船用制動器在海洋工程領域的應用研究

付萬里，謝松蓮，顧 炳

（中國船舶重工集團第七〇四研究所，上海 200031）

船用制動器在海洋工程領域的應用研究

付萬里，謝松蓮，顧 炳

（中國船舶重工集團第七〇四研究所，上海 200031）

船用制動器在海洋工程領域應用非常廣泛。本文主要論述幾種船用制動器在深水鉆井平臺、工程船上的功能作用、結構形式、工作特性和選型計算，并結合實際情況詳細論述低速帶式制動器、高速盤式制動器、水冷制動器、液壓多片制動器、電機電磁制動器和液力制動器，幫助廣大機械設計工程師深刻了解制動領域。

帶式制動器；盤式制動器；液力制動器；海洋工程

0 引言

船用制動器廣泛應用于各類船舶和海工設備中，是一些核心設備的重要零部件。海上石油平臺錨泊定位系統中的錨機或絞車配置了幾種制動器，比如滾筒或鏈輪的低速帶式制動器、電機高速盤式制動器和液力制動器。近海三用工作船拖纜機中，低速帶式制動器作為主要制動設備，在拖帶和起拋錨作業中非常重要。淺水鋪管船中，鋪管作業主要依靠布置在船四周的8至12臺移船定位錨絞機，在錨絞車中有滾筒低速制動器、棘輪制動器、高速盤式制動器和水冷制動器。同樣作為鋪管船上重要設備的托管架調整絞車中，帶式制動器和液壓多片制動器也有廣泛應用。

1 常見的幾種制動器的功能作用、結構形式和選型計算

帶式制動器、盤式制動器、水冷制動器、液壓多片制動器、電磁制動器和液力制動器等，雖然都具有制動能力，但在用途布置形式上有很大差別。下面具體論述幾種制動器。

1.1 低速制動器

低速制動器主要用于執行機構上，在甲板機械中最常見的低速制動器是帶式制動器。帶式制動器常常承受支持負載，主要用于滾筒或錨鏈輪上，具有包角大、制動力矩大、結構緊湊的優點，但也存在制動輪軸承受彎曲應力，制動帶壓強分布不均，摩擦因數受環境影響較大的缺點[1]。

如圖1所示，帶式制動器一般由剎車片、剎車帶、杠桿機構、拉桿和液壓油缸組成。一般帶式制動器采用液壓油缸作為驅動機構，液壓油缸有雙作用缸和單作用缸。在三用工作船拖纜機中，經常采用雙作用油缸，但為了保持長期制動時液壓力，在液壓系統中需要配置蓄能器。在平臺和船舶的定位絞車或錨機中，一般采用單作用油缸，彈簧力提供制動器所需制動力，液壓油提供制動器釋放時克服彈簧力。為了保證平臺長期系泊時的安全，深水定位錨機或絞車采用兩副帶式制動器，而拖纜機、托管架絞車、鋪管船移船定位絞車只配置一副。

圖1 帶式制動器

帶式制動器的制動能力與剎車片的許用比壓和摩擦因數有關，摩擦因數和許用比壓越大，制動能力越強。帶式制動器的制動力矩與支持負載和作用層數有關，而支持負載與鋼絲繩最小破斷力有關，作用層數為第一層或中間層。

制動力矩T計算公式：

式中：T為制動力矩，Nmm；Ft為支持負載，N；p為支持負載所在作用層數節徑，mm；MBL為纜索最小破斷力，N；k支持負載系數，具體取值見表1。

表1 取值表

圓周力F計算公式：

式中：F為圓周力，N；D為制動輪直徑，mm。繞入端張力F1計算公式[2]：

式中：F1為制動片繞入端張力，N；μ為制動片與制動輪之間靜摩擦因數；α為制動片包角，一般選取250°～270°。

最大壓強Pmax計算公式：

式中：Pmax為制動帶在繞入端起始位置最大比壓，Mpa；Pp為制動帶許用比壓，Mpa。

根據以上公式，我們可以計算出制動輪直徑D和制動片寬度b，根據此兩項參數可以初步選取合適的帶式制動器，然后再校驗選取的制動器制動力矩是否滿足要求。

1.2 高速制動器

高速制動器主要用于原動機上，特種甲板機械上最常用的高速制動器時盤式制動器、電磁制動器、液壓制動器。其中盤式制動器用于電機輸出軸端，液壓多片制動器主要用于液壓馬達輸出軸端，電磁制動器用在電機軸尾部。高速制動器主要承受堵轉負載，并在緊急制動時剎住電動機或液壓馬達的慣性。

1.2.1 盤式制動器

盤式制動器工作表面為制動盤的兩側面，其摩擦副由制動盤和制動塊組成，沿制動盤軸向施加制動力，制動軸不受彎矩作用，徑向尺寸小，制動性能穩定，適用于制動頻繁，環境惡劣的場合。但盤式制動器也存在制動比壓大、制動塊材質要求高、價格貴的缺點。

如圖2所示，盤式制動器一般由基架、制動襯墊、杠桿組件、電液推桿、調整機構組成。電液推桿通過電機啟動停止控制杠桿動作，制動襯墊在制動臂上，杠桿使制動襯墊剎緊聯軸器上的制動盤。盤式制動器一般放置在電機與減速機之間，有時單一布置，有時成對布置。盤式制動器的制動性能主要與制動襯墊的動摩擦因數μ和許用比壓Pp有關。盤式制動器的制動力矩與纜繩破斷力和作用層數有關。按照國家標準和船級社規范，高速制動器制動力為纜繩破斷力的50%。

圖2 盤式制動器

制動力矩T計算公式：

式中：T為制動力矩，Nmm；MBL為纜繩最小破斷力，N；Dp為纜繩作用層直徑，mm；i為原動機到工作機之間的總減速比。

制動時夾緊力F：

式中：F為制動時夾緊力，N；μ為制動襯墊動摩擦因數，一般取平均值0.4；d為制動盤計算摩擦直徑，mm；n為制動鉗數量。

由以上公式中的制動力矩T、制動盤計算直徑、夾緊力，我們可以選擇合適的盤式制動器。

1.2.2 電磁制動器

電磁制動器的轉矩是通過干摩擦面的摩擦產生，其電磁線圈常由DC 24/ 110V直流電控制。電磁制動器具有制動迅速、結構簡單、操作方便、重量輕的優點，適用于動作頻繁、閉合迅速的場合。但由于只有一副摩擦面，所以制動力矩較小，主要用于原動機上。

如圖3所示，電磁制動器由轉子、定子、線圈、摩擦襯墊、彈簧組成。轉子通過平鍵與電機軸相連，與電機軸一起旋轉，定子與電機底座相連，正常狀態下彈簧將摩擦盤與摩擦襯墊壓緊制動，當控制信號給出后，線圈通電吸附摩擦襯墊，制動器松閘。制動力與彈簧數量和彈簧力有關。

圖3 電磁制動器

制動力矩T計算公式：

式中：T為制動力矩，Nm；k為制動器安全系數，一般取1.5；P為電機額定功率，kW；n電機額定轉速，rpm。

電磁制動器作為普通的連接裝置使用時，只進行制動力矩計算即可。但具有大慣性矩J的機械，在啟動和停止或連接頻度較高情況下，還需計算摩擦熱和滑動時間。

摩擦熱E：

式中：E為摩擦熱，J；TN負載轉矩，Nm；J轉換到電機軸上的轉動慣量，kg*m2。滑動時間T：

由以上公式中的制動力矩T、摩擦熱、滑動時間，我們可以選擇合適的電磁制動器。

1.2.3 液壓多片制動器

液壓多片制動器制動原理與電磁制動器基本相同，制動彈簧壓緊多組摩擦片，產生制動力，通過液壓油缸產生的液壓力抵消彈簧力，使制動器釋放。液壓制動器結構緊湊，摩擦片面積大，制動扭矩大，但散熱條件較差，維修不方便。

如圖4所示，電磁制動器由轉子軸、定子、彈簧、摩擦盤、液壓釋放油缸組成。轉子軸一端通過內花鍵與液壓馬達軸相連，另一端通過外花鍵或平鍵與減速機相連，定子與馬達殼體相連。正常狀態下彈簧將摩擦盤與摩擦襯墊壓緊制動，當控制信號給出后，液壓油進入釋放油缸，推動活塞繼續壓緊彈簧，制動器松閘。制動力與彈簧數量和彈簧力有關。

圖4 液壓制動器

制動力矩T計算公式：

式中：T為制動力矩，Nmm；MBL纜繩最小破斷力，N；Dp為纜繩作用層直徑，mm；i原動機到工作機之間的總減速比。

制動時壓緊力F：

式中：F為制動時壓緊力，N；μ為制動襯墊動摩擦因數；Rv制動盤計算摩擦直徑，mm，Rv=(R+r)/2；z為摩擦面數量；R為摩擦盤外徑，mm；r為摩擦盤內徑，mm。

摩擦片比壓p：

最大比壓發生在ρ = r處

初始開啟壓力：

式中：ph為初始開啟壓力，Mpa；f為釋放油缸摩擦阻力，N，一般為制動壓緊力的3%左右；R1為釋放油缸外徑，mm；R2為釋放油缸內徑，mm。

1.3 動態制動器

動態制動器，主要用于持續打滑工況。動態制動器有兩種型式：一種為被動式的液力制動器，另一種為主動式水冷制動器。被動式液力力制動器常用于平臺錨泊定位系統或鉆井系統中，主要控制定位錨機拋錨或鉆機下放鉆具時的速度。主動式水冷阻尼制動器常用于船舶移動定位系統中，主要控制定位絞車滾筒的慣性和提供移動船舶時的恒張力。

1.3.1 液力制動器

液力制動器又稱為水剎車，是一種以水為介質的能量轉換裝置。在制動器工作過程中，機械能轉化為熱能并隨流體循環冷卻。它可以看成是一種蝸輪固定的液力耦合器，基本原理與之相同。

如圖5所示，液力制動器主要由轉子（泵輪）、定子（渦輪）、轉子軸及密封附件組成。定子和轉子上都有葉片且均勻分布，葉片與旋轉方向成一定角度。當轉子旋轉時，轉子葉片之間的水受離心力的作用，向偏離中心的方向運動并進入定子一片中，同時接近中心的水流被抽空形成負壓，于是定子中的水流重新流回，由此形成轉子和定制葉片之間的渦流循環。由轉子中的水流沖向定子形成的反作用力和定子中的水流重新沖向轉子形成的阻力構成了水剎車的制動力矩[3]。

圖5 液力制動器

制動力矩T計算公式：

式中：T為制動力矩，Nmm；F為工作負載，N；Dp為作用層直徑，mm。

消耗功率P：

式中：P為液力制動器消耗功率，kW；V為負載速度，m/*min。

傳動比i：

式中：i為負載與制動器之間的傳動比；n為制動器額定轉速，rpm。

冷卻水流量Q：

式中：Q為冷卻水流量，m3/h；ρ為冷卻水密度，kg/m3；C為冷卻水比熱容，J/(k*kg)；ΔΤ為進出口溫差，K，一般取44.5K；

根據消耗功率、傳動比、冷卻水流量等參數可以選用合適的水剎車用于輔助制動。

1.3.2 水冷制動器

水冷制動器通過氣囊或者活塞對摩擦盤產生壓緊力，調節氣囊或活塞的壓力大小可以使摩擦盤壓緊力成比例增大或縮小，從而使負載扭矩限定在設定的范圍之內。

如圖6所示，水冷制動器主要由定子、制動盤、轉子、氣囊或活塞等組成。制動器采用氣動控制，一般壓力為0.7MPa，冷卻由閉式或者開式冷卻系統持續流動的冷卻液完成。摩擦片采用銅板，有利于傳熱。

圖6 水冷阻尼制動器

水冷制動器選型主要依據是動態扭矩和熱容量，這兩個參數都不需要考慮安全系數。制動器額定扭矩是施加額定壓力時的扭矩，而制動器輸出扭矩之前要克服活塞或氣囊摩擦阻力和彈簧復位力，所以需要一定的開啟壓力Pp。不同制動器的開啟壓力見表2。

表2 水冷制動器的開啟壓力

式中：Te為實際制動力矩，Nm；Tr為額定制動力矩，Nm；Pp為開啟壓力，bar；Po額定壓力，bar。

散熱能力P：

實際制動扭矩Te：

式中：P為散熱功率，kW；Tr為額定制動力矩，Nm；n為最高滑動轉速，rpm。

冷卻水流量Q：

式中：Q為冷卻水流量，m3/h；ρ為冷卻水密度，kg/m3；C冷卻水比熱容J/(k*kg)；t2為冷卻出口溫度，K；t1為冷卻水進口溫度，K。

根據公式計算的制動扭矩、散熱能力、冷卻水流量，可以選定合適的剎車。

2 海洋工程領域的應用

隨著海洋油氣及附屬資源的開發，大型海洋工程設備越來越扮演著重要的角色。作為油氣開發的核心設備，半潛式平臺、起重鋪管船、鉆井船、三用工作船是我們現階段重點研究的對象。船用制動器作為甲板機械特種絞車和錨機的重要部件廣泛上述領域中。

在半潛式平臺中，一般在甲板上配置輻射狀8、10、12點深水定位錨機或者絞車。如圖7所示，在深水定位絞車中，在電機輸出端與齒輪箱輸入端使用帶制動盤的彈性聯軸器并配置盤式制動器，盤式制動器承受1.5倍的額定負載。在卷筒制動輪上配置低速帶式制動器并承受支持負載，支持負載為靜態負載。在傳動系統的齒輪箱上配置液力制動器（水剎車），用于控制拋錨速度，在選用液力制動器時，一般按照挪威船級社規范DNV-OS-E301中要求承受動態持續負載60MT，并且速度在1m/sec的情況下[4]。

圖7 深水定位絞車

在起重鋪管船中，船艏船尾的艙室中一般配置分布式8、10、12點移船定位絞車。如圖8所示，在移船定位絞車中，在電機輸出端配置盤式制動器，承受1.5倍的額定負載。在卷筒制動輪上配置帶式制動器承受支持負載。在傳動系統的齒輪箱上配置水冷制動器，用于提供鋪管船移動過程中的恒張力，保證鋪管船移位平穩。水冷制動器一般承受額定負載和速度，并可以通過調整氣壓，控制輸出扭矩從而控制纜繩張力。為了減少水冷制動器尺寸和重量，通常安裝與齒輪箱上，這樣可以降低扭矩。

圖8 移船定位絞車

在起重鋪管船船尾，為調整托管架幅度，實現不同管徑的S型鋪管，在船尾分別配置兩臺或者四臺托管架調整絞車。如圖9所示，在液壓馬達輸出端配置液壓多片制動器，承受1.5倍的額定負載，一般馬達與制動器采用花鍵或平鍵連接。在卷筒制動輪上配置帶式制動器承受支持負載。

圖9 托管架調整絞車

3 結束語

通過以上的論述，我們可以發現船用制動器在海洋工程領域的應用非常廣泛，詳細理解各種制動器的功能、原理、計算選型等指示，對我們的工程設計非常有幫助。

[1] 成大先. 機械設計手冊（第五版）第二卷[M]. 北京:化學工業出版社, 2007.11.

[2] 王強. 起錨機帶式制動器的設計計算[J].船舶工程, 2007, 29(6):78-79.

[3] 李文志. 大制動力可調水剎車的研制及應用[J]. 工業技術, 2013(3):106-107.

[4] DET NORSKE VERITAS AS.Offshore Standard DNV OS E301, Ch.2 Sec.4 Mooring Euipment, October 2013.

Research on Application of Marine Brake in Offshore Engineering

Fu Wan-Li, Xie Song-Lian, Gu Bing
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

The marine brake has very wide application in the offshore engineering field. The article mainly describes the function, effect, structure, working characteristic and design calculating of a few brakes used in deepwater drilling platforms and engineering vessels. It also introduces in detail the low speed band brake, high speed disc brake, water cooling brake, hydraulic multi-disc brake, motor electromagnetic brake and hydrodynamic brake, combining with actual conditions. The research is to help mechanical design engineers have a good knowledge of the brake field.

band brake; disc brake; hydrodynamic brake; offshore engineering

U664.6+9

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.009

付萬里（1986-），男，助理工程師，研究方向：海洋工程特種甲班機械。