滚动轴承结构在海洋调查船舶绞车系统导缆结构中的应用研究

王瀚宇，徐 昕，张能辉，曾现敏

（国家海洋局北海海洋技术保障中心，山东 青岛 266100）

近年来，随着建设海洋强国战略全面实施，我国海洋科考事业蓬勃发展，在深远海进行的海洋科考活动越来越多。海洋调查船舶绞车系统作为收放海洋观探测装备，开展各项海洋复杂调查工作的核心装置，被广泛使用于各类科考调查船舶。

在绞车系统中，为保持调查用缆收放方向稳定且始终在缆槽中运行，在调查用缆出/入滑轮或绞车的位置，需要设置导缆结构[1]。海洋调查船舶绞车系统导缆结构对调查用缆做物理限定，并对其运行方向和运行形态进行引导和制约[2]。导缆结构通常位于导缆滑轮或绞车缆槽对侧，与调查用缆直接接触，在收放缆过程中直接承受缆的压力、冲击力和倾覆力[1]。因此，导缆结构是维持绞车作业的关键环节。

本文就将滚动轴承结构引入海洋调查船舶绞车系统导缆结构进行设计，并基于“大洋一号”船绞车系统试制了一套应用于海洋调查船舶绞车系统的滚动轴承导缆结构，进行实际场景的应用分析，为深海调查绞车系统的改进和优化提供数据支持和设计参考。

1 现有通用导缆结构缺陷分析

目前国内外可查询到的在用海洋调查船舶绞车系统，导缆和挡缆结构全部采用在相关位置加装金属销轴，涂抹润滑油，再配以尼龙等材质外套转动的简单结构[3]，其基本设计思路是将调查用缆与导缆结构外套接触，由缆的收放带动外套在金属销轴上转动导缆。在此过程中，以金属销轴与外套之间的滑动摩擦转动来保持调查用缆与外套之间进行滚动摩擦转动，减轻调查用缆与导缆结构的磨损（图1）。

图1 现有通用导缆结构

进行深水收放缆作业时，因放缆入水长度较长，调查设备质量较大，导缆结构会受到调查用缆较大的径向压力；现有通用导缆结构金属销轴和外套间的润滑油易持续浸入杂质和沾附在缆上的海水，急剧增大转动的摩擦系数和阻力；船舶随海上涌浪升降时，调查用缆常因失重、超重导致其与导缆结构外套间的径向压力产生波动，甚至不断抛离和撞击外套，直接造成导缆结构的磨损和形变[4]；A型架或导缆滑轮等摆动造成调查用缆收放角度变化时，其与导缆结构间的接触和径向压力会发生变化；放缆长度变化导致调查用缆入水部分重力的变化也会同步影响缆与入海端导缆结构外套间的径向压力[5]。上述情况均会加重调查用缆与导缆结构之间的滑动摩擦，造成导缆结构的磨损和形变，导致内部金属销轴与调查用缆直接接触摩擦，进而造成金属销轴磨损、断裂，以及调查用缆磨损、割损乃至跳缆、断裂的安全事故，严重影响海洋科考调查工作的安全与效率，难以满足海上科考调查期间高频次收放缆的作业需求。现有通用导缆结构磨损情况如图2 所示。

图2 现有通用导缆结构磨损情况

此外，导缆和挡缆结构通常处在A 型架外侧、导缆滑轮外侧、绞车系统入海末端等作业人员不易、不宜接触的区域，频繁更换不仅难度大、效率低、耗材成本高，还容易发生人身危险，造成无谓的人身伤害。

将滚动轴承结构引入导缆结构，可通过滚动摩擦转动导缆，改变现有通用导缆结构通过滑动摩擦转动导缆的工作原理，从根本上解决导缆结构因滑动摩擦导致的高磨损、易伤缆的问题。

2 基于滚动轴承结构的海洋调查船舶绞车系统导缆结构设计

2.1 滚动轴承结构的特点

海洋调查船舶绞车系统现有通用导缆结构存在的核心问题首先是金属销轴与外套之间转动的摩擦系数、摩擦阻力易增大，因而不能保持持续转动[6]；其次是在收放缆期间，调查用缆与导缆结构间不能始终保持接触，并保持一定的径向压力。拟使用滚动摩擦转动代替金属销轴与外套之间的滑动摩擦转动，大幅度减小导缆结构转动的摩擦系数，减小转动对径向压力和切向拉力的需要。

滚动轴承结构能承受较大的径向压力和倾覆力，并保持高转速的滚动摩擦转动，对转动切向拉力的要求低[7]，且形态设计上能契合销轴搭配外套转动导缆的结构，适合作为转动的核心部分引入导缆结构。

2.2 导缆结构设计思路

滚动轴承导缆结构的工作原理是通过收放调查用缆带动内含滚动轴承的滚轮转动，属于滚动摩擦，摩擦系数小。弹簧等辅助增加压力结构可最大程度保持调查用缆与滚轮之间的接触和径向压力，保持滚轮转动，加大调查用缆与滚轮间的贴合力度及滚动摩擦的比例[8]。根据滚动轴承结构特点，拟通过设计滚动轴承结构滚轮、加压弹簧保持其与调查用缆的接触和压力，保持导缆结构自身的滚动摩擦转动[9]。

（1）滚动轴承结构滚轮设计

将滚动轴承外覆尼龙等耐磨材料，制成滚轮，涂抹润滑油套在金属销轴上，代替现有通用导缆结构外套，形成金属销轴套滚动轴承滚轮的结构。根据绞车收放缆速度、金属销轴尺寸、滑轮尺寸、调查用缆缆径、长度和重量等实际情况配套设计滚轮尺寸，选择滚子类型。涂抹润滑油可在保持滚轮转动流畅的同时，防止海水及海上高盐雾环境对金属销轴和轴承结构的腐蚀[10-11]。

（2）加压弹簧设计

可在垂直于调查用缆压力施加方向的平面上并排设置可活动并靠的滚动轴承滚轮，将调查用缆置于滚轮之间，并在滚轮间加装弹簧等辅助增加压力结构，保持调查用缆与滚轮之间的接触和径向压力。

图3 所示为内含圆柱滚子轴承的滚轮与调查用缆接触时的截面图，图3（a）和图3（b）分别为轴向截面和径向截面。对于触点，FN为调查用缆向滚轮施加的转动方向径向压力；N 为滚轮对调查用缆的支持力；FS为调查用缆因收放对滚轮施加的转动方向切向拉力；FU为滚轮对调查用缆的阻力；μ 为调查用缆与滚轮表面的摩擦系数；μ2为滚轮转动的摩擦系数。

图3 滚动轴承滚轮与调查用缆触点的受力情况

实际收放缆作业过程中，在调查用缆与滚轮保持接触的情况下，FU小于调查用缆与滚轮表面的最大静摩擦力μFN时，缆与滚轮表面即可保持滚动摩擦。而FU取决于滚轮滚动产生的阻力，即FU=μ2FN。因μ2为滚动摩擦系数，小于μ，所以FU=μ2FN＜＜μFN。因此，缆与滚轮之间可保持滚动摩擦。

2.3 导缆结构试制

根据“大洋一号”船绞车系统艉部滑轮结构、收放缆速度、缆径、缆重、历史作业缆张力统计等各项参数和实际情况，试制一种深沟球轴承导缆结构试验品。其中，活销轴滚轮与压缆轮轴向垂直于艉部滑轮所在平面，平行排列，压缆轮位于近滑轮一侧，活销轴滚轮位于远滑轮一侧。活销轴连带活销轴滚轮可通过拆装活销轴定位套从绳定位支架上拆装和固定，用以将调查用缆通过活销轴所在位置装入或移出导缆结构。

使用期间调查用缆位于活销轴滚轮、压缆轮及两个销轴套管之间，在收放缆期间将径向压力施加于活销轴滚轮和压缆轮上，并主要施加在活销轴滚轮上，由此产生摩擦力带动活销轴滚轮和压缆轮转动。弹簧可拉动压缆轮移动，保持活销轴滚轮、压缆轮与调查用缆之间的接触和压力，保持活销轴滚轮和压缆轮跟随收放缆转动，保持活销轴滚轮、压缆轮与缆之间进行滚动摩擦[12-13]。

此结构具体由GB/T 276—2013 深沟球轴承6001[14]、六角头螺栓、弹簧、销轴套管、挡圈、活销轴定位套、活销轴、活销轴滚轮、绳定位支架、压缆轮等部件组成，组装图如图4 所示。GB/T 276—2013 深沟球轴承6001 安装在活销轴滚轮和压缆轮中。

图4 深沟球轴承导缆结构组装图

对此结构进行应力分析，模拟调查用缆将径向压力施加在活销轴滚轮上的情况，得出结果为：活销轴滚轮受径向压力达2 000 N 时（图5 和图6），到达开始应变的临界值。“大洋一号”船导缆结构装在滑轮随动臂上，随动臂可随调查用缆出入滑轮槽的位置移动，保持调查用缆始终在滑轮槽内。因此，导缆结构活销轴滚轮所受径向压力只来源于随动臂移动阻力的反作用力，小于其应变临界值。导缆结构强度可满足导缆需要，弹簧可保持活销轴滚轮、压缆轮与调查用缆之间的接触和压力。

图5 活销轴滚轮受2 000 N 径向压力应变分析

图6 装在绳定位支架中的活销轴滚轮受2 000 N径向压力应变分析

3 应用分析

3.1 应用场景概况

深沟球轴承导缆结构件于2020 年6 月制成，2020 年8 月装入“大洋一号”船艉部滑轮，在大洋第61 航次调查任务中投入实验使用。

“大洋一号”船搭载美国DYNACON 公司JOBs 739/740/741 号绞车系统，具体由13.5 t 液压减张力牵引绞车、万米光缆（直径21.2 mm） 储缆绞车、万米同轴电缆（直径21.2 mm）储缆绞车、万米钢缆（直径16 mm）储缆绞车、主泵站、备用泵站、艉部大A 型架、右舷小A 型架、右舷伸缩折臂吊机和上甲板左舷伸缩折臂吊机组成。其中艉部大A架动载荷为10 t，静载荷为25 t，拖曳能力为25 t，宽4.52 m，高5.5 m，装有万向滑轮和有缆无人潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）释放器。艉部大A 型架及万向滑轮如图7 所示。

图7 “大洋一号”船艉部大A 型架和万向滑轮

3.2 应用分析

现将大洋第56 航次与大洋第61 航次使用导缆结构作业数据进行对比分析，列出现有通用导缆结构胶轮和深沟球轴承导缆结构活销轴滚轮尼龙材料的磨损深度数据，具体见表1。

表1 两航次使用导缆结构作业数据

大洋第61 航次共完成16 站作业，根据绞车系统航次报告，深沟球轴承导缆结构的活销轴滚轮在绞车收放缆过程中始终保持与调查用缆贴合，且在经过16 站连续使用后，经拆卸检查，活销轴滚轮及压缆轮仍转动顺畅，尼龙表面的磨损凹痕均匀且深度小于1 mm，如图8 所示，滚轮、滚子、销轴及绳定位支架均无形变。

图8 深沟球轴承导缆结构件使用后拆卸检查情况

大洋第56 航次共完成9 站作业，根据绞车系统航次报告，分别于第2 站结束、第4 站结束和第7 站结束后更换导缆结构外套胶轮3 次，于第6 站结束后更换金属销轴1 次。其中，被更换的尼龙胶轮（厚度10 mm）磨透3 个，在装尼龙胶轮磨损深度约6 mm，被更换的金属销轴磨损深度约2.5 mm。

对比大洋第56 航次和大洋第61 航次收放缆作业，因作业用船舶、绞车、缆绳相同，作业类型相同，作业设备近似，作业区水深和环境近似，所以收放缆长度和缆张力值均近似，调查用缆施加在导缆结构上的径向压力也因与缆张力及放缆长度呈固定比例的线性关系而近似。对于几乎相同的深水收放缆作业，原有导缆结构平均无法连续完成3 站作业即会变形并完全磨透外套胶轮，而深沟球轴承导缆结构件在连续完成16 站作业后仍处于正常适用状态，且主要承受调查用缆径向压力的活销轴滚轮外覆的尼龙材料磨损深度小于1 mm。

在其他变量基本相同的情况下，对比大洋第56航次与大洋第61 航次使用导缆结构作业数据，现有通用导缆结构与深沟球轴承导缆结构的磨损率见表2。

表2 现有通用导缆结构与深沟球轴承导缆结构的磨损率

现有通用导缆结构与深沟球轴承导缆结构的磨损率比值约为60.44。因此，深沟球轴承导缆结构的耐磨性约为现有通用导缆结构的60 倍。

4 结 论

深沟球轴承导缆结构的实验使用效果良好，耐磨性约为现有通用导缆结构的60 倍，耐用性、有效性和安全性均远超现有通用导缆结构，有效克服了现有通用导缆结构易磨损、易伤缆、需要频繁更换的问题，可满足深水收放缆连续作业的需求，达到了设计预期效果。但实验仍存在不足，如实验样本的数量和种类少，未进行不同绞车、不同滚子类型的比对；因考虑影响较小，分析中未考虑调查用缆对导缆结构滚轮轴向施加的拉力及缆在滚轮轴向移动产生的摩擦。

将滚动轴承结构引入海洋调查船舶绞车系统导缆结构，可从工作原理上克服现有通用导缆结构的设计缺陷，加强导缆结构的耐用性、安全性及其与绞车系统收放缆整体工作的适配性。

滚动轴承导缆结构可根据不同船舶、绞车的尺寸和使用需求配套制作，广泛应用于各类海洋调查船舶绞车系统，提高海洋科考调查作业的安全性和效率。

滚动轴承导缆结构可进一步优化改进，如可根据滚轮外覆尼龙材料和内部金属材料绝缘性的区别，设计电信号磨损反馈装置，在尼龙材料磨损后，利用金属调查用缆与滚轮金属部分的直接接触形成通路，进行磨损提示和警报，进一步保障绞车收放缆作业的安全性。