船用微型绞车结构设计

张 影，李光辉

（1. 沈阳辽海装备有限责任公司，沈阳 110000；2. 上海船舶设备研究所，上海 201100）

0 引言

随着水声工业的发展，越来越多的声呐设备需要开展水下试验，在试验开始前需要绞车配合将其放入水中，待试验完成后再回收到甲板上。质量轻的声呐设备，可利用绳索等吊装工具进行水下试验，质量较大的声呐设备在开展水下试验时，都需要有绞车的辅助才能开展工作。目前，国内在船面甲板应用的绞车，面向对象都是质量为几百千克的负载，绞车体积庞大，拆卸及运输都十分不便[1]。因此，设计了一种专门服务于声呐设备水下试验的微型船用绞车，其具有质量小、体积小、安装简便、负载范围大且可适应复杂海洋环境等特点，可跟随声呐设备安装到各个试验平台上。鉴于微型船用绞车以上特点，近年来被广泛应用于水上试验站，可代替吊装工具或升降台辅助声呐设备完成试验，发挥着重要作用。

1 设计原理

船用微型绞车主要由电机、联轴器、齿轮组、排缆机构、卷筒轴及底座构成。船用微型绞车的力矩传递关系较为简单：力矩由电机经联轴器传递给齿轮组，再由齿轮组传递给卷筒轴[2]。

齿轮组中一组齿轮随着电机旋转带动卷筒轴旋转，实现负载的提升与下放；另一组齿轮旋转，带动往复丝杠旋转，使固定于其上的丝杠螺母在行程内做往返运动，实现缆绳的自动排缆[3]。船用微型绞车的系统原理见图1。

图1 船用微型绞车系统原理图

2 整体结构设计

根据船用微型绞车需要实现的功能，利用三维软件设计了整体结构。设计中涉及到材料的选择、整体的防腐密封设计以及绳索直径、电机功率等参数的选择问题，具体设计过程见以下叙述。

2.1 结构设计

船用微型绞车的结构由齿轮组、密封端盖、电机密封舱、电机插座、卷筒轴、固定架、排缆机构、发射电机以及连接轴组成[4]，见图2。

图2 微型绞车结构示意图

微型绞车绳索回收时，如果任其自由缠绕容易在卷筒轴中心处堆积，造成负载的扭矩半径增大，额外增加电机负载甚至引起超载的现象出现；而且会出现跳绳、压绳以及乱绳的现象，这样的缠绕方式会导致绳索跳动，在一瞬间绳索的张力增大，容易引起绳索的断裂。因此需要电机负载保持一个稳定的工况，有必要加入自动排缆机构。其原理是通过齿轮减速器将电机与往复丝杠连接起来，电机转动通过齿轮带动往复丝杠旋转，丝杠螺母在光杠的约束下与行程内做往复运动，这样就实现了绳索的自动排缆。

排缆机构的示意图见图3。

图3 排缆机构结构示意图

2.2 防腐密封设计

由于船用微型绞车在使用过程中，会接触到湖水或者海水，甚至还有盐雾等，因此船用微型绞车在设计时，必须考虑整体的防腐与密封设计。

耐海水腐蚀的常规金属材料有不锈钢、钛合金等，二者的机械强度较高，应用规模广泛，钛合金的价格高于不锈钢；非金属材料有尼龙、聚四氟乙烯以及碳纤维等，碳纤维对于异形零件需要特制模具且造价高，尼龙与聚四氟乙烯较为常见，价格较为适宜。

在本船用微型绞车设计里，例如电机的舱体、卷筒轴、排缆机构、卷筒轴、联轴器以及固定底座等皆选用不锈钢；齿轮组若是选用金属材料，需要额外设计密封舱以保证润滑，否则齿轮组暴露在海水中，涂抹润滑油无法起作用，因此齿轮组材料选用尼龙，且带有自润滑效果，可在齿轮传动过程中保证平稳的运行。

为保证电机正产工作，电机部位需要进行密封设计。在本设计中，共有4处密封，其中3处静密封以及1处动密封。动密封位于联轴器与密封前盖交接处，选用带有保持架的动密封胶圈；静密封位于电机密封舱与密封前盖、密封后盖及电机插座处，选用常规O型密封圈。为保证密封的可靠性，每处的动密封与静密封皆为2道密封胶圈[5]。

3 微型绞车具体参数设计

声呐设备的形状大小不一，但质量都在60 kg之内。假设船用微型绞车的设计输入为负载质量70 kg，深入水下10 m，下降及回收速度约为0.05 m/s，下面展开具体设计。

3.1 承重绳索的计算及选型

考虑到海水腐蚀问题，承重绳索材质选用不锈钢丝绳，下面开始计算绳索的直径。

假设不锈钢丝绳直径为d，根据《机械设计手册》手册[4]，

式中：C为选择系数，mm/N2，根据机构工作级别，选择0.093；S为承重绳最大工作静拉，N，按照水中阻力以及洋流影响，选取重力3倍。

设计工况负载总重70 kg，带入式（1）中计算得出d≥4.22 mm。

初步选取主承重绳直径为5 mm，型号为6×7+IWS。参数见表1。

表1 钢丝绳参数表

3.2 电机减速机计算及选型

根据设计输入，绞车负载70 kg，运行速度为0.05 m/s。卷筒轴直径实际d'=36 mm，有效长度l=150 mm，第一层钢丝绳铺满总长度L计算：

由以上计算可知，L=3 626 mm。在卷筒轴上从左至右铺满一层钢丝绳索长度约为3.6 m，在本设计中，钢丝绳索总长度10 m，总缠绕2.8层。考虑安全因素，钢丝绳索在卷筒轴预留3～5圈绳索作为安全绳索，因此10 m钢丝绳在卷筒轴上共计缠绕3层。此时力矩半径最大，所需电机的驱动扭矩也为最大，根据此时的力矩数值确定电机的功率大小。卷筒轴受力简图见图4。

此时，驱动卷筒轴转动所需扭矩：

式中：T为扭矩，kN·m，取值21.3 kN·m；F为承受拉力大小，N，取值700 N；r为旋转半径，mm，取值30 mm。

试验设备上升速度v=0.05 m/s，绳索轴直径d'=36 mm，则绳索轴转速n：

式中：n为绳索轴转速，计算得出n=37.2 r/min；v为设备上升速度，0.05 m/s；d'为绳索轴直径，mm，取值36 mm。

电机功率P：

式中：T为驱动扭矩，N·m；N为电机输出端转速，r/min；η总为传动总效率，η总=η1η2η3η4=0.788；η1为齿轮联轴器效率，0.99；η2为圆柱齿轮传动，自润滑0.92；η3为绞车卷筒，取值0.94；η4为电机效率，取值0.92；P为电机功率，P=113 W。

选择安全系数K=2，则需要功率P=226 W，扭矩T=42.6 N·m。

根据以上计算结果，最终选择电机参数见表2。选取减速机减速比i=103，则经由减速机后，扭矩T=44.29 N·m。减速机的参数见表3。

表2 绞车电机参数

表3 减速机参数

在减速机尾部配备电子制动器，当通电时内部磁片打开，断电时磁片吸合抱闸，防止设备脱落，见表4。

表4 电子制动器参数

3.3 齿轮参数计算

在船用微型绞车整体结构设计中，齿轮组是不可或缺的一环。由于整体的空间尺寸有限，选取的尼龙轮齿数少，中心距离较短。由于排缆机构承力较小，相比而言传递卷筒轴力矩的齿轮组承受力矩更大，因此只对该齿轮组进行强度校核计算。初步选取尼龙轮齿数为z1=z2=30，模数m=2.5，齿宽B=30 mm，强度校核计算过程如下[4]。

由于微型绞车最长工作时间小于4 min，2次连续工作间隔大于30 min，齿轮转速低，海水中散热条件良好等因素，作为开始齿轮传动，根据设计准则，以保证弯曲疲劳强度为准则，因此在本齿轮组的设计校核中，不做接触疲劳强度校核，仅做弯曲疲劳强度校核。根据式（6）和式（7）：

式（6）和式（7）中：T为扭矩，T=21.3 N·m；d为齿轮分度圆直径；Ft为端面切向力；bF为齿宽，30 mm；mn为法向模数，取值2.5；YF为齿形系数，2.15；YS为应力修正系数，取值1.74；Yβ为螺旋角系数，取值0.32；KA为使用系数，取值1.25；KV为动载技术，取值1.1；KFβ为齿间载荷系数，取值1.2；KFα为齿向载荷系数，取值1.37。

计算可得σF=20.49 MPa，经查阅材料手册可知，尼龙PA1010的许用应力[Fσ]=50 MPa，计算可得数值远小于材料的许用应力，因此该齿轮的选用符合实际工程要求。排缆机构的齿轮组齿数Z3=Z4=20，模数m=2.5。

3.4 往复丝杠参数选取

往复丝杠就是立体凸轮副的一种形式，其表现是两条螺距相同、旋向相反的螺纹槽，两端用过渡曲线连接，滑块内部的滑靴在通过过渡曲线时可以反向运动，带动滑块实现换向。因此往复丝杠就是在不改变丝杠转向的前提下，利用螺旋槽的侧面推动螺旋槽内的滑块做轴向往复运动。

在本微型绞车设计中，选用往复丝杠作为排缆装置，由于负载质量较轻，仅是侧向带动负载前进，侧向力就大大减少。因此在本设计中，侧向力忽略不计。考虑耐海水腐蚀，选取往复丝杠材质为不锈钢材料，其螺距与钢丝绳索的直径相等，两端距离与卷筒轴排缆有效距离相等，具体参数见表5。

表5 往复丝杠参数

4 强度分析

在本设计中，钢丝绳索缠绕3层，卷筒轴受力较大，其强度需进行校核。多层缠绕卷筒轴受到缆绳的挤压应力用下面方法计算[6-7]。

式中：p为钢索缠绕时，卷筒轴表面所承受的压力，MPa；A为钢索缠绕经验系数，缠绕3层时取A=1.8；F为钢索的极限拉力，F=700 N；D为卷筒轴的直径，D=36 mm；S为钢丝绳间距，S=5 mm。

多层缠绕后卷筒轴受到的挤压应力：P=14 MPa。卷筒轴侧板轴向推力按《建筑卷扬机设计》中的方法计算[8]。

式中：F为钢索的极限拉力，F=700 N；n为缠绕层数，n=3。

因此，多层缠绕鼓轮侧板轴向推力为：Ns=780 N。

此载荷作用在卷筒轴两侧侧板上，侧板内径36 mm，侧板外径60 mm，均布压力p=0.43 MPa。

利用ANSYS Workbench软件，对卷筒轴进行强度校核。模型导入软件中，设置材料为不锈钢，卷筒轴中心位置固定，同时将上述计算结果施加到模型上[9-10]：内侧面施加应力14 MPa，对侧板施加应力0.43 MPa，仿真结果见图5。

图5 卷筒轴应力分析

根据分析可知，卷筒轴所受应力最大为10.6 MPa，远小于不锈钢材料本身许用应力225 MPa，因此，卷筒轴机械强度符合设计要求。

5 实际验证与优化设计

船用微型绞车设计完成后，尚未进行实际验证。后续某型声呐设备在进行水下试验时，借助船用微型机绞车进行了水下试验。声呐设备总重约50 kg，不超过船用微型绞车的负载。在经过试验后，发现几处地方需要进行改进：

1）钢丝绳较硬，使用次数增多后，有些位置会有毛刺漏出，为避免在水声设备上产生划痕，将其更换成承载能力更强的凯夫拉绳索，对实际应用更为有利。

2）微型绞车的承载能力需要增大，考虑到遇到水流变化一些负载突变的情况，经过校核计算将卷筒轴齿轮组的齿数调整为26齿和42齿。增大了整体的传动比，同时也降低了设备下放与回收的速度，在试验过程中，绞车仅作为辅助设备，下放与回收速度不做考核内容。

3）整体设备使用过程中，假如有缆绳缠绕的情况发生，绳索容易脱出卷筒轴，卷入齿轮中，为整个设备的安全考虑，在卷筒轴上方添加两个横杆，防止缆绳脱出。

船用微型绞车在使用过程中的情况见图6。

图6 船用微型绞车使用安装

6 结论

船用微型绞车装配后总质量为4 kg，外形尺寸为282 mm×185 mm×135 mm（长×宽×高），固定方式为6个M8螺钉固定。经过几次优化设计，已多次辅助声呐设备进行水下试验：运行良好，无故障发生。目前，该技术已在声呐领域得到了广泛应用。