船用锚机无级调速的半离合刹车装置研制

夏义江，韩峻峰

(1.北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011；2.北部湾大学 广西船舶数字化设计与先进制造工程技术研究中心，广西 钦州 535011)

0 引 言

在船舶航行中，锚机装置有着非常重要的作用，正确合理地使用，会给操纵船舶带来便利和安全，如今随着集装箱船数量的日益增加，装卸货物及靠离码头频率的提高，启停锚机频率也随之提高，所以，对于船舶的各类锚机，都要求其制动装置具有更加可靠的制动性能[1]。随着船舶及海洋事业不断发展锚泊机械也不断加大，作为锚机中主要部件的制动装置同样随之加大，现阶段锚机支持负荷制动和正常负荷制动其机构合成在一起，即由同一个机构通过不同的指令完成这2种制动功能，但2种制动功能合成后通常体积和重量均较大[2]。因此，急需改变传统设计理念，促进锚泊机械的优化、创新和不断发展，进而保障航运业的安全发展[3]。

1 船用锚机刹车装置发展现状

锚机是船舶重要的甲板机械之一，船舶靠离码头和在锚地锚泊等都需要使用锚机[4]。船用锚机的刹车装置通常是带式刹车装置，带式刹车装置中，刹车的刹紧和松开靠旋转螺纹手柄实现。但对于操作来说不够灵活，尤其是需要半刹车状态操作时，操作困难，且带式刹车装置是采用弹簧油缸实现制动，将压缩弹簧安装在伸缩油缸的缸筒内，压缩弹簧输出初始弹簧力作用在活塞杆上，实现刹车装置的制动，而压缩弹簧易失效，如果压缩弹簧失效，压缩弹簧和伸缩油缸的维修和更换都十分不便，所以若使用带式刹车装置就会造成半离合操作困难，速度从0到最大速度时的调速控制困难；安全性能不高，维修和更换不便。锚机刹车系统的合理设置和选型，能保证锚机在各种工作状态下可以可靠安全地工作[5]。因此研制出一种既灵活方便，又满足使用条件和安全性能的刹车装置是急待解决的问题。

2 锚机无级调速的半离合刹车装置基本原理、主要特点及结构设计

2.1 船用锚机无级调速的半离合刹车装置基本原理

通常锚泊设备主要由锚、锚链、锚链筒、锚架、掣链器、导缆滚轮、导索器、起锚机、锚链管、锚链舱和弃锚器等部分组成[6]。船用锚机无级调速的半离合刹车装置是一种灵活可调的船用锚机刹车装置，可实现半离合，能方便地对船舶起锚和抛锚的速度从零到最大速度进行无级调速的控制。船用锚机无级调速的半离合刹车装置的基本工作原理：该刹车装置刹车方式有2种：一螺杆式刹车；二手扳式刹车。通过同时设置刹车螺杆和刹车手柄，使得船舶起锚和抛锚过程中，可通过旋转刹车螺杆端部的刹车手轮，使刹车螺杆旋入竖连臂的螺纹孔，带动横档块向下移动，拉动横连臂、推动斜连臂，从而使制动瓦刹紧或松开锚机卷筒；也可通过拉动刹车手柄，带动旋转臂向下旋转，通过销轴带动竖连臂和刹车螺杆向下移动，从而带动横档块向下移动，拉动横连臂、推动斜连臂，使制动瓦刹紧或松开锚机卷筒，从而达到制动目的。

当采用手扳式刹车时，拉动刹车手柄使第一制动瓦和第二制动瓦刹紧卷筒后，再通过握紧或松开拉板上的握把和刹车手柄的自由端使棘爪在方孔内上下移动，往下移动时，棘爪卡在棘轮内，棘爪卡住棘轮后，致使棘爪不能移动，由于棘爪在刹车手柄的方孔内，棘爪保持不动时，使刹车手柄也保持不动，从而使手扳式刹车刹住卷筒后定位不动，当操作人员扳动大小合适时，可以实现半离合。其结构如图1所示。

2.2 船用锚机无级调速的半离合刹车装置主要特点

1）通过同时设置刹车螺杆和刹车手柄，使得刹车装置在使用过程中，操作更加灵活，即在船舶起锚和抛锚过程中，可通过刹车螺杆采用螺杆式刹车刹紧或松开卷筒，也可通过刹车手柄采用手扳式刹车刹紧或松开卷筒；当采用手扳式刹车时，还能依靠操作人员的扳动力的大小实现半离合，方便地对船舶起锚和抛锚的速度从0到最大速度进行无级调速的控制。某船在一次抛锚操作过程中，锚机停车后出现掉锚现象，同时锚机有焦糊味道，初步判断是刹车失灵，十分危险[7]。船用锚机无级调速的半离合刹车装置会避免此类事故的发生。

2）当安装工作完毕后，通过操作螺杆式刹车刹紧卷筒，可使该锚机刹车装置能承受比工作拉力大数倍的静拉力，此承受范围能使锚机刹车装置经受海上恶劣工况等对船舶的影响，使得锚机刹车装置使用寿命更长。

3）船用锚机无级调速的半离合刹车装置结构简单、成本低、维修方便。

图1 无级调速的半离合刹车装置结构示意图Fig.1 Diagram of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

2.3 船用锚机刹车装置基本结构设计

船用锚机刹车装置基本结构中，第一杠杆3的一端通过第一销轴4与第一刹车支座5连接，另一端与横拉杆7呈角度连接；横杆件通过第一横挡块10与斜连臂11连接，其中横杆件包括相连接的横拉杆7和横连臂9，横拉杆7（远离横连臂9）一端通过第七销轴6与第一杠杆3呈角度连接，横连臂9的一端通过第二横挡块8与横拉杆7（远离第一杠杆3的）一端连接，横连臂9的另一端通过第一横挡块10与斜连臂11连接；横拉杆7上，位于第二横档块8的两侧，还分别设有横拉杆调节螺母28，其中横拉杆7与第二横档块8连接的一端设有螺纹，且横拉杆7穿过横挡块8中间开孔，可通过旋转横拉杆调节螺母28，从而改变横连臂9和横拉杆7的总长度，使刹车手柄23位于最恰当的操作位置，避免松刹车（即放松锚机卷筒）时，制动瓦与锚机卷筒接触太紧，或紧刹车（即刹紧锚机卷筒）时，制动瓦与锚机卷筒接触太松；同时也可以避免当制动瓦上的制动材料磨损后，刹车手柄23即使往后拉也达不到有效制动的效果。

第二杠杆13的一端通过第二销轴12与斜连臂11呈角度连接，另一端与第二刹车支座22连接；第一杠杆3和第二杠杆13上均设有制动瓦，分别为第一制动瓦1和第二制动瓦15，第一杠杆3通过第三销轴2与第一制动瓦1连接，第二杠杆13通过第四销轴14与第二制动瓦15连接；第一制动瓦1和第二制动瓦15的内凹面相向设置，以将锚机卷筒刹紧或放松；第一横挡块10上，竖直穿设有一刹车螺杆16，刹车螺杆16的一端装设有一刹车手轮17，另一端连接有一竖连臂18；刹车螺杆16上设有梯形螺纹，竖直臂18上设有螺纹孔，梯形螺纹与螺纹孔中的螺纹相配合；当顺时针旋转刹车手轮17时，刹车螺杆16旋入竖连臂18的螺纹孔中，带动第一横档块10向下移动，拉动横连臂9、推动斜连臂11，从而使第一制动瓦1和第二制动瓦15刹紧锚机卷筒；当逆时针旋转刹车手轮17则放松卷筒。其结构如图2所示。

图2 无级调速的半离合刹车装置左视图Fig.2 Left view of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

竖连臂18的底端通过第五销轴19连接有一旋转臂20，旋转臂20与第二刹车支座22连接，旋转臂20通过第六销轴21与第二刹车支座22；旋转臂20还连接有一手扳式刹车机构，后拉刹车手柄23，带动旋转臂20向下旋转，通过第五销轴19带动竖连臂18和刹车螺杆16向下移动，从而带动第一横档块10向下移动，拉动横连臂9、推动斜连臂11，使第一制动瓦1和第二制动瓦15刹紧锚机卷筒；反之，前推刹车手柄23，则放松卷筒。

刹车手柄23相对刹车螺杆16倾斜设置，刹车手柄23的一端与旋转臂20连接，另一端为自由端；且刹车手柄23与旋转臂20连接的一端开设有第一通孔（图未示），第一通孔为方孔；刹车手柄23的两相对侧面上均设有拉板24，两块拉板24的一端通过一连接件（图未示）与刹车手柄23的自由端连接，另一端连接有一棘爪25；拉板24（远离棘爪25的）一端还设有一握把26；棘爪25的一端可移动地设于第一通孔内，第二刹车支座22上设有棘轮27，棘爪25的另一端与棘轮27相配合、卡接；当后拉刹车手柄23，使第一制动瓦1和第二制动瓦15刹紧卷筒后，再通过握紧或松开拉板24上的握把26和刹车手柄23的自由端，使棘爪25在方孔内上下移动；往下移动时，棘爪25卡在棘轮27内，致使棘爪25不能移动，由于棘爪25在刹车手柄23的方孔内，当棘爪25保持不动时，会使刹车手柄23也保持不动，从而使手扳式刹车刹住卷筒后定位不动。其结构如图3所示。

图3 无级调速的半离合刹车装置右视图Fig.3 Right view of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

进一步地，如图4和图5所示，棘爪25包括一体成型的连接部251和分叉部252，连接部251上开设有第二通孔253，连接部251通过一穿过第二通孔253的销轴与两块拉板24连接，即2块拉板24分别与销轴的两端连接，连接部251可移动地设于第一通孔内；分叉部252包括上端一体成型的2个分支2521，2个分支2521的端部为倾斜状，其中2个倾斜状端部分别与2个棘轮27上的齿相配合，以使棘爪25的端部可卡于棘轮27内；棘爪25的这一设置及其与2个棘轮27的卡接，使得刹车手柄23刹紧卷筒后，更能使卷筒保持定位不动，提高了刹车的牢固性和稳定性。

图4 棘爪的主视图Fig.4 Main view of the pawl

图5 棘爪的右视图Fig.5 Right side view of the pawl

此外，第一制动瓦1和第二制动瓦15的内凹面上均设有缓冲层，缓冲层的厚度可以为2～5 mm，本文取3 mm。通过设置厚度适中的缓冲层，不仅可以保护了卷筒的表面，还可以避免其因多次被刹紧后表面受损，影响刹车效果。若厚度过大，则会影响到刹紧卷筒的程度，进而影响刹车效果。因此，合理的选取制动片的厚度，可以进一步提高的刹车性能。

3 结 语

舰船在港口装卸货物、海关检查、港口停船等情况下都需要进行锚泊，锚泊是最安全、快捷的一种停船方式[8]，锚泊及其刹车装置不言而喻，本文分析船用锚机刹车装置发展现状，研制一种船用锚机无级调速的半离合刹车装置，列出了该船用锚机无级调速的半离合刹车装置基本原理、主要特点及结构组成，此锚机刹车装置通过同时设置刹车螺杆和刹车手柄，使其在使用过程中，操作起来更加灵活，还能方便地对船舶起锚和抛锚的速度从0到最大速度进行无级调速的控制；通过操作螺杆式刹车刹紧卷筒，使刹车装置能承受比工作拉力大数倍的静拉力。该锚机刹车装置结构简单、成本低、维修方便，具有良好的操作性、适应性，随着国内外船舶与海洋事业的发展，该锚机刹车装置将有一定的应用前景。