“海洋四号”船高张力万米绞车改造浅析

冼伟伦 李华龙 高方朝 余 平

（广州海洋地质调查局 广州510075）

引 言

海洋调查船是用于海洋科学考察、应用技术研究以及测量或勘探等船舶的统称［1］，是进行海洋调查与研究的重要平台和必要工具，是海洋科研能力建设的重要组成部分，它的整体性能和技术装备水平直接影响国家海洋事业的发展。［2］万米绞车是海洋调查船上不可或缺的设备。

由于万米绞车在国内生产技术上不成熟，对海上的恶劣情况没有充分考虑，尤其在排缆方面非常不整齐，研发投入力度不足，导致国内购置非常少，各科考船的万米绞车都是采购国外产品，而且趋向于采购带有牵引的恒张力绞车。为实现党中央提出的海洋强国梦，打破船载调查设备完全依靠于进口的局面，打破技术上的垄断，实现机械技术装备国产化势在必然。很多国内海洋调查机构、科研单位和机械设备厂家都跃跃欲试，争取调查设备国产化的愿望早日实现。

敢为人先，摸着石头过河，就必然有经验、教训和成败。海洋调查船的旧船改造和新船建造是相辅相成的，对海洋科学调查事业的可持续发展都十分必要［3］。2013年以来，广州海洋地质调查局“海洋四号”旧船改造，其万米绞车系统通过国际公开招标的方式确定了贵阳某矿山机械公司为生产厂家。但由于其缺乏海上调查的经验，对海上恶劣的作业环境缺乏深入了解，对于约20 t的钢缆高张力估计不足,导致所生产的绞车交付后不能正常使用。因此，需要对此存在缺陷的万米绞车进行改造，让其重获新生，而分析万米绞车的高张力排缆技术、研究排缆的关键因素，对调查设备国产化具有非常重要的意义。

1 万米绞车的构成

万米绞车系指滚筒储存钢缆、光纤缆或同轴缆能力超过10 000 m的卷扬机，用卷筒缠绕缆提升或牵引重物的起重设备，并且取样能力能满足相应水深及海底下取样长度之和的海域，目前一般取样长度为30 m内。由于“海洋四号”船调查任务繁重，科考调查往深水海域拓展，所以本次主要针对旧船改造项目中的万米绞车进行再次改造。万米绞车基本构成有液压泵站、减速齿轮及液压马达、减速机的润滑系统、电控机柜、操纵台、滚筒、排缆器及其附属设施。

2 绞车海试后遇到的主要问题

（1）“海洋四号”船改造后安装了新的万米绞车，船舶试航非常成功。但该绞车经海试后却发现，由于设计时对海上恶劣的作业环境估计不足、绞车钢结构强度不够，导致钢缆增多后挤压滚筒端面，使滚筒发生变形，而这一变形又导致滚筒端面间距离在滚筒轴线上的方向上不均匀一致，每一层排缆的数量发生变化，滚筒距离与钢缆的直径不成比例，致使排缆越来越紊乱。此外，由于原绞车拉力强度不足，滚筒变形受力不均，导致轴承发热，轴承在轴线垂直方向上接触面不同导致磨损快速且发出异常声音（见图1）。

图1 万米绞车的滚筒

（2）拉力不够，设计时的部分传动设备性能未充分发挥（见图2）。刹车马达是液压控制的，在液压泵站上的一路分支，控制减速机的刹车片，但由于没有连锁，也没有信号反馈，所以导致无法判断该刹车是否失效或误动作。必须设置电气上的连锁和独立油泵提供刹车油，使开机之前能判断并显示刹车必须松开后才能启动绞车，这样才能避免不必要的能量损耗。减速机高速运转时的转速约为3 000 r/min，由于没有强制循环冷，却导致其内部润滑油温度过高，使该设备的性能明显下降，绞车拉力因而无法达到预定值。

图2 万米绞车的操作显示屏

（3）由于其带有伺服马达的智能排缆设计不成熟，基座断裂、传感器容易进水腐蚀、质量和敏感度差，导致钢缆排缆紊乱、停滞不畅（见图3和图 4）。

图3 万米绞车的智能排缆器

图4 万米绞车的排缆情况

智能排缆器的传感器安装在排缆器的两个小滚轮上。当钢缆往某一方向运动时，带动拨叉偏移，而使蓝色的两个传感器与拨叉距离不同从而产生电位差，触发信号传给伺服马达，马达就能按照给出的指令动作；当钢缆不偏移使拨叉恢复正中位置时，伺服马达就停止动作。不过，由于传感器水密质量差、灵敏度低下，与拨叉的间隙太大，导致伺服马达经常误动作，从而钢缆非常紊乱。拨叉与固定的滚轮距离太近，使拨叉力臂短导致动作不灵敏，滚轮磨损快。

传动滚轮圆周很小，被钢缆带动从而高速旋转。由于滚轮调质处理不过关，导致硬度不够，故磨损特别快。当其与钢缆接触面变小时，便容易使计数不准确，而磨损的传动滚轮压着钢缆的力度变小又会导致张力计不准确。

3 解决方案

由于“海洋四号”船任务非常繁重，需要一台可靠的万米绞车来执行调查任务，要解决万米绞车海试中存在的问题，钢结构需重新制作，零部件必须进行优化设计，具体措施如下。

3.1 钢结构问题

海上科考调查作业的环境非常恶劣，盐分大、海况风浪变幻无常，科考调查作业对船舶及其设备的强度要求非常高。绞车再次改造时，对主滚筒进行重新设计，充分考虑了海上恶劣的工作环境以及涌流影响，采用加厚钢材，并进行结构加强；轴承按照安全工作拉力的需求，再加上1.5倍的安全系数；结构加强太多或者用料上太保守，肯定影响滚筒旋转速度，为了不因结构变化而影响齿轮的传动，用户提出创新设想，把传动齿轮和滚筒外板分开，传动齿轮和滚筒传动轴通过键的方式连接，驱动滚筒圆周运动，使传动齿轮不受钢缆排缆缠绕时产生的对滚筒端面侧向力的积压，也通过链条传动来强行驱动机械排缆器，该排缆器可以随时脱开并适当自我调整（见图6）。

3.2 拉力不够问题

拉力不够的主要原因有以下三点：

（1）减速机发热导致性能明显下降，磨损过大，达不到预定拉力；

（2）受侧向力的滚筒单薄变形，导致其基座轴承受力不均，轴承发热，甚至卡死不动；

（3）刹车没有及时松开甚至误动作，导致能耗过大。

根据以上缺陷和安全工作负荷和系数，采取如下措施：

（1）对原来的泵站系统进行优化设计,对其档板高度、齿轮强度、主轴强度、滚筒强度重新进行校核； 同时进行有限元分析并采取得力加强措施，对其减速比进行重新计算，提高其钢缆线速度。

（2）更换排缆器、滚筒、轴承、滚筒和传动齿轮分开并通过轴向键槽连接，刹车使用独立的油泵。

（3）尤为重要的是，经过用户详细观察分析、大胆提出创新，对减速机采取强制循环油冷却的办法，使得其温度明显降低，从而提高了效率（见图 5）。

图5 减速机及传动齿轮

3.3 排缆器问题

不过，上述几点都较容易整改并实现，关键是排缆器问题。当今国内的智能排缆器软件及其芯片技术设计上不够成熟，很容易出现排缆紊乱现象，再加上各个智能排缆的传感器质量不过关，比较容易腐蚀导致故障不断，因此现在只能采取最简单可靠的机械排缆方式：传动齿轮驱动主滚筒转动，在另一端通过链条或者齿轮带动排缆器强制运动，从而带动钢缆进行有序排列。尽管偶尔需要适当自我调整，但不会像智能排缆那样产生故障且导致停滞不前。制作生产安装调试后，经过4天的海上试验验收并成功通过，现在一直在海上安全地生产作业（见图6）。

图6 新的万米绞车

在滚筒底层安装了LEBUS缆槽，对底层排缆能够固化有序，打下了坚实排缆基础，对整体排缆起到相当好的作用。

4 排缆问题的具体改造工作

4.1 机械排缆的基本工作原理

机械排缆的原理是由液压泵站驱动传动齿轮和主滚筒旋转，同时按照计算好的减速比通过链条或齿轮传动来带动排缆器主轴进行旋转。主轴是具有月牙形状螺纹的丝杠（见图6），丝杠上面的拨叉夹着钢缆沿着主轴来回往复运动，使钢缆按照设计好的主滚筒和排缆器之间的减速比在滚筒上规律且整齐地排缆；又因为是月牙形状的丝杠，使拨叉能够在丝杠的尽头自动返回进行往复运动，从而使钢缆能较顺畅地缠绕于滚筒。

为防止机械排缆偶尔出现排缆不整齐或跳槽的现象，排缆器主轴和主滚筒之间的连接通过离合器来脱开，利用人工方式重新将钢缆整理顺畅后再啮合进行排缆。

4.2 机械排缆的主要关键因素

机械排缆的整齐程度取决于滚筒底层否有缆槽，取决于排缆器的计算是否准确。

4.2.1 缆 槽

缆槽也称作LEEBUS缆槽（即折线缆槽），由美国人Frank Leebus发明。这种缆槽在滚筒周向的大部分区段保持与滚筒端面平行，只有很小区段与滚筒端面相交，因此缆槽必然出现折线现象，故名“折线缆槽”。

随着LEBUS缆槽的诞生，钢缆在主滚筒5/6圆周的相互平行的，两个过渡段约1/6圆周是折线的。

滚筒上缠绕的每一层缆绳是其上一层的基础和轨迹，尤其是最底层，这对于滚筒上缠绕的缆绳排列是否整齐顺畅起到关键作用。为了缆绳在刚开始缠绕时就能够整齐有序，在制作滚筒时就要安装缆槽。该缆槽可以直接制作滚筒时在其底径表面上用数控机床来加工切割，也可以用另外材料分开两个半圆加工制作好后，焊接或者螺栓连接固定在滚筒上。以直径16 mm的钢缆为例，缆槽稍微宽些，为16 mm+0.5 mm。如图7和图8所示，缆槽展开图是对称的，有平行段和过渡段，钢缆可沿着缆槽顺畅缠绕。

图7 钢缆排序正视示意图

Parallel：平行段※过渡段，每一转有两个过渡段。

4.2.2 排缆器计算

不同的钢缆截面直径，其滚筒和排缆器的计算结果不同,当然缆槽设计也不尽相同，但计算方法是相同的，现以16 mm的钢缆为例说明。

图7、图8表明排缆器轴丝杠螺距与LEBUS缆槽螺距之间的关系,丝杠螺距和缆槽螺距成比例关系，传动比的选择没有强制规定，只是涉及到排缆器的运转速度快慢问题，比如上述传动比约是1 : 4，即丝杠旋转一圈，那么滚筒需要旋转约四圈，这需要计算滚筒传动齿轮和排缆器齿轮的减速比来实现。

为实现整齐紧密排缆，在设计排缆器时必须滚筒每旋转一周，导向套筒通过拨叉在丝杠上移动一个钢丝绳直径的距离。［5］

设丝杠的螺距为P,滚筒转速为n1，丝杠转速为n2，钢丝绳直径为d，滚筒每旋转一周，丝杠旋转n2/n1周，导向套移动距离为P×(n2/n1),则d =P×(n2/n1)，P = d(n1/n2)。

图9表明了钢缆每一层与LEBUS缆槽的导向关系。换言之，绞车滚筒旋转80转，导致了排缆器滑块移动的距离等于A到B的距离，即160转就是一个来回。螺纹数量没有强制规定，根据船舶实际允许安装的尺寸需要来决定绞车和滚筒的尺寸，从而决定螺纹数量。

图9 排缆器和滚筒传动示意图

滚筒的内宽 W′ = P′×(n+0.5)= 1 330 mm

排缆轴的有效宽度W = 64.5×20 = 1 290 mm

滚筒每一圈,排缆器轴滑块移动的距离P"=W/n =16.125 mm

综上所述, W′＞W和P′＞P″为了让在滚筒两端需要浅而平滑的角度，从而使钢缆尽可能线性走向。

缆槽的螺距一般是钢缆的截面直径加上适当的间隙。当如果没LEBUS缆槽时，钢缆只能沿着滚筒的圆周以螺旋方式缠绕,如果第一层是左手方向，那么第二层是右手方向，跨过第一层上，以此类推，随着层数的增多很容易产生紊乱。为使钢缆更加线性走向，必须满足以下几点：

（1）钢缆的的截面必须是圆的，而且形状不变。

（2）钢缆的外径必须是均匀的，而且误差不超过±0.3 mm。

（3）钢缆相位角度和排缆器滑块间没有偏差，如果存在则需要调整。

（4）需安装张力计和计数器，钢缆的张力需没有非常明显的波动，如果由于上一层钢缆的轻负荷和船舶的摇晃就很容易出现跳槽现象，从而不能保证钢缆从始到终进行线性顺畅地缠绕滚筒。

针对上述问题和注意事项，采购质量更加可靠的进口钢缆，可保证钢缆的圆度和圆柱度误差在设计范围内，为保证张力非常明显的波动落差，如果绞车再次改造，建议采购一套波浪补偿装置来实现。

4.3 智能排缆和机械排缆对比

使用智能排缆和机械排缆两种不同的排缆方式，各有利弊，针对本次改造过程和结果，总结出各自优点参见表1。

表1 国产绞车的智能排缆和机械排缆的优缺点

续表1

5 结 语

“海洋四号”船的万米绞车改造是按照《钢质海船入级与建造规范》［4］以及《船舶检验规则》等送中国船级社进行图纸审核并认可的。改造总结经验如下：

基于海上恶劣的工作环境，设备设计时必须持保守态度，各种安全系数都需远高于在陆地，如材料厚度、轴承强度、结构加强等。原动力必须充分考虑海底下涌浪的冲击以及调查设备出土时候的破土力等，使安全系数提高些。

此外，智能排缆还不成熟，尤其是软件和传感器质量，需要花大力气研究。而机械排缆是非常成熟的、简单可靠的，但必须要安装LEEBUS缆槽，使排缆顺畅些，考虑到是高张力钢缆，排缆器设计时的强度系数必须明显提高。

总之，“海洋四号”船龄已有30多年，此次万米绞车改造虽然是国内第一个敢于“吃螃蟹”的，是成功的，但仍有很多亟待改进完善之处，需作进一步研究探讨。

国际上，船载绞车趋势是电动或液压的带牵引的恒张力智能绞车，排缆既顺畅又安全高效，故障率非常低。在国家号召大众创业、万众创新的形势下，希望能产生由我国自主研发生产的设备。尽管国内产品的质量和技术目前尚不够成熟，仍需不断摸索、砥砺前行，但也需要有人敢为天下先。我们相信在不久的将来，我国自主研发的设备定能日臻成熟并且走向国际市场！