臍帶纜鋪設中張緊器總體方案設計

廖洪千 李懷亮 劉 軍 王立權 鞠 明

（1.哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150001；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

由于海洋開發起步較晚，技術相對落后，深水臍帶纜安裝系統在我國仍處于空白階段。因此，在引進國外設備的同時，消化吸收國外的先進技術，為我所用，并與我國實際情況相結合，研制出具有自主知識產權的產品具有重要實際意義［1］。張緊器在臍帶纜安裝過程中扮演著重要的角色，其主要作用是夾持并勻速收放臍帶纜［1－2］，即使在風浪等外界干擾下張緊器仍能提供恒定的張力，保證臍帶纜的安全性，防止作業管線由于超過許用應力受到破壞或因為張緊器張力變化而產生屈曲變形［3－4］。

本文通過對張緊器性能的具體研究，提出了一種適用于臍帶纜鋪設的張緊器結構總體設計方案，并對其主要部件進行了詳細的結構設計，最后給出了張緊器液壓系統設計方案和控制系統總體方案。

1 結構總體方案

通過研究國外相關產品和論文之后，確定了張緊器的總體方案，其主要包括夾緊系統、履帶系統、驅動系統、可開合式框架、測量系統、控制系統等六部分［2］。

夾緊機構由對稱布置的液壓缸組成，通過液壓缸施加壓力，將臍帶纜夾持在張緊器中心［2］。履帶系統是由鏈軌節首尾連接而組成的一個密封式機構，鏈軌節的連接通常采用銷軸和銷套的方式。驅動系統由三相異步電機和轉殼式行星齒輪減速器組成，并帶動驅動輪轉動以實現臍帶纜的收放作業。履帶系統位于可開合式框架內部，可開合式框架能夠為履帶系統的運動提供導向。張緊器的角度調整底座可以通過焊接等方式固定在鋪管船甲板上的指定位置，通過角度調整機構可實現履帶系統角度在一個較小范圍內進行調整。力傳感器可測量張緊器的張力，為控制系統的工作提供數據，實現張緊器的恒張力控制，從而保證臍帶纜的安全性。經過分析研究，確定了四履帶張緊器總體結構方案，如圖1所示。

2 關鍵部件

2.1 履帶靴和鏈軌節

張緊器履帶是組合式履帶，由履帶板、鏈軌節、履帶銷和銷套組成。履帶靴的主要作用是夾持管道，提供一定的摩擦力，從而使得張緊器為鋪設中的臍帶纜提供張力，并且要求履帶靴不能對臍帶纜造成任何損壞。聚氨酯彈性體材料具有良好的綜合機械性能，摩擦磨損性優良，因此采用聚氨酯作為履帶靴的材料。根據張緊器的作業要求，鏈軌節需具有足夠的抗拉和抗壓強度，且軌面應具有良好的耐磨性［5］。履帶靴和鏈軌節裝配圖如圖2所示。

圖1 張緊器總體結構

圖2 鏈軌節與履帶靴裝配圖

2.2 驅動輪系統

根據張緊器鋪設臍帶纜的特點，采用驅動鏈輪與張緊器鋪設臍帶纜方向相反的位置布置。張緊器驅動輪系統采用齒塊拼合式驅動鏈輪，使用方便，且可以隨時更換。工作時，驅動鏈輪輪齒將會受到履帶銷套的彎曲壓應力，且輪齒與銷套之間存在磨料磨損，故驅動鏈輪的材料采用鑄鋼齒面中頻淬火。驅動輪系統裝配圖如圖3所示。

圖3 驅動輪系統裝配圖

2.3 引導輪系統

引導輪系統的主要作用是引導履帶正確卷繞，同時利用引導輪系統的位置移動來調整履帶系統的張緊度。引導輪系統中的張緊裝置，一方面能夠防止由履帶松弛引起的振跳現象，減小由履帶振跳引起的沖擊載荷和額外功率的消耗，減緩履帶銷和銷套的磨損；另一方面能夠防止履帶過緊，減小引導輪軸承中的摩擦力，減緩履帶銷和銷套的磨損。引導輪系統裝配圖如圖4所示。

圖4 引導輪系統裝配圖

2.4 支重輪

懸掛系統中的支重輪是用來支撐履帶以及工作時負載的，當履帶滾動并夾持管道時，能夠防止履帶因產生橫向位移而脫軌，且支重輪能夠承受較大的沖擊載荷。由此需要支重輪具有可靠的密封性能、良好的耐磨性、足夠小的滾動阻力系數，所選個數和布置方式應有利于使履帶接地比壓分布均勻。支重輪裝配圖如圖5所示。

圖5 支重輪裝配圖

3 液壓系統工作原理

張緊器的液壓系統主要有兩個功能：一是通過控制液壓缸推動活動部件運動，完成張緊器的開合和鎖定、履帶位置和角度調整等動作，這是液壓系統的輔助功能；二是利用液壓缸使履帶能夠夾緊管線并保持恒定的壓力，確保工作時管線與張緊器履帶之間始終不發生相對滑動，這是張緊器液壓系統的主要功能。

張緊器的液壓系統主要包括履帶位置調整及夾緊系統、履帶懸浮系統、張緊器傾角調整系統、開合系統、液壓插銷、安全制動系統六部分，通過位置、壓力傳感器對張緊器進行實時監控以保證張緊器各系統能夠以最佳狀態工作。液壓系統工作原理如圖6所示。

4 控制系統總體方案設計

4.1 設計要求

圖6 液壓系統原理框圖

設計壽命應不少于25 年，達不到25 年的部件應指定備件。控制臺的位置必須使操作者能觀察到主要作業區域。設備結構件要求設置單獨的底座，以方便可能的多次固定和移動，設備自底座向上1.5 m 要求水密，施工船甲板允許承重5ton/m2。設備作業中不應損壞臍帶纜的外保護層。需做防腐處理的部件應先清潔，按SA2.5等級噴砂處理，并嚴格按照油漆制造商的要求進行噴涂。

臍帶纜安裝系統具備三個工作狀態：（1）張緊器與滾筒驅動裝置協同工作完成臍帶纜的鋪設，張緊器通過控制上下履帶對纜線的夾緊力和履帶的正反向驅動，自動實現恒張力條件下纜線沿船舶航跡鋪設。（2）張緊器與A/R絞車協同放纜作業，在臍帶纜鋪設過程進入尾聲時，張緊器夾持著纜線，維持纜線的張力。隨著張緊器施加于纜線上的張緊力減小，A/R 絞車依據張緊器張力信息自動控制纜繩的拉力逐漸增大，直到拉力全部由A/R絞車承受，張緊器的履帶張開，纜線在基本保持恒張力的狀態下入水。（3）張緊器、滾筒驅動頂升裝置與A/R絞車協同收纜作業。根據張緊器使用要求，其控制系統功能區塊劃分如圖7所示。

圖7 控制系統功能區塊劃分

4.2 控制方案

張緊器履帶由電機驅動，其開合方式由雙動力液壓源控制。張緊器采用手動和自動并行的控制模式，當張緊器出現失效時能夠進行失效剎車保護。張緊器控制系統主要包括履帶驅動系統、夾緊系統、履帶開合系統、BOP調節、懸浮系統、液壓動力單元、±3°角調節系統等功能塊。除此之外，張緊器系統采用主從冗余框架結構，框架內有任一CPU 出現故障，都能保障系統繼續運行，且可在運行狀態下進行維修。采用遠程I/O 控制，且遠程I/O 電源冗余，保障了遠程I/O 的系統電源供應。履帶驅動變頻器設計在EtherNet/IP網絡內，可滿足時間要求的苛刻性，且簡化了系統硬件連線。液壓泵站變頻器架設于EtherNet/IP網絡內，實現了更可靠的控制，亦簡化了系統連線。履帶驅動變頻電機通過EtherNet/IP實現與PLC CPU 通訊，通訊速率更高，動作反應更快，分別采用本地控制和遠程控制。控制系統架構如圖8所示。

圖8 控制系統架構

5 結語

本文針對深水臍帶纜鋪設的實際需要，獲得了所需張緊器的相關參數，在此基礎上，提出了一種適用于臍帶纜鋪設的張緊器結構總體設計方案。然后，對張緊器關鍵零部件進行了詳細的結構設計，其中包括履帶靴、鏈軌節、支重輪、驅動輪系統和引導輪系統。最后，給出了液壓系統設計方案和控制系統總體方案，為樣機的研制打下了基礎。

［1］孫晶晶，劉培林，段夢蘭，等.深水臍帶纜安裝技術發展現狀與趨勢［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：1－5.

［2］孫亮，張仕民，林立，等.海洋鋪管船用張緊器的總體設計［J］.石油機械，2008，36（8）：36－38.

［3］Dieumegard C，Fellows P.Installation of metallic tube umbilicals in 3 000 meters water［C］//Offshore Technology Conference，Houston，2003.

［4］張俊亮，王曉波，林立，等.鋪管船用張緊器張緊系統分析［J］.石油機械，2008，36（9）：167－169.

［5］閆清東，張連第，趙毓芹，等.坦克構造與設計（下冊）［M］.北京：北京理工大學出版社，2007.