大型船用拖纜機的檢驗要點分析

(中國船級社 武漢分社，武漢 430022)

1 拖纜機的類型及其發展現狀

1.1 拖纜機的分類

拖纜機按照驅動方式可分為蒸汽機拖纜機、柴油機拖纜機、電動拖纜機和電動液壓拖纜機等。按照其操作控制方式的不同可以分為自動拖纜機和非自動拖纜機[1]。

拖纜機在進行拖帶作業時，如果海面風平浪靜，拖船以一定航速拖帶被拖船按拖船航跡航行，排纜中收到的是恒值拉力；當有風浪時，拖船與被拖船間將出現相對航速，比如，當船在波峰、波谷時，纜繩將被拉緊、放松，此時纜繩中的拉力將急劇增多、減小。如拖船的艏艉線與纜繩間有較大傾角，則因拖船常比被拖船小，此時可能使拖船傾斜甚至傾覆，為此要求拖纜機能自動緩和纜繩中的巨大沖擊力，使其在風浪中進行拖帶作業時，能夠在半個波浪周期內放出足夠長的纜繩以緩和劇增的拉力，能在另半個波浪周期內收完前半個波浪周期放出的纜繩，以防止纜繩松弛。另外，對放出的纜繩長度必須檢測，以保證拖船和被拖船之間的相對距離，同時可以避免放纜繩過長或收繩過多造成事故。

1.2 拖纜機的發展現狀

早期的拖纜機主要為非自動型，隨著技術進步和用戶要求的不斷提高，現在拖纜機基本上為自動型拖纜機，通過電控系統對拖纜機的機械、液壓和電氣部分進行自動控制，安全性和可靠性大大提高，目前，我國生產的大部分拖纜機主要采用電動液壓驅動和控制。

2008年6月，江蘇海泰船舶設備公司為廣東粵新造船股份有限公司建造的起錨供應船提供了100 t拖纜機。目前，該公司已自主研發、生產了80 t、150 t、200 t系列拖纜機并已成功交付使用。近期，該公司與挪威一家公司達成貼牌生產合作協議，將制造300 t大型拖纜機，用于斯里蘭卡船東訂造的船舶。其卷筒負載為300 t×6 m/min、動力制動為(60～300) t×(0～35) m/min、支持負載400 t。

武漢船用機械有限責任公司已成功研制了海洋工程船超大型低壓拖纜機。其設計采用閉環流量張力非線性控制方法，開發了大型拖纜機控制系統軟件；在國內首次提出了船用拖曳設備應急釋放模糊控制方法，建立了拖纜機應急釋放數學模型及動態制動與張力仿真分析模型，并得到試驗及實船驗證；通過控制容錯設計，實現了拖纜機信號的集成處理與實時監控。其250 t拖纜機成果已在7 400 kW三用工作船上得到應用，主要性能指標處于國內領先水平，對促進我國海洋工程船超大型低壓拖纜機技術的提升具有重要作用。

其他國內船舶機械生產廠家如華南船舶機械廠生產過16 t液壓拖纜機，25 t電動拖纜機；南京綠洲機器廠生產過25、35 t電動液壓拖纜機；無錫江南船舶設備廠也生產過拖纜機。

目前，拖纜機已經向標準化方向發展，國際標準ISO7365規定了拖纜機的分類、技術要求和驗收試驗等內容，國家標準GB11869-2007《遠洋船用拖曳絞車》參考了該國際標準，另外，《船舶與海上設施法定檢驗規則(海上拖航法定檢驗技術規則)》(1999)對船用拖纜機的相關內容也有具體規定。

2 拖纜機的主要機構及形式

拖纜機主要由執行機構、驅動裝置、電控系統等部分構成。某公司生產的250 t電動液壓拖纜機結構見圖1。

該250 t雙滾筒拖纜機擬用于某海洋工程支持船上，其驅動方式為電動-液壓驅動，采用低速大轉矩葉片馬達作為動力驅動元件，并具有三檔速度自動切換的功能，以適應不同工況下作業的需要(高速輕載、低速重載)。雙卷筒上下瀑布式布置。上卷筒為拖曳卷筒,下卷筒為起拋錨卷筒。電控系統采用PLC控制器，實現對拖纜機的監測、控制和保護功能。該拖纜機的主要性能參數見表1。

圖1 250 t拖纜機的結構

表1 TL-2500型拖纜機主要性能參數一覽表

2.1 拖纜機的執行機構

拖纜機執行機構主要包括：卷筒裝置、驅動系統、排纜系統、剎車裝置、機座等。

2.1.1 滾筒裝置

卷筒裝置主要由滾筒、低速大齒輪M25Z123、鉸孔螺栓以及標準件組成。滾筒、低速大齒輪M25Z123為鋼結構件形式，滾筒外形尺寸約為直徑2 600 mm、長度4 900 mm，重量17 t，為保證起吊安全性、可靠性，焊接過程中及裝配翻身時必須使用設計吊耳，并采用四點起吊的方式。低速大齒輪M25Z123外形尺寸直徑3 125 mm、長度400 mm，重量4.8 t。其它部件還包括側板、主軸、壓繩塊、制動輪、軸承端蓋等，卷筒實現拖曳和起拋錨作用。見圖2。

2.1.2 驅動部件

驅動部件主要包括液壓馬達、液壓馬達高速小齒輪、驅動軸、高速大齒輪、離合器小齒輪、離合器等，離合器采用牙嵌離合器，其在操縱時依靠液壓動力進行，驅動軸通過離合器的分合作用實現規范中關于拖纜機在制動、拖曳與回收等操作時，能從駕駛室應急釋放纜繩[2]。該拖纜機上下了個卷筒各配置兩個液壓馬達，每個滾筒的液壓馬達設計成由一組遙控閥組同時控制，見圖3。液壓馬達高速小齒輪，通過與高速大齒輪的嚙合帶動驅動軸的運轉，見圖4。

圖2 拖纜機滾筒裝置

2.1.3 制動裝置

根據GB11869-2007《遠洋船用拖曳絞車》的規定，拖纜機制動裝置應能對卷筒進行制動，它能支持2.5倍最大系柱拉力的負載，其最小值不應小于鋼絲繩的破斷拉力。由于大型拖纜機的制動力矩很大，因此一般采用帶式制動器作為卷筒的制動裝置，特殊情況下還可以增加一套棘輪止動裝置。該250 t拖纜機采用帶式剎車帶的制動方式，通過液壓油缸對上下滾筒實現剎車作用。

圖3 拖纜機液壓馬達的操縱形式

圖4 拖纜機離合器與齒輪的裝配形式

2.1.4 排纜器部件

由于拖纜機的纜繩很長，為保證纜繩在卷筒上纏繞整齊，需要裝設排繩裝置，排繩裝置采用雙向螺紋絲桿的形式。主要包括排纜液壓馬達、支架、鏈輪軸、導向軸、排纜器支架、滑動軸承、水平滾子軸、垂直滾子軸等，用以在拖纜機收放繩過程中實現對纜繩的導纜作用。

2.2 拖纜機的液壓系統

該拖纜機的液壓系統主要由兩套獨立的主液壓泵站和一套伺服泵站組成，其中每套主液壓泵站包括兩臺型號HPD8-8的液壓泵和兩臺電機組成，分別獨立作用于兩套卷筒的液壓馬達。液壓系統提供的功能主要包括如下內容。

1)向主馬達提供動力并控制主馬達的旋向和轉速；

2)向排纜馬達提供動力及排纜控制；

3)制動器控制(上閘、松閘)、離合器控制和蓄能器應急備用；

4)張力控制和應急釋放控制，補油放油功能，斷電保護和檢測保護。

2.3 拖纜機的電控系統

電控系統由駕控系統(含控制面板和駕控PLC單元)、觸摸屏、機旁控制系統(含機旁控制面板和機旁I/O單元)、泵站I/O單元、拖纜機主機I/O單元、油泵電機起動器組成。主要用來實現拖纜機的控制、監測和報警等功能[7]。

3 拖纜機檢驗要點分析

3.1 制造檢驗過程中主要部件的控制要點

3.1.1 滾筒裝置檢驗控制要點

1)對于上滾筒，在裝焊時要保證軸1、軸2與側板的同軸度不超過1 mm;筒體與兩側板及剎車輪緣的同心度小于2 mm;筒體與兩側板垂直度小于1.5 mm;滾筒兩側板開檔尺寸的誤差在0～+3 mm之間。焊接成型后要求整體退火，同時焊縫要進行超聲波探傷。該軸承為FAG標準滾動軸承,其軸承位尺寸控制應重點關注。

2)低速大齒輪焊接前大齒圈必須按工藝要求進行預熱，焊接后要整體退火處理，在加工時以幅板為粗基準校正，保證幅板跳動量在 3 mm以內。

3)下滾筒除關注以上要求外，還須注意主軸與K76錨鏈輪和K84錨鏈輪的裝配問題。

3.1.2 驅動部件檢驗控制要點

1)驅動軸原材料為鍛件，關注材質證書和探傷報告，調質后按照圖紙要求進行性能試驗，半精車之后先進行超聲波探傷，在進行精車加工時注意保證軸承位的同軸度和圓柱度，兩處安裝離合器的方在同一平面上。

2)高速大齒輪的齒圈在焊前采取整體預熱的方式進行預熱，焊后整體退火處理。齒輪加工時，以幅板為粗基準，保證幅板跳動量在1.5 mm以內，同時保證輪轂內孔與齒圈外圓的同軸度、內孔與基準面垂直度要求。

3)離合器小齒輪關注齒輪內孔與嚙合圓直徑的同軸度、內孔與基準面垂直度要求。

離合器在加工端面凹槽時上數控銑床保證角度93°、87°。內孔雙鍵用線切割的方法加工，鍵槽寬度方向留余量0.3 mm，與鍵配磨。

4)高速小齒輪在加工時應注意保證小齒輪內孔錐面的角度正確性，滾齒時與高速大齒輪用同一把刀滾齒，以此保證兩者在裝配之后的良好嚙合。

3.1.3 制動裝置檢驗控制要點

剎車帶半徑R誤差范圍為0～2 mm；焊接時注意2個耳板焊接變形量要按圖紙的技術要求控制在0.5 mm以內；保證在頭部位置與剎車輪緣有約4 mm間隙；連桿在機加工時要注意圖紙標識的角度尺寸，上、下滾筒的連桿內方偏角角度不同；剎車油缸的工作壓力要保證能提供理論要求的剎車力。

機架外形尺寸7 300 mm×5 400 mm×2 700 mm，焊縫需100%UT探傷，焊后退火去應力處理。機架的軸承座對同軸度要求及尺寸公差要求精度很高，需重點關注。馬達安裝面寬約900 mm，距機架上平面約1 400 mm，需在鏜床上重新校正進行加工。

3.2 裝配檢驗過程中的典型故障問題分析

3.2.1 機架組件

馬達與高速大齒輪間隙調整好后，所配孔與機架立板距離太近，經分析，發現圖紙上存在設計影響操作的問題，加上結構件焊接存在變形，無法加工孔或安裝螺栓，后對立板進行氧割并打磨才將問題解決。

3.2.2 驅動部分

離合器桿銷與油缸耳板孔尺寸不相配；離合器控制桿Ⅰ正常操作時與離合器控制桿Ⅱ中止推塊相干涉；離合器控制桿Ⅰ正常操作時與滑脂嘴相干涉；由于焊縫的干涉，離合器桿Ⅰ無法裝配在機架上。以上現象主要原因是圖紙設計及結構件焊接存在問題，未考慮離合器桿實際使用情況。后經過車銅套并冷套進油缸耳板孔中，保證了裝配間隙；將止推塊長度加工掉25 mm，保證離合器控制桿Ⅰ正常操作；將離合器桿外形尺寸加大及離合器桿銷加長，保證使用時滑脂嘴均在離合器桿內部；將離合器控制桿I裝配孔下移10 mm，避開焊縫位置。

綜合以上問題，建議修改離合器油缸技術要求，保證與銷裝配尺寸正確，充分考慮結構件裝配誤差及使用情況，修改止推塊及離合器桿Ⅰ圖紙上尺寸及位置。

2013－2017 年，我院ICU需使用萬古霉素進行抗感染治療的老年患者共959例，其中行血藥濃度監測的有237例（占24.7%）。這237例患者中，男性133例，女性104例；平均年齡（71.2±7.9）歲；均合并腫瘤、心功能不全等疾??；肺部感染98例，血行感染87例，腹腔感染53例，中樞神經系統感染40例（同一患者可能存在多個部位感染，故合計值＞237）；腎功能正常者135例，異常者102例；使用萬古霉素的平均療程為（10.9±7.8）d。

3.2.3 剎車部分

1)剎車帶裝配檢驗時發現剎車帶相對剎車輪緣扭曲，最大凸出剎車輪緣約20 mm，將其拆下復查，發現其直徑120 mm銷孔平面與帶身平面傾斜約5 mm。該問題屬于焊接質量控制不嚴。要求先將其耳板刨掉，再以銷孔為中心校正重新焊接帶身。

2)連桿本體與耳板焊接角度不對，造成剎車油缸焊接位置與設計要求偏差太遠。先將耳板刨掉，重新下料制作耳板；以連桿本體中心為基準劃線，重新焊接耳板；最后上鏜床加工耳板孔，后重新裝配，達到要求。

3.2.4 排纜器組件

在對排纜器裝配檢驗時，發現排纜器的鏈條長度偏長，導致排纜器裝配后鏈條與齒輪罩相碰。后按照圖紙要求重新調整齒輪，并在排纜器安裝底板上增加墊板，問題得以解決。

3.2.5 主泵裝配

在主泵裝配檢驗中，調整彈性聯軸節與泵的同軸度，多次調整均無法滿足設計要求。彈性聯軸節與泵同軸度設計要求0.10 mm，實際安裝是先將彈性聯軸節裝于泵軸上單鍵連接，接觸面為具有彈性的橡膠面，同軸度的可調范圍為0.3～0.5 mm，再由8件銷軸固定彈性聯軸節和分動箱的機械脹套。經分析得知，設計所要求的同軸度為0.10 mm 是針對剛性連接的聯軸節，而非彈性聯軸節。

3.3 試驗檢驗過程中的典型故障問題分析

3.3.1 齒輪嚙合噪聲問題

拖纜機在高速運轉時噪聲過大且嚙合聲音不連續，經目測發現驅動軸存在徑向偏擺，并且大小齒輪靠近根部還有強接觸痕跡。分析現場試驗過程，造成噪音過大的原因可能是驅動軸存在軸向跳動，齒輪嚙合間隙過小。為此，進行如下檢查。

1)檢查驅動軸Ⅰ及驅動軸Ⅱ在機座上的跳動。若跳動過大，可能是安裝軸承的軸向擋圈與軸承內圈間隙過大，造成軸承徑向游隙過大，高速運轉時軸承內圈相對外圈有左右偏擺(假定軸的同軸度與機座的同軸度滿足圖紙設計要求)，就需要重新拆裝驅動軸。具體的操作為：拆除齒輪罩組件Ⅰ，拆下驅動軸Ⅰ上的軸用擋圈Ⅰ，將百分表座放到橫梁上，表頭放在驅動軸Ⅰ上，緩慢轉動驅動軸Ⅰ，檢查軸的外圓跳動，并作詳細記錄，然后逐步提高轉速，看百分表指針讀數的變化。用同樣的方法對驅動軸Ⅱ的跳動進行檢查。結果顯示，百分表檢查驅動軸跳動約為0.08 mm，符合設計要求。由此也得知，噪聲問題不是因驅動軸在基座上的跳動引起。

2)檢查兩對齒輪的間隙。檢查高速小齒輪與高速大齒輪的間隙，將齒輪用油清洗干凈，在齒向1/3及2/3處各壓一條鉛絲，緩慢轉動齒輪。檢查每對齒輪的間隙合及相同個齒的平行度誤差。低速小齒輪與低速大齒輪的間隙檢查同上。結果顯示，高速小齒輪與高速大齒輪嚙合間隙過小，通過拔掉馬達和軸承架上定位銷，松開連接螺栓，取出裝配前安放的調整墊板，將每塊調整墊板厚度加工去1.5 mm，使齒隙增大約0.5 mm。調整后重新高速運轉，嚙合噪聲已經有很大的改善。用分貝儀在靠近液壓泵處(此處為最大噪聲處)測量，滿足規范要求。

3.3.2 液壓管路漏油問題

拖纜機的液壓管路在工作中受到持續變化的沖擊載荷，是拖纜機的薄弱環節和潛在問題多發點[3]。拖纜機聯調試驗檢驗過程中，伺服泵站液壓管路多次發生不同程度的漏油，甚至鋼管與管接頭脫節，整個過程多次發生這個問題，主要漏油和脫節的部位為卡套式接頭與不銹鋼管的聯接處。

經現場分析，拖纜機伺服系統部分在液壓配管時選用卡套式接頭，而該公司在以往設計常規船品液壓管路時，鋼管部分大多采用焊接式接頭，缺乏卡套式接頭的應用經驗，而該伺服液壓系統的工作壓力為高壓21 MPa，重新采用無縫鋼管焊接連接的方法，并經RT探傷合格后重新試驗，未出現漏油現象。

3.3.3 馬達同步問題

該拖纜機是由一組遙控閥組同時控制兩個液壓馬達進行操作，兩臺液壓馬達同時同步為一個滾筒提供動力，圖5所示為拖纜機液壓馬達布置。

圖5 拖纜機液壓馬達布置

將1#、2#馬達簡稱上滾筒馬達，3#、4#馬達簡稱下滾筒馬達。由于兩個馬達在加工工藝和裝配工藝等方面存在差異，要求遙控閥組同時傳遞給兩個馬達的壓力具有一定的準確性、及時性和一致性。在初始的試驗中，沒有采用如圖3所示的用增加連桿的方式來同步控制馬達，液壓馬達無法同時提供滾筒最大力矩，因此試驗中無法滿足試驗的要求。具體試驗過程如下。

1)不安裝手柄連桿時測量電流與馬達手柄偏離中位角度，放繩測量曲線，見圖6。此曲線是在反向增加200 mA的電流基礎上進行測試的，出口壓力值穩定在1.3 MPa。

圖6 拖纜機液壓馬達無同步連桿放繩曲線

2)將1#、2#馬達手柄掛上，并用馬達連接桿連接起來，重新測試1#、2#馬達，放繩曲線見圖7。

圖7 拖纜機液壓馬達有同步連桿放繩曲線

經過對兩液壓馬達采用同步連桿進行試驗的對比，證明安裝連桿時手柄隨電流反應的靈敏度比不安裝時高，證明拖纜機液壓馬達在如圖3所示的馬達連桿的作用下的動作才具有更高的同步性。

[1] 彭江豐.拖纜機的研究[J].船舶,2004(1):18-20.

[2] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社,2009.

[3] 吳 俊，徐 兵，王榮軍，等.拖纜機液壓主系統回路故障模式及硬性分析[J].船海工程,2011，40(1)：9-11.