65 t扩展器牵引绞车设计

张勇勇，胡发国，潘 晓

（1. 武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2. 中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

0 引言

物探船是海洋地球物理勘探的主要船舶设备之一，物探船通过扩展器牵引绞车来实现扩展器的牵引和回收。我国进入物探船技术领域的时间较短，研发力量比较弱[1]，物探船上扩展器牵引绞车均为进口设备，国产化需求迫切。目前，我国最先进的物探船为2010年以来陆续建造的“海洋石油720”和“海洋石油721”等12缆物探船[2]，其扩展器牵引绞车额定拉力为44 t。随着物探作业向深海长距离、多缆大面积勘探作业能力方向发展[3]，12缆物探船越来越不能满足日益增长的物探作业需求，18缆物探船的设计与建造已被提上日程。

因此，本文以18缆物探船作业需求为目标，介绍额定拉力为65 t的扩展器牵引绞车的设计，同时为各型扩展器牵引绞车的设计提供参考。

1 组成与原理

目前的扩展器牵引绞车均采用电液驱动形式，由机械系统、液压系统和电控系统组成，其设备采用高压油电液驱动，由电动机驱动主泵提供马达和制动器动力，马达驱动减速机，通过齿轮副带动滚筒动作，进行扩展器的牵引和回收动作，其技术原理如图1所示。

图1 扩展器牵引绞车技术原理图

扩展器牵引绞车由于单支架组件I、II，滚筒组件，马达小齿轮组件，制动器组件组成。单支架组件I、II为独立结构；6组马达+行星减速机+小齿轮为悬臂结构，通过行星减速机法兰锁紧在单支架组件II上，小齿轮与回转支撑内齿圈啮合，回转支撑的外圈通过48个M30的螺栓锁紧在单支架组件II上，内圈通过48个M30的螺栓锁紧在滚筒上。

扩展器牵引绞车设置有带式液压制动器，制动器采用弹簧液压油缸驱动，弹簧提供制动力，液压油驱动油缸打开刹车。卷筒另一侧安装有滚筒轴承，装设在单支架组件I的轴承座内。在单支架组件I侧设有增量型编码器，用于测量收放缆速度和缆绳长度。结构原理如图2所示。

图2 扩展器牵引绞车结构原理

扩展器牵引绞车含一个卷筒，由6台液压马达驱动，由液压马达带动减速机旋转，减速机输出轴带动小齿轮，小齿轮通过齿轮啮合带动卷筒组件中的回转支承转动，从而带动卷筒旋转，实现缆绳收放。

2 结构设计

2.1 设计输入参数

为满足18缆物探船的作业需求，扩展器牵引绞车设计输入参数如表1所示。

表1 扩展器牵引绞车设计输入参数

2.2 结构设计

1）单支架组I

单支架组件I由单支架I、调整垫片、焊接垫片和封板组成。单支架I为结构件，主要由钢板和锻件等拼接而成，主要承载卷筒收放缆绳和制动状态下产生的载荷。结构示意如图3所示。

图3 单支架I结构图

单支架I与卷筒轴承和端盖链接，底部通过焊缝与船体连接，轴承座上设有润滑油孔，便于轴承的润滑。

2）卷筒组件

卷筒组件由卷筒体、回转支承、轴承、编码器和端盖等组成。如图4所示。

图4 卷筒组件主视图示意

卷筒体为结构件，由钢板拼焊而成。卷筒体由厚度为50 mm的E420锻件，为增加侧板强度和刚度，侧板做成了箱形结构。刹车轮缘由41 mm钢板卷制而成，回转环采用锻件加工而成，芯轴采用锻件。轴承选用调心滚子轴承，编码器采用增量型编码器。

芯轴通过调心滚子轴承支撑在单支架Ⅰ上，回转环通过螺栓与回转支承连接，继而连接在单支架Ⅱ上，从而实现卷筒的径向支撑。

回转支承采用内啮合渐开线圆柱齿轮与减速机的小齿轮啮合。回转支承内齿轮模数18，齿数101，齿宽90 mm。

回转支承定环与单支架Ⅱ通过螺栓连接，回转支承动环通过螺栓与卷筒回转环连接。回转支承定环与动环之间采用滚子轴承支撑，回转支承上设计有润滑油槽和注油嘴用于给回转支承轴承润滑。

3）马达小齿轮组件

马达小齿轮组件由液压马达、减速机、小齿轮及紧固件组成。如图5所示。

图5 马达小齿轮组件示意图

液压马达选用双速径向柱塞马达，型号Italgroup公司IAC800H4。液压马达通过法兰及螺栓与减速机连接，马达轴通过花键与减速机内花键相连。

减速机选用回转减速机，减速比14，二级减速，需求动态输出扭矩2.79×104N·m。回转减速机输出轴带渐开线圆柱小齿轮，齿轮模数18，齿数21，齿宽100 mm。减速机通过法兰及螺栓连接在单支架I上。

4）刹车组件

带式刹车组件主要由刹车带1、刹车带2、刹车片1、刹车片2、刹车上支撑组件、调节螺杆组件、销、三角杆、压杆、液压油缸和接近开关组件等组成。结构如图6所示。

带式制动器规格为Φ2 700 mm×230 mm。刹车带1和刹车带2为结构件，主要材料采用Q355E弯制焊接而成。刹车片1和刹车片2采用无石棉，螺

表4 卷筒受力计算结果

图9 工况7卷筒组件应力云图

图9 工况7卷筒组件应力云图（续）

图10 工况7卷筒应变云图

表5 单支架工况

表6 单支架受力计算结果

图11 工况4单支架组件I应力云图

图12 工况5单支架组件II应力云图

图13 工况5单支架组件应变云图

通过计算分析，单支架组件I和单支架组件II的应力和应变均在许用安全范围以内，设计可以满足使用要求。

4 结论

扩展器牵引绞车是物探船的关键设备，本文以18缆物探船所配置的65 t扩展器牵引绞车的设计进行研究，总结如下：

1）对扩展器牵引绞车的技术和结构原理进行了说明。

2）对65 t扩展器牵引绞车的设计输入参数和结构设计进行了阐述，扩展器牵引绞车由扩展器牵引绞车由于单支架组件I、II，滚筒组件，马达小齿轮组件，制动器组件组成。卷筒体材料为E420，单支架，制动器，筋板等材料为Q345E。

3）65 t扩展器牵引绞车卷筒共8种计算工况，卷筒的最大应力和应变发生在工况7，筒体最大应力为186.17 MPa，筋板最大应力为144.64 MPa，最大应变为0.87 m，均在许用范围内。

4）65 t扩展器牵引绞车单支架组件共6种计算工况，单支架组件I最大应力发生在工况4，应力为224 MPa；单支架组件II最大应力发生在工况5，应力为156 Pa；最大应变发生在工况5，最大应变为1.93 mm，均在许用范围内。