操作明细

3.2恒张力实施阶段

具体操作细节如表4所示。首先取消力矩限制，恢复电机最大出力。在预加恒张力的基础上，继续设定绞车A为速度模式，绞车B为恒张力模式。绞车B力矩旋钮由0缓慢转到100%，绞车A静止不动，最大吨位为29 t。通过调节辅助绞车的速度和转向，观察被测试绞车的反馈动作和钢丝绳受力情况。

从表4可以看出，当绞车A往外放绳时，绞车B能够自动往里收绳；当绞车A往里收绳时，绞车B能够自动往外放绳，从而满足了设计要求。同时，需要注意的是，当绞车A往里收绳时，钢丝绳受力远大于绞车A往外放绳时的受力。最后，随着绞车A电机的不断加速，钢丝绳受力也不断增加。

表4　　恒张力试验操作明细

经查标准，重物在匀加速直线运动状态（即考虑动荷载状态）下，动荷系数Kd最大取值为2。但当遭受到冲击等瞬时变化荷载时重物的动力放大系数会更大。所以在吊点设计过程中将吊点所受荷载在考虑2倍动力放大基础上再放大1.6倍。根据试验数据，在进行40 t绞车张力试验过程中，拉力计瞬时显示的最大吨位达到了141 t，超过了设计数据128 t，同时也说明了试验的危险性。

相反，当设置绞车A为恒张力模式，绞车B为速度模式时，只要重复上述步骤即可。

3.3恒张力释放阶段

恒张力释放时，应把电位计缓慢归零。在本次试验中，当力矩释放到10%时，拉力计仍然显示为9.26 t；当力矩旋钮归零时，拉力计显示为2 t，所以电位计不能过快归零，要缓慢释放钢丝绳应力，否则容易发生钢丝绳咬合的现象，会损坏索节或滑轮。

待电位计归零，钢丝绳应力为零后，取消所有力矩模式，改为速度模式；同时小心拆除索节和滑轮，清理试验现场。

3.4试验注意事项

最终顺利完成拖拉绞车恒张力试验，但由于恒张力试验危险系数较高，试验中必须注意如下事项：

（1）穿绳时，必须施加20%的预张紧力，为此可以选用专用放线车（排缆机）；避免钢丝绳跳层、压绳和挤压等现象，以防止断线、断股和变形等问题；避免用铁锤敲打，防止钢丝绳表面受损；钢丝绳绳头压板需要测试力矩，索节按照施工工艺制作良好，且要符合行业标准。

（2）所有定滑轮和动滑轮不允许有裂纹，并且润滑良好。

（3）试验前做好应急预案，增加安全系数。

（4）试验时，实时观察钢丝绳及绞车的试验状态，尤其注意钢丝绳路径长度，索节走向和钢丝绳运行速度，尽量避免索具与滑轮碰撞。

（5）操作绞车时要时刻保持通讯畅通，最好配备经验丰富的绞车操作手；调节力矩电位计时，要谨慎适度，按口令操作。

（6）张力释放时要谨慎小心，避免释放过快使钢丝绳发生缠绕。

4　结束语

本文设计的浮式起重船电动拖拉绞车恒张力试验方案充分考虑了自有资源，克服了不利因素，采取两两配合的方式，有序切换恒张力模式和速度模式，成功完成了绞车恒张力试验。试验数据显示绞车的性能和功能达到了设计要求；同时，试验的成功验证了试验方案的可行性。

拖拉绞车用途各异，不同的现场工况有不同的制约因素，需要灵活运用现场资源，设计不同的测试方案；同时规避和管控风险因素，确保试验方案的可行性。本文设计的电动拖拉绞车恒张力试验方案可为今后类似试验提供借鉴。

［1］李晨浩，李伟.系泊绞车变频调速系统的设计与应用［J］.船舶，2005（2）：48-52.

［2］鄢华林，宋林.恒张力绞车的应用研究［J］.液压与气动，2011（7）：80-83.

［3］车向中，郭建斌.基于公共直流母线的挖泥船绞车变频控制系统［J］.船电技术，2009，29（3）：44-48.

［4］江峰，陈恺恺.浅析船用被动式恒张力控制液压绞车［J］.液压气动与密封，2013（11）：38-40.

［5］王志勇，徐志强，倪汉华.拖网绞车变频控制系统设计［J］.现代农业科技，2014（1）：222-227.

Studyon Constant Tension Test Scheme ofElectricalL oad Tugger ofFloating Crane

WANG Dongsheng，WANG Wei，LU Dongliang，CHEN Jianwen
China Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

The constant tension control of an electrical load tugger has the advantages of protecting tugger and steel wire rope and preventing overload.Taking 4 electrical load tuggers in the stern of a domestic floating crane as the test objects，the effect of the constant tension control test is studied.In consideration of the tuggers layout，steel wire rope route and outside restrict factors，the test way of two tuggers working in pairs is adopted.The whole test procedure is devided into 4 stages，i.e.design and test preparation，adding pre-constant tension，adding constant tension and releasing constant tension.Based on the site test data，the operation way and risk point in each test step are detailed analyzed and the improvement measures are put forward.The successfultest demonstrates the feasibility of the test scheme and provides reference for future similar test projects.

electricalload tugger；constant tension test；steelwire rope；test scheme

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.019

王东升（1981-），男，山东青岛人，高级工程师，2008年毕业于中国石油大学（华东）检测技术与自动化装置专业，硕士，主要从事海洋采油平台及船舶的调试工作。Email：274583654@qq.com

2015-09-15