工程船用航行锚兼定位锚绞车设计

史绍明 王政凯

【摘 要】定位锚绞车与航行锚绞车是工程船作业能力的重要保证，为节省甲板空间，将两者功能集成，设计一种新型航行锚兼定位锚绞车。本文以某10000t举力半潜驳为例，将航行锚机整合到移船绞车上，主要从总体方案设计、技术参数分析与优化、制动器受力部件校核三个方面对其设计方法进行研究。绞车改制后，整机動力不变，甲板使用面积下降20%，整机重量下降30%，省去锚链舱，具有较好的经济性。

【关键词】工程船;海洋工程作业;航行锚绞车;定位锚绞车;支持负载

1 引言

近年来，我国造船业发展迅速，订单量多年稳居世界前列，我国已发展成为公认的造船大国。然而，我国造船业面临大而不强的问题，相关船舶配套业的发展仍较为滞后。锚绞机作为一种典型的船舶配套设备，对于船舶或平台的稳定与航行安全至关重要[1]。尽管锚绞机已经较为成熟，但为顺应当前生产专业化和市场快速反应的形势，仍然需要进一步的发展。

近年来，国内相关学者针对锚绞机的设计进行了一些研究，内容主要集中在结构分析与优化、振动噪声分析与控制和轻量化技术等方面。胡甫才等（2007）针对锚绞机滚筒进行了有限元分析和试验研究，为滚筒的优化设计提供了依据[2]。李兆元（2010）从载荷计算方法入手对绞缆筒的有限元分析进行了研究[3]。潘良高等（2014）对锚绞机焊接基座进行了结构分析，探讨了其载荷计算方法和应用ANSYS进行结构分析的加载方法[4]。郦羽等（2015）研究了采用Patran/Nastran软件对锚绞机支撑结构进行强度分析的方法[5]。史阳阳（2016）基于刚柔耦合模型分析，对锚绞机结构进行了优化设计，并通过试验测试进行了验证[6]。陆卫卫（2015）针对锚链轮与锚链的冲击与噪声和配套液压系统的噪声，通过理论分析和仿真计算，研究了锚绞机减振降噪的方法[7]。周仕进（2016）又针对减速箱等主要部件进行了锚绞机振动噪声控制的研究[8]。

根据功能不同，锚绞车可以分为定位锚绞车和航行锚绞车等。定位锚绞车与航行锚绞车最本质的区别是两者之间的支持负载不同。本文设计了一种用于海洋工程作业船的兼航行锚定位锚绞车，即具有航行锚绞车功能的定位锚绞车。本文主要从总体方案设计、技术参数分析与优化和制动器受力部件校核三方面对其设计方法进行了研究。

2 总体方案设计

定位锚绞车与航行锚绞车最根本的区别在于两者之间的支持负载不同。以某10000t举力半潜驳为例，该船采用四点移船功能，即在船艏、艉部左右舷各设置一台移船绞车（定位锚绞车），在船艏左、右舷和艉部右舷设置锚机（航行锚绞车）。考虑甲板布置因素及两种设备作业工况（锚机作业和移船作业不可能同时进行），将锚机整合到移船绞车上，即这三台设备配置一只锚链轮、一只定位卷筒、一只系泊卷筒（见图1），另一台移船绞车设置一只定位卷筒、一只系泊卷筒（见图2）。

移船绞车和锚机的技术参数如表1所示。锚机的起锚支持负载为1935kN，过载拉力411.5KN。移船绞车的主卷筒支持负载为1000kN。

本文设计了一种兼航行锚定位锚绞机，即使用移船绞车同时实现锚机的功能。由于锚机和移船绞车的技术参数的差异，用移船绞车兼航行锚绞车，移船绞车的参数就要满足和替代锚机的参数。

φ76锚机在船上最主要的作用是抗风，支持负载是其核心功能，考虑参数中1935kN的支持负载是船上装配有掣链器的因素，移船绞车替代后按锚链破断负载的80%折算，支持负载应为3440kN。另锚机过载拉力411.5kN是用于起锚工况，考虑定位锚绞车通常采用大抓力锚，有起锚艇帮助起锚，因此重点考虑船舶移船定位要求按照移船绞车的参数，钢丝绳按支持负载是破断负载的80%的原则选用，钢索直径为70mm。根据以上分析，新设计的兼航行锚定位锚绞车的技术参数如表2所示。

3 主要技术参数分析与优化

与普通定位锚绞车相比，兼航行锚定位锚绞车在功率消耗方面基本相当，主要是支持负载由1000kN调整为3400kN，钢丝绳直径由46mm调整为70mm，另外还减少了一只锚链轮。原来结构为两只调整马达驱动行星减速机驱动开式齿轮带动主轴工作，主轴上卷筒和锚链轮离合器离合使锚链轮或卷筒完成收放动作，考虑绞车受静拉力很大，将卷筒与轴设计为一体，在卷筒法兰上安装齿圈，离合器安装小齿轮端，系泊卷筒与小齿轮同轴（见图3）。其中卷筒与轴设为一体是大型拖缆机通用结构，由于钢丝绳变化，绞车主卷筒外形几何尺寸调整：卷筒直径由1000mm调整为1150mm，卷筒宽度由1195mm调整为1560mm，法兰直径由1800mm调整为2100mm，制动器轮毂直径由1760mm调整为2000mm。

绞车调整后动力单元基本不变，支持负载由1000kN调整为3400kN，制动器要重新设计，重点对制动器的主要受力件进行计算。

4 制动器主要受力件计算

制动器结构为液压制动油缸带动杠杆板带动松边拉板使制动器工作（见附图4）。

制动钢带、紧边拉板材料采用HG785-D，其屈服强度σs为690MPa;销轴材料为40Cr，其屈服强度σs=540MPa。制动器主要受力件计算校核过程如下。

根据以上计算和校核，制动器中的制动钢带、紧边拉板和销轴等主要受力件的强度均满足要求。

5 结论

兼航行锚定位锚绞车最大的特点在于航行锚支持负载主要由掣链器承担，对绞车的制动器及座架能力大幅提高。绞车改制后，将移船卷筒与轴设计为一体，用一级开式齿轮将移船卷筒从整体结构中分离出来，便于对移船卷筒结构强化设计。制动带分为两路，保证了制动带与制动轮毂的接触面，提高了制动器的可靠性。改制后整机动力没有改变，甲板使用面积下降了20%，整机重量下降了30%，省去了锚链舱，具有较好的经济性。

参考文献：

[1]杨高胜，屈平，谢永和.深水绞机甲板支撑结构有限元分析[J]. 中国水运，2010，10（12）：110-111;

YANG Gao-sheng，QU Ping，XIE Yong-he. Finite element analysis of deck support structure in deep water winch[J]. China Water Transport，2010，10（12）：110-111

[2]胡甫才，周勇，向阳，等. 锚绞机滚筒的有限元分析和试验研究[J]. 船舶工程，2007，29（04）：9-12.

HU Fu-cai，ZHOU Yong，XIANG Yang，et al. FEA and experimental investigation on the drum of anchor and wring[J]. Ship Engineering，2007，29（04）：9-12.

[3]李兆元. 锚绞机绞缆筒的载荷计算和结构分析[J]. 江苏船舶，2010，27（01）：11-13.

LI Zhao-yuan. Load calculation and structure analysis of anchor winches and warping drums[J]. Jiangsu Ship，2010，27（01）：11-13.

[4]潘良高，许权智. 锚绞机焊接基座的载荷计算与结构分析[J] . 机电设备，2014，（01）：62-65.

PAN Liang-gao，XU Quan-zhi. Load calculation and structural analysis on anchor winch welding base[J]. Mechanical and Electrical Equipment，2014，（01）：62-65.

[5]酈羽，张海华，蒋武杰，邬婷. 锚绞机支撑结构的强度分析[J] . 船海工程，2015，44（01）：37-39.

LI Yu，ZHANG Hai-hua，JIANG Wu-jie，WU Ting. Strengthanalusis of the supporting structure of anchor winch[J]. Ship and Ocean Engineering，2015，44（01）：37-39.

[6]史阳阳. 基于刚柔耦合的锚绞机结构优化设计及试验研究[D]. 南京：南京理工大学，2016：8-43.

SHI Yang-yang. Structural optimization design and experimental study of anchor winch based on rigid and flexible coupling[D]. Nan Jing：Nanjing University of Science and Technology，2016：8-43.

[7]陆卫卫. 锚绞机的噪声检测及减振降噪技术研究[D] . 南京：南京理工大学，2015：7-48.

LU Wei-wei. Research on noise detection and noise reduction technology of anchor windlass[D]. Nan Jing：Nanjing University of Science and Technology，2015：7-48.

[8]周仕进. 锚绞机主要部件振动噪声的分析与控制[D] . 南京：南京理工大学，2016：6-44.

ZHOU Shi-jin. Analysis and control of vibration noise of main parts in anchor winch[D]. Nan Jing：Nanjing University of Science and Technology，2016：6-44.

（作者单位：中交二航局第二工程有限公司）