采用导缆孔代替滚柱导缆器的工艺研究

陈捷 卢晓翔

摘要：导缆孔和滚柱导缆器均为常用系泊件，用于系泊缆绳的导向。导缆孔具有结构简单、布置方便的特点，但对缆绳的磨损严重，故在大型船舶上采用不多;滚柱导缆器能够将滑动摩擦变为滚动摩擦，减少了摩擦阻力，对缆绳的损伤较小，但存在体积大、重量重和结构复杂的缺点，不便于维护。本文结合实船系泊布置，充分对比导缆孔和滚柱导缆器的优缺点，并提出解决方案，如在导缆孔内表面增加垫片，减少摩擦系数，保护缆绳，并努力减少成本，使导缆孔代替滚柱导缆器切实可行。

关键词：导缆孔;滚柱导缆器;导缆孔垫片;聚合物;成本

中图分类号：U667.4       文献标识码：A

Abstract： Mooring holes and roller fairleads are common mooring parts used for guiding mooring lines. The mooring hole has the characteristics of simple structure and convenient arrangement， but because of the serious wear of the cable， it is not used in large ships. The roller fairlead can change sliding friction into rolling friction， reduce friction resistance， and damage to the cable is small， but it has the disadvantages of large volume， heavy weight and complex structure， and is not easy to maintain. Combined with the real ship mooring arrangement， this paper fully compares the characteristics of the mooring hole and the roller fairlead， and puts forward a solution， such as adding a gasket on the inner surface of the mooring hole to reduce the friction coefficient and protect the cable.， and work hard to reduce the costs， it is feasible to replace the roller fairlead with the mooring hole.

Key words： Mooring hole; Roller fairlead; Mooring hole gasket; Polymer; Cost

1前言

系泊系统是船舶舾装设计的重要组成部分，应合理地选用系泊设备和属具，并将它们安装在船舶恰当的位置以最佳的方式抵抗各种外力。导缆孔和滚柱导缆器都是缆绳导向装置，在实船上两种系泊属具均有应用。从功能上来讲，二者区别不大;从成本上讲，滚柱导缆器体积更大、重量更重、结构零件更多、成本更高;从使用方面来看，滚柱导缆器的滚柱对缆绳的磨损较小，缆绳的寿命更长，但日常维护工作较多。相比而言，导缆孔结构简单，但对系泊缆绳的磨损比较严重。如何提高导缆孔的竞争力，需从降低导缆孔的摩擦系数着手，为此可以考虑在导缆孔内壁增加垫片，并论证此项工艺的可行性，以最终实现在实船上推广应用。

2导缆孔和滚柱导缆器的对比

下面从系泊布置、重量、价格、安装、使用、设备维护、缆绳维护等多个方面对导缆孔及滚柱导缆器进行对比：

2.1导缆孔和滚柱導缆器标准

（1）导缆孔标准ISO 13729

分甲板式和舷墙式两种，为圆形或椭圆形的铸钢件，是船舶停航过程中必不可少的导缆装置，如图1、图2所示：

（2）滚柱导缆器标准ISO 13733

根据实际需求可以采用4滚柱、5滚柱甚至8滚柱的设计;根据安装形式，可分为甲板式和舷墙式，如图3、图4所示：

2.2系泊布置

以某大型集装箱船艏艉系泊布置为例，我们做了滚柱导缆器和导缆孔的两种方案，如图5、图6所示。在某些工况下，如船靠船操作时封闭式导缆孔更加适合，因为当两艘船的干舷发生变化时，它们能有效地控制系泊缆绳，并且标准装置的D/d比最大;而滚柱导缆器通常内置于舷墙中，并设计为引导缆绳向下，在某些过驳期间可能会由于滚柱数量的不足使得引导缆绳向上，系泊缆绳就会与上部支撑结构接触产生磨损。

2.3重量及成本对比（表1）

2.4布置和安装维护方面的对比（表2）

综上可知，导缆孔对比滚柱导缆器在各方面都有一定的优势，唯独在对缆绳的保护上不利，而且随着锈蚀的发生对缆绳的磨损会加大。

3减少导缆孔对缆绳磨损的措施

从滚柱导缆器的结构特点出发，有研究者设计了内置滚筒机构的导缆孔，解决静摩擦大的问题，但复杂的轴承座机构同样存在维护保养方面的问题。根据OCIMF系泊设备指南（MEG4）中“对于巴拿马导缆孔来说，钢材需高度抛光，如很难达到要求，可以考虑安装不锈钢或聚合物内衬。”所以我们另辟思路，提出在导缆孔内部增加不锈钢或聚合物内衬的工艺改进，以达到降低摩擦，最终代替滚柱导缆器的目的。

对于越来越多的超大型船舶，为了限制她们在泊位上的移动，刚度高弹性小的高模量HMPE缆绳具有明显的优势，被认为是钢丝缆的可行替代品。但这类缆绳对导缆孔内表面的光滑度要求很高，故缆绳厂家大都推荐上述两种垫片方案，以最大限度的减少摩擦损伤，延长使用寿命。

3.1导缆孔内部增加不锈钢垫片

一般使用5mm不锈钢板，用硬纸附在導缆孔内表面进行放样，按纸板展开尺寸下料。为保证焊接后不锈钢板与导缆孔内表面紧密贴合，提高导缆孔内表面不锈钢牢固度，需在不锈钢板上开塞焊孔，在导缆孔表面敲打贴合、焊接，最后进行打磨，以保证导缆孔表面的光滑度，如图7所示：

打磨光顺的不锈钢垫片表面摩擦系数要比原先的铸铁表面低很多，因此对缆绳的保护性提高，但放样、开孔、贴合、焊接、打磨各工序会消耗大量人工，据测算一个标准导缆孔不锈钢垫片成本接近1.5万元。

3.2导缆孔内部增加聚合物垫片

根据导缆孔外形尺寸加工模具，聚合物调制好倒模成型并打磨光顺;安装时一般做成两片，中间用螺栓固定，如图8所示;聚合物基耐磨复合材料，一般是以热塑性或热固性树脂为基体，通过添加有机或无机的减摩组份以及抗磨增强组份而呈现出良好的耐磨性能，具有质轻、比强度高、耐腐蚀性好、成型方便、自润滑、消声吸震等特性。随着材料科学的发展，大批高性能的聚合物已越来越多地应用于摩擦学领域。

聚合物的摩擦和金属的摩擦存在本质区别，即金属具有弹性，而聚合物具有黏弹性。在对滑动摩擦的机理分析中聚合物的摩擦特性常用粘着机理来进行解释，认为柔软的聚合物材料在摩擦过程中常会向对摩面转移，这样对任何材料、体系的最终摩擦总是趋向于聚合物和聚合物之间的摩擦。

测试数据表明：高强度缆绳在导缆孔内部经过70次负载收放后，缆绳已明显磨损，300次后断裂;在滚柱导缆器内经过1650次负载收放后，缆绳发生明显磨损;而在导缆孔内部增加聚合物垫片后，经过1650次负载收放，缆绳几乎没有明显磨损。

该方案安装过程简便，只需将两片垫片合拢、螺栓固定好即可，后期如有损坏调换也相当方便;经济性方面，由于开发成本和模具制作等因素，一套进口垫片的成本大约为3.5万元，国内开发的类似产品性能虽没有进口产品优越，但成本可以降低到约1.8万元。此外，在选择聚合物厂家时，需要特别关注搭配高分子量缆绳使用时某些聚合物衬垫会将热量传递到缆绳中的问题。

4各种导缆方案整体成本核算和对比

以某大型集装箱船的艏艉系泊布置为例：艏舷墙位置滚柱导缆器10个（四滚柱8个+五滚柱2个），B型导缆孔5个;艉甲板上滚柱导缆器12个（均为四滚柱），A型导缆孔7个;缆绳的搭配为17套Φ80mm x 200m尼龙缆绳。各种导缆方案整体成本核算及对比，如表3所列：

从表3可知：采用导缆孔加聚合物垫片的方式，可以极大的节约缆绳成本，系泊属具的成本也可节约33万元，在厂安装工时的节省和营运保养方面带来的便利还未计算在内。

关于垫片的成本，船厂一般会以加帐方式向船东收取，因为垫片的配置不是系泊布置的基本要求;而系泊安全和带缆便利已经越来越引起船东的重视，船东也愿意为此在前期进行更多地投入。因此采用导缆孔加聚合物垫片代替滚柱导缆器的方案是完全可行的，并且是船厂、船东的双赢项目，如果船东从成本考虑也可采用国产垫片替代。

5结语

本文通过导缆孔和滚柱导缆器的比较，得出导缆孔在各方面都有优势，只是由于铸铁表面的滑动摩擦和易锈对缆绳的保护不利。为了解决这一问题，我们提出在导缆孔内壁增加垫片的方式来降低摩擦，并通过分析不锈钢垫片和聚合物垫片两种不同的工艺方式，最终得出导缆孔加聚合物垫片代替滚柱导缆器的可行方案。

越来越多的船东已经体会到聚合物垫片对缆绳保护的优势，船厂可以在设计初期提出导缆孔加聚合物垫片代替滚柱导缆器的工艺改进，使双方达到一个共赢的状态。

目前进口聚合物垫片的成本还较高，需随时关注市场上的国产替代品，也可相互合作推进聚合物的研发，提高性能、降低成本、提升市场竞争力。另外，非金属材料在船舶上的应用也越来越广泛，例如环氧垫片基本可以完全取代传统的钢质垫片，故也需研究推广类似新材料新工艺在船舶上的应用。

参考文献

[1] ISO/DIS 13729. Closed chocks 2010[S]

[2] ISO/DIS 13733. Universal fairleads with upper roller 2010[S]

[3] 船舶设计实用手册--（舾装分册）1.3.4[S]中国船舶工业总公司，2012

[4] OCIMF系泊设备指南（MEG4）2018[S].

[5] 付金科，王西海等.一种新型导缆孔装置的设计[J]，机械工程师2016-11.