水下锚机设计关键技术

赵建虎，张勇勇，陈旭东，张 雷，曾维军

（1. 武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2. 招商局重工（江苏）有限公司，江苏 南通 226116）

0 引言

锚机作为航行船舶必要的甲板机械，主要用于船舶在锚地的停泊。在普通商船上，锚机被安装在露天甲板上，工作在海平面以上，主要受上浪作用和锚链的负载力，其设计结构和受力计算较为传统，可根据一般经验和理论公式进行设计与校核[1]。

本文针对八万吨半潜船等需潜水作业船舶（平台）用锚机，除用于常规水上锚泊外，还可以在海水中收放锚链，并且具备一键重力抛锚功能[2]。产品设计主要需解决以下2方面问题：1）满足水下收放锚链的海水密封问题；2）一键重力抛锚的控制策略与安全性问题。

1 设计输入要求

本文所述锚机安装在半潜工作船，锚机安装在船首半封闭舱室中，锚链直径122 mm，AM3级肯特链，最大抛锚深度100 m。当船舶航行时或非下潜作业时，该舱室处于海平面以上，当船舶下潜作业时，该舱室所处水深最大可达30 m，此时舱内充满海水。锚机既可以在水上操作起抛锚，还可以在下潜作业时收放锚链。

艏部舱内甲板左右各设置1套航行锚机，用于收放艏锚。航行锚机包括卧式液压锚机、液压系统及控制系统。航行锚机具备远程和本地操作功能，可在CCTV系统的配合下实现远程起抛锚作业，也可通过本地控制箱实现就地起抛锚作业。该锚机取得了中国船级社产品认证证书。

1.1 环境要求

锚链轮及其基座、主轴、掣链器和弃锚器等安装在锚链舱上平台的设备应考虑海水腐蚀、泥沙淤积和干湿变化对设备的影响。

根据全球营运范围内的海水和温度条件设计。锚机安装在机舱内，环境条件见表1。

表1 机舱主要设备环境条件

对于自动化系统的电子设备应满足以下温度条件：舱室应能够在温度为0 ℃～55 ℃时正常工作；在机舱内，允许温度下限为5 ℃。

结构设计温度按−15 ℃设计，满足《钢质海船入级规范》2019年修改通报对低温区域航行船舶的要求。

1.2 工况要求

锚机主要用于船舶在锚地的锚泊、停船时的临时抛锚以及紧急弃锚等工况。除此之外，锚机还可以帮助船舶移动船位、航行中因故暂时停航或遇紧急情况时固定船位以及其他特殊用途（如：登陆艇的冲滩或退滩等）。

本文中的锚机主要用于锚地停泊、停船时临时抛锚[3]、紧急弃锚以及航行中因故暂时停航或遇紧急情况时对船位进行固定。

2 设计关键技术

以往半潜船锚机大部分参照其他商船设计，锚机安装在露天甲板上，而本文所述锚机则安装在舱室内，且锚链轮部分需要在海水中收放锚链。

锚机在详细设计时需要突破以下6个方面关键技术：1）液压锚机主轴隔舱密封技术；2）卧式锚机结构设计技术；3）一键抛锚控制策略；4）锚机防腐设计方案；5）锚链进近控制策略；6）远程控制技术。

2.1 机械结构设计技术

锚机结构形式一般分为卧式锚机和立式锚机2种。本文设计的锚机锚链轮需要在海水中工作，锚链轮及安装机座需要泡在海水中，而刹车带、动力单元无法在海水中正常作业，这就对锚机的机械结构设计带来了挑战。

2.1.1 机械总体结构设计

由于锚链轮部分要浸泡海水，而液压马达、刹车带和齿轮等无法在海水中正常作业，因此必须将锚链轮与其他机构隔离开。如上文所述，锚机分为卧式结构和立式结构，下面对这2种结构形式进行讨论。

卧式锚机可以将锚链轮及其机座单独放置在湿舱，锚链轮主轴水平穿过舱壁，刹车带和减速箱安装在干舱，具体结构型式见图1。

图1 卧式锚机机械总体结构示意图

卧式结构可以有效解决穿舱密封问题，锚机水平安装在2个相邻舱室，空间布局结构相对宽裕，维修保障空间相对较大，安装方便。缺点是：设备结构复杂，设备重量较大，安装调整难度较大。

立式结构则需要竖直穿过甲板面，锚机竖直安装在上下2个相邻舱室，空间布局结构相对紧凑，维修保障空间相对较小；同时，锚链轮部分为悬臂结构，锚链轮机座及锚链轮轴的受力相对较差，同时隔舱密封的安装及维修保障不便，竖直安装还需考虑海水中泥沙等对隔舱密封使用寿命的影响。优点是：结构紧凑。具体结构型式见图2。

图2 立式锚机机械总体结构示意图

综上所述，采用卧式锚机更为合理。卧式锚机更方便船体结构加强，主轴密封技术相对成熟，维修吊装更方便。

2.1.2 隔舱密封

旋转主轴动密封型式多样，常用的有盘根密封、隔舱密封和机械密封等。根据本次设计锚机的设计输入条件来看，盘根密封和隔舱密封2种型式均可使用。盘根密封主要应用在鲨鱼钳等产品，结构简单，成本较低，但是盘根密封的维护频次高。隔舱密封主要用于桨轴产品，不承受径向力，密封效果好，可靠性高，维护频次低；缺点是成本较高，结构复杂。

本文设计的锚机位于机舱附近，人员较少进入到设备旁，要求密封结构的可靠性高，避免维护或减少维护。穿舱主轴主要传递扭矩不承受径向力，主轴既可以在海水中作业，也可以在空气中作业。通过对比可知：隔舱密封结构方案更合适。

本文设计的隔舱密封不承受径向载荷，隔舱密封转动体内孔通过张紧机构连接在主轴上，随主轴一起转动，外套通过螺栓与固定机座连接。同时，在外套中设有弹性体，能够满足锚机在抛锚过程中引起的径向跳动。隔舱密封内孔设计有多道密封防止海水进入，同时在靠近外侧密封之间通入压缩空气和冲洗淡水，隔舱密封海水侧设有压力传感器，用于监测密封外侧海水压力，以动态调整气体压力，防止海水进入干舱。当主轴在空气中工作时，在干舱侧密封之间注入润滑油，以防密封圈因与转动体产生干摩擦而损坏。

2.1.3 防腐蚀设计

当半潜船下潜时，锚机的锚链轮及机座完全浸没在海水中，这导致机构设计时需要考虑防腐问题。本次设计主要从2个方面展开：1）材料选型上考虑耐海水腐蚀材料；2）非耐海水材料采用喷涂防腐油漆加牺牲阳极的方式。

具体防腐方案如下：对于锚链轮机座等组件，喷涂耐海水油漆并安装防腐锌块；在锚链轮组件表面喷涂耐海水油漆；对于主轴等有相对转动的部位，采用不锈钢材料防止海水腐蚀；对于螺栓螺母，外侧安装有不锈钢保护罩，螺栓孔用硅胶泥包裹，贴合面涂密封胶等以防海水腐蚀。

2.2 液压系统设计

锚机液压系统为高压开式系统，液压油箱设置高油温报警、滤器堵塞报警和低液位报警等安全报警功能。用于锚机离合器和刹车操作均有液压油缸驱动，锚机泵站设有控制泵提供液压油缸压力油，同时，离合器油缸设有液压锁以便保持离合器状态，刹车油缸配置比例阀用于调节油缸工作压力。本次锚机主要操作位在集控室远程操控，且操作时无法观察到锚穴，因此要着重解决锚进近保护和重力抛锚等关键技术。

2.2.1 进近保护设计

操作人员在收锚过程中无法观察到锚入锚穴的状态，又因本文锚唇为内嵌式设计，因此要降低锚进近速度，以避免锚对船体造成撞击伤害。要降低锚的撞击力度，可从减小质量、降低速度和减小拉力3个方面入手。

本次液压系统的设计思路主要从降低速度和减小拉力入手。本文设计的锚机配有锚链长度监测系统，以锚链长度来判断当前锚接与锚穴间的距离。另外，为了能够远程操控，锚机主阀选用电比例主阀；为了降低拉力，增加1套切换阀和减压阀，以降低系统压力。

当控制系统识别到锚接近锚穴，则系统自动控制减小主阀开口度，以降低速度；同时，通过油路切换，将减压阀串入回路，以降低系统工作压力，进而达到减速和减小拉力的目的。

2.2.2 重力抛锚设计

重力抛锚时，锚及锚链的重力为主动力，锚机被动放出锚链，马达被动反转。此时，液压系统应设置反向平衡阀，用于平衡因锚及锚链的重力。由于反向旋转容易造成液压马达吸空，因此，液压系统中务必设置补油系统。

2.3 电控系统设计

本次电控系统设计功能包括锚机收放操作及速度控制功能、综合报警功能、锚链长度及速度显示功能、锚链张力显示功能、进近控制功能、一键重力抛锚功能和系统保护功能。以下重点介绍一键重力抛锚功能和系统保护功能。

2.3.1 一键重力抛锚设计

一键重力抛锚设计主要是为实现抛锚控制的自动化，将一系列手动控制操作集成在系统之中，通过检测锚链的长度及速度来实现。具体原理为：手动操作锚机将锚放置接近海底时，按下一键重力抛锚按钮，此时控制系统通过监测锚链的速度及长度，来控制锚入土；而后，刹紧刹车，带锚入土；再按下一键重力抛按钮以自动释放躺底链；若锚未正确入土，则重复上述操作，直至抛锚完成。

2.3.2 系统保护与电机热启设计本次设计的电控系统安保功能包括：泵站油箱的高油温、低液位及滤器堵塞报警，电机配置的高温报警和空间加热器，以及起动器控制柜配置的电流超载报警和除潮加热等。

液压系统采用冗余设计，50%备用，即3台泵，两用一备，本次系统设计实现任意一台泵故障后备用泵自动启动。要实现上述功能，则需要在液压泵的入口处设置压力传感器，用于判断泵输出压力是否正常，当任意一台泵输出压力过低时，系统将首先自动启动备用电机，然后再自动加载，从而实现系统的“热启动”。

3 结论

本次设计的锚机从结构设计到液压和电气系统设计，均围绕用户要求以及使用环境开展，有效解决了耐海水腐蚀、隔舱密封和一键重力抛锚等关键技术。

1）本文设计的锚机结构新颖，能够有效解决锚机水下作业的密封问题以及耐海水腐蚀的问题等。

2）该锚机自动化程度高，通过状态监测系统和CCTV系统有效解决了锚机远程操控问题，为后续自动化智能化控制奠定了技术基础。

3）本文设计的锚机液压系统，安全性高，通过增设减压阀以及比例控制阀等途径，有效提高了液压系统的控制能力，解决了锚机的自动化操作问题。