三鏈輪深水定位電動錨機關鍵技術研究

顧 炳，胡曉東，俞志剛

（中船重工第704研究所，上海 200031）

0 引言

國家工信部《大型海洋工程設備深水定位系泊系統研制》項目主要任務是研制一套1500m水深并完全具有知識產權的半潛式鉆井平臺1:1的三鏈輪深水定位電動錨機樣機。

深水定位電動錨機較一般的船用錨機，其結構復雜、采用大功率變頻驅動、工作負載大（達到1/3錨鏈破斷負荷，剎車支持負載更是達到 100%錨鏈破斷負荷）、收錨速度快（可根據負載大小調整）、布錨（拋錨）速度控制要求高、配置張力/長度/速度等檢測。

1 錨機的主要組成

三鏈輪電動錨機由三套錨機本體裝置、一套傳動裝置、一套液壓泵站以及一套電控系統組成[1]。錨機主要組成見表1，結構布置見圖1。

2 錨機主要技術指標及功能

2.1 主要技術指標

1) 錨鏈直徑：Φ84(R5)，有檔系泊鏈；

2) 工作負載與速度：

(1) 齒輪箱低速檔：2694kN-9m/min，1200kN-18m/min；

(2) 齒輪箱高速檔：980kN-25m/min，430kN-50m/min；

3) 錨機過載：3367kN（～40%的錨鏈破斷負荷）；

4) 盤式制動器制動時負載：4200kN（～50%的錨鏈破斷負荷）；

5) 錨機支持負載：8418kN（錨鏈破斷負載）。

表1 三鏈輪臥式電動錨機組成

圖1 錨機總布置圖

2.2 錨機主要功能

錨機主要功能包括：錨泊定位時能調整錨；拋錨時能能夠快速拋出錨鏈；對錨索的預緊有非常高的拉緊力，帶有測力裝置，通過控制可調整錨鏈張力；航行或拖航時能應急錨泊；在緊急狀態下能應急釋放[2]。

動力起拋錨：平臺調整位置或平臺需要撤離時，錨機進行起拋錨作業。起拋錨過程中起，錨鏈的張力、長度、速度等信息實時顯示。

拋錨：深水定位錨機一般自帶錨鏈比較少，所以一般采用預拋錨的方式，拋錨時靠水冷剎車來控制錨鏈拋放速度。在遇到緊急情況需要停航時，拋1～2根錨鏈供平臺停泊使用，可通過帶式剎車控制錨鏈下放速度。

應急釋放：當平臺遭遇惡劣環境條件，錨鏈張力超過安裝設定值時或有失常船舶撞向平臺，具有應急釋放錨鏈功能，最終目的一般就是快速棄鏈。

3 錨機主要關鍵技術研究

3.1 錨機本體裝置結構研究

錨機本體裝置主要由錨鏈輪、主軸、小齒輪、大齒輪、制動輪、帶式剎車、基座支架等組成，如圖2所示。

基座支架采用鋼板焊接結構，大齒輪為焊接件，鏈輪和制動輪為鑄鋼件。鏈輪、制動輪和大齒輪三者通過傳動銷聯接成一剛體結構擱在主軸上。主軸采用兩點支撐，支撐在基座支架上。主軸只承受彎矩，不承受扭矩；主軸與鏈輪之間為緊配合連接，錨鏈輪旋轉時帶動主軸旋轉，通過測出主軸的轉速來測得放出錨鏈的長度和速度。傳動扭矩通過大小齒輪（z118/z285/m32）傳遞給錨鏈輪，同樣制動扭矩通過制動輪傳遞給錨鏈輪。帶式剎車為雙帶結構，套在制動輪上，由緊邊和松邊組成，安裝在基座支架上。帶式剎車結構采用彈簧制動，液壓松閘的型式。

基座支架鋼板焊接結構，強度和剛度好，重量相對輕。安裝開式小齒輪的基座和安裝帶式制動器的基座為全封閉焊接箱體，經過有限元分析計算，小齒輪處箱體采用20mm厚度鋼板，中間齒輪支撐處設有加強筋板；帶式剎車處承受載荷大，采用40mm厚度鋼板；基座支架兩側支撐采用整體式鋼板和筋板焊接。安裝主軸支撐支架采用對半式法蘭安裝，有利于錨鏈輪裝置的整體拆卸。

錨鏈輪采用五齒結構，作為重要的零部件，必須能承受很大的負載（尤其支持負載）。R5系泊鏈表面硬度達到HB345以上，錨鏈輪的齒廓表面硬度必須達到HB280-310。因此錨鏈輪主體材料采用低合金鑄鋼（ZG20Mn），具有良好的鑄造性、焊接性以及良好的綜合力學性能，整體調質處理。鏈輪與錨鏈嚙合處通常存在滑動，因此在嚙合處再焊一塊硬度較高的材料，選用20CrMnMoB或Q960D，熱處理表面硬度能達到HB320。

大齒輪和制動輪與錨鏈輪通過傳動銷傳遞扭矩，代替鍵的形式傳遞扭矩，這樣能大大降低軸的尺寸，而且軸支撐點靠近支架跨距相對較大，能降低軸的彎矩，提高軸的抗彎性能；同樣制動輪和錨鏈輪連為一體，錨機承受負載時主軸不承受扭矩，降低了制造難度，提高加工工藝的可行性。錨鏈輪裝置在加工裝配過程中以齒輪作為基準，制動輪與大齒輪之間的同軸度容易保證；主軸通孔可以一次完成加工，主軸同樣也一次完成加工。錨機受力后，錨鏈輪、制動輪與大齒輪同樣成為剛性整體，只承受剪切力，彎矩由主軸來承受，有利于提高整體剛度，縮小結構尺寸。

圖2 錨機本體裝置結構圖

3.2 拋錨速度控制研究

目前國內有拋錨速度控制的船用錨機，主要是通過液壓反饋式和電氣反饋式機械制動來實現的。液壓反饋式機械制動，拋錨時錨鏈輪裝置上的大齒輪通過帶動小齒輪增速帶動輔泵，從而產生較大制動力矩通過帶式剎車施加在鏈輪上，達到制動作用；當速度降低，泵出口壓力降低，剎車制動力降低，錨鏈速度上升。電氣反饋式機械制動，通過測速裝置測出錨鏈速度，反饋給電控系統調節剎車油缸的壓力，達到調節剎車制動力的作用，實現拋錨速度的自動控制。這兩種方式都靠帶式剎車制動，在長時間持續打滑工況下會導致剎車帶持續發熱，剎車墊磨損劇烈，產生的熱量不容易散發，并且整套調試困難，相當不穩定。

而定位錨機拋錨速度控制，關系到整個錨機設備正常工作的安全性。在拋錨過程中，萬一速度失控，將會導致設備或者平臺的嚴重損壞甚至造成人員的傷亡。所以僅配置傳統的帶式剎車機構來控制拋錨速度，難度大，且具有危險性。結合國內外的相關研究資料，一般平臺錨機采用水動力剎車進行拋錨速度控制。水動力剎車作為一種能持續提供足夠制動力并且安全可靠的制動器，來控制拋錨時產生的動負載，保證持續放出錨鏈。水動力剎車通過能量轉換原理，通入的冷卻水吸收拋錨產生的動能轉換成的熱能。水動力剎車由轉子和殼體組成。該剎車持續工作時間長、性能可靠、制動效果優良，拋錨時通入冷卻水，下放的錨鏈帶動水動力剎車轉子在殼體內旋轉，帶動冷卻水在殼體內流動，產生阻力和熱量；轉子轉速越快，產生的阻力越大，當與負載平衡時，就將拋錨速度控制住。通過冷卻水流量來控制制動力矩，當沒有冷卻水通入時，就不產生制動力矩。水動力剎車安裝在變速齒輪箱的低速中間軸上，一般在剎車冷卻水入口裝有水閥。經過計算選型，水冷剎車選用美國PARMAC公司的V-80型產品（D632255-X CCW），許用最高轉速為1550rpm，最大功率3728kW。

拋錨時齒輪箱處于空擋位置，帶式剎車松開，水冷剎車通入冷卻水，然后拋出錨鏈，隨著錨鏈移動速度增加，水冷剎車慢慢起作用。整個拋錨過程中，速度變化可以控制的穩定，變化比較平穩，對錨鏈的長度、速度和張力實時檢測；一旦發現有異常，帶式剎車可以立即制動。

3.3 大扭矩傳動裝置結構研究

傳動裝置必須正常平穩可靠工作，才能保證錨機整體的平穩工作，如圖3所示。

圖3 傳動裝置

經過計算，按工作額定負載下齒輪箱輸出軸扭矩400kNm，在保證公稱負載和起錨速度的條件下，齒輪箱作為傳動裝置中最主要的部件，必須能滿足負載的要求，齒輪箱立足國內自行研制，設計成四軸三級傳動，采用箱體式結構，分高速/低速/空三檔，高速檔傳動比為27.9，低速檔傳動比為77.4，輸出軸的額定扭矩按照要求為400kNm，最高輸出扭矩按照盤式制動器制動時產生的扭矩設計，為620kNm。

齒輪箱輸出軸是以空心低速軸帶鎖緊盤的方式來傳遞扭矩，取代普通的鍵連接，這種結構簡化了加工工藝、方便了安裝和拆卸，而且提高了軸的連接的剛性和機械軸的抗彎、抗扭能力，減少了輸出軸端的變形，同時正由于輸出軸與減速箱的分體，使得傳動裝置與兩側錨機本體裝置的裝配有一定的可調范圍。齒輪箱的空擋設在中間軸低速軸上，檔位的切換通過檔位控制裝置，該軸直接與水動力剎車相連接，錨機在拋錨時設在空擋位置，齒輪箱輸入軸此時不轉動。高/低速檔設在中間軸高速軸上，當在動力起/拋錨時，根據負載大小選擇檔位調整起/拋錨速度。齒輪箱用油浴方式潤滑，齒輪的大部分以及軸承都浸在潤滑油中。箱體為鋼板焊接結構，帶有一體的安裝地腳，便于安裝。

由于三套錨機之間距離大，為了便于加工和安裝，以及簡化軸的受力狀態（只承受扭矩，沒有彎矩），將傳動軸設計成分段結構——傳動軸和齒輪箱軸，短的齒輪箱軸和錨機本體裝置（CUR），長的傳動軸連接錨機本體裝置（CUL、CUL-I），兩軸通過花鍵連接套連接。傳動軸與每臺錨機的動力切換，通過離合器控制裝置實現。

3.4 大功率錨機變頻驅動裝置選型研究

錨機采用變頻驅動方式具有無級調速、調速范圍寬、調速精度高以及調速過程平穩等優點，同時可以實現錨機對錨鏈張力和收放速度的精確控制，顯著改善錨泊系統的運行性能。變頻驅動裝置包括大容量變頻器和變頻電機，需要與變速齒輪箱、錨機等設備協調運行以完成拋錨（含預張緊）、錨泊和收錨等各種復雜工況。同時，復雜的海洋環境、海洋工程平臺電網條件等對變頻驅動裝置提出了更多的要求。

變頻驅動裝置選型的好壞直接關系到錨泊定位系統性能的優劣，對錨機變頻驅動裝置的選型研究不僅僅是變頻器與變頻電機的簡單選型，而是對錨泊定位系統、變頻器和電機的性能、功能和運行要素的分析基礎上，對錨泊定位系統與變頻驅動裝置的集成運行和系統匹配的研究。通過對錨機起/拋錨工況的分析，變頻驅動裝置必須能與變速齒輪箱一體協調地工作。根據變速齒輪箱的運行與傳動特性，實現變頻驅動裝置與變速齒輪箱的最佳匹配，滿足錨機收放錨鏈的控制；同時滿足海洋平臺上，搖擺、沖擊、振動、潮濕、鹽霧和霉菌等惡劣環境條件。變頻驅動裝置一般直接與平臺電網相連，兼顧了電網、變頻器與電機之間的電壓匹配，還充分考慮錨機體積、成本、重量等多個因素。

經計算和選型，電機選用法國LEROY SOMER公司EMERSON產品（型號：6P FLS450LB 585kW B3 690VY 50Hz）。該電機外形及性能參數滿足總體要求，負載特性優良，轉速符合錨機使用特性，電制符合平臺電網要求，適合起重領域使用，相比傳統電機，效率降高、發熱、振動和噪聲低，主要技術參數如下：1）電機輸出轉速：980rpm～1960rpm；2）額定輸出扭矩：5700.8Nm；3）最大扭矩：12149Nm；4）額定輸出功率：585kW；5）工作制：S1；6）防護等級：IP56；7）絕緣等級：H；8）電制：三相AC 690V 50Hz。

變頻器采用12脈沖型式，把2套整流橋以移相變壓器供電，在電源中通過消除最低次的諧波來減少諧波畸變總量。選用芬蘭VACON公司NXC柜機產品，該變頻器諧波抑制能力能夠滿足定位平臺電網電能質量要求，柜機功率重載630kW，額定輸入電壓690V，防護等級IP44，另加主電路斷路器，附加的四個制動單元，每個單元88kW，阻值50?。變頻器采用風冷方式，整體滿足環境條件-10～40℃的工作要求。150%過載電流為975A(1min/10min)，最大電流為1170A。當電機過流時，變頻器系統發出報警信號，并可根據參數設置，關斷輸出。4臺電阻箱并聯后，總功率約為350kW，是變頻器額定功率的60%，符合變頻器制動的配比要求。在錨機系統運行時，通常情況下不進行急速剎車操作。當進行錨機剎車時，機械剎車裝置配合進行制動，可進一步有效減少制動電阻發熱功率。

3.5 剎車及離合器控制裝置結構研究

剎車和離合器控制裝置在本錨機中都實現自動化操作和控制，采用液控方式，使得剎車和離合器控制具備遠距離遙控的功能。

本錨機配備兩套獨立的動力靜載制動器，分別為每個錨鏈輪上的帶式制動器（雙帶，第一制動器）以及減速器輸入端的盤式傳動制動器（第二制動器）。帶式制動器能承受2×4209kN的拉力（單根剎車帶承受50%的錨鏈破斷負荷，雙帶承受錨鏈破斷負荷），盤式傳動制動器承受4200kN的靜負載（接近于50%的錨鏈破斷負荷）[3-4]。所有制動器都設計成F-Safe型形式，確保在失電情況或者故障情況下彈簧能立即自動制動。

帶式剎車的制動力矩很大，用普通的圓柱彈簧提供制動力其結構必然尺寸很大，受到安裝空間的限制，因此采用碟片式彈簧，產生彈力大，行程短。制動器油缸為雙腔進油，分為支持剎車和打開剎車，在應急情況下若碟簧產生的制動力不夠的情況下，安裝碟簧的一腔進油可以加大剎車制動力矩。在剎車鋼帶采用材料為D36，考慮到緊邊受力比較大，松邊受力相對小的情況，為了達到等強度的目的，緊邊鋼帶厚度適當加厚。剎車襯墊采用耐磨、耐熱、比壓強度高、摩擦系數相對高和穩定的材料。由于制動輪尺寸較大，并且受較大的彎曲作用力，制動帶的比壓和磨損不均勻，可以通過調整裝置拉緊緊邊，保證制動鋼帶內弧形摩擦片的貼合均勻性。所有剎車位置必須都帶有位置指示功能，由相應的位置傳感器檢測。通過計算，錨機在承受支持負載時，帶式制動器所有的受力零部件的應力不超過材料屈服極限的85%。

盤式制動器為集成件，為瑞典丹納產品（型號SKP 95-27），安裝在電機與齒輪箱之間，該型制動器主要特點是體積小、性能可靠、間隙調整方便、液壓控制彈簧制動，剎車開啟壓力為11.5MPa，配制動盤直徑為Φ600，盤式制動器所產生的最大扭矩達到8040Nm，滿足50%的錨鏈破斷負荷。

離合器裝置控制裝置撥動離合器，結構簡單，就油缸和撥桿撥組成，離合器到相應的位置后，都由相應的位置傳感器檢測位置。

考慮到所有的剎車和離合器都是液壓控制，而且所有的閥件都為電磁換向閥，因此液壓泵站配有應急電源（UPS），平時液壓泵站不啟動時，當在應急情況下剎車或離合器需要動作時，所有閥組由UPS直接供電，由蓄能器提供油壓動力。

3.6 大功率錨機電氣控制技術研究

電氣控制系統的核心內容是錨機系統進行實時控制、數據處理及實現與集控系統通訊。

1）錨機系統進行實時控制：錨機系統的控制對象涉及到大型變頻器控制器，PLC與變頻器之間采用模擬量控制、總線控制和信號給定控制三種方式，分析三種方式的適用環境，保證控制手段有效，提高系統相應的可靠性。

2）數據處理：對多路采集信號進行分析比較，實現執行策略的優化。

3）集控系統通訊：通過RS485、RS422和工業以太網與集控中心進行多總線數據通訊，實現可靠傳輸，對通訊效果進行比較研究。錨機電控系統原理圖和控制框圖見圖4和圖5。

圖4 錨機電控系統原理圖

圖5 錨機電控系統控制框圖

安裝在電氣控制箱內的PLC系統由一臺S7300 CPU314C-2DP和開關量模塊、模擬量模塊FM350編碼器計數模塊組成，主要控制程序包括：變頻器控制程序、液壓泵站控制程序、錨鏈張力采集程序、編碼器采集程序、通訊程序、系統聯動控制程序、顯示處理程序以及液晶屏WINCC組態等。該PLC系統是錨機控制系統的主站，通過 PROFIBUS-DP連接液壓泵站、現場控制盤和變頻器驅動器，實現系統集成控制。同時液壓泵站有獨立的電控柜，在分系統調試時，使用電控柜操作面板上可對所有的液壓執行部件進行控制。當將控制權限切換到上級的中央控制方式時，可以通過中央集控操作臺，對所有定位錨機進行集中控制操作。

在PLC上電后首先通過PROFIBUS-DB連接線檢測連接主站和從站的工作狀態，在連接正常進入運行狀態（若連接異常時，依照PLC系統發出報警信號和提示故障信息及時處理）。系統診斷模塊對通訊狀態進行檢測，系統運行后，實時進行FROFIBUS數據交換和共享 PLC功能檢測模塊對系統的初始狀態進行檢測，當狀態正常時，進入系統工作準備狀態；當發現異常時，檢測程序發出報警信號，等待對報警狀態進行處理。

電氣控制箱上有一組控制按鈕和指示燈，用于系統調試使用，操作這些按鈕可以對變頻器進行控制。正常情況下對錨機的操作在現場控制盤上完成，實現對錨機的全功能控制，并具有狀態檢測功能，實時發出報警信息。通過面板上的液晶屏幕實時顯示錨機的工作狀態，電壓、電流、功率等電氣參數；液壓系統的壓力、溫度、液位等液控參數；水溫、水壓等冷卻水系統參數。

3.7 錨機制造和裝配工藝技術研究

錨機主要零部件的制造和整體裝配工藝是否經濟、合理，對錨機整體性能具有重要的意義。

由于錨機基座部分采用Q690低合金高強度鋼板，在焊接工藝上充分做到以下工藝措施：板材切割面氧化渣清除干凈，坡口兩側50mm范圍嚴格去水、油以及銹等雜質。焊前預熱并保證預熱溫度，采用小的熱輸入，減少高溫區停留時間防止熱影響區脆化；焊后熱處理，消除殘余應力，改善組織和力學性能；處理后焊縫表面打磨清理干凈；同時焊絲進行脫脂，保護氣體必須干燥處理[5]。

錨機基座支架作為焊接件，焊接板件數量比較多，因此焊接過程中各部件的焊接順序、焊縫的型式等都經過仔細研究，總體是點焊后保證主要尺寸后再進行全焊，要控制焊接變形，盡量降低焊接應力，焊接后對焊縫進行檢測。去除應力消除殘余變形后再進行機加工，尤其是軸承孔、主軸孔和小齒輪孔等，在同一基準的情況下統一加工，這樣保證相互之間的位置精度要求。

大齒輪的齒圈、輻板、輪轂之間采用焊接方式；由于齒輪模數比較大，為了保證調質層完全進入齒根部，齒圈鍛打后先進行齒面粗滾，然后進行調質處理，再與輻板、輪轂焊接，再進行去應力處理，最后進行齒面精滾和磨齒加工。制動輪、錨鏈輪和大齒輪徑向定位安裝后點焊在一起，然后再一起配作擴傳動銷的孔，包括定位銷；最后在大型機床上加工安裝主軸的通孔。

齒輪箱軸和傳動軸相對比較長，軸徑也比較大，同樣為了保證調質層完全進入到軸芯部，在不影響強度的前提下，軸中心鉆Φ80的通孔，此孔作為工藝孔，精度要求不高，避免產生應力集中即可；然后再進行調質處理和機加工，最后在數控機床上完成各矩形花鍵的加工。

每個錨機本體裝置裝配完成后，再進行整機裝配。由于三個錨機本體裝置之間距離較大，因此裝配過程中要保證之間的位置精度要求。首先安裝齒輪箱，以此作為裝配基準，再安裝中間錨機（CUL-I）和傳動軸，然后再以齒輪箱軸為基準安裝右側錨機本體裝置（CUR）和左側錨機本體裝置（CUL），保證齒輪箱軸與小齒輪之間的同軸度要求。安裝過程中同軸度的精度可以用激光儀檢測，同時不能破壞齒輪傳動，離合器控制裝置能先調低或拆卸下來；其次齒輪箱和錨機本體裝置安裝過程中一旦安裝調整到位后要適當緊固起來避免安裝其它部件時受到碰撞發生移位，但不要完全緊固以備需要進一步的精調，最后必須保證各離合器在相應的位置上可以順利滑動。

圖6 錨機總裝圖

4 錨機試驗驗證

錨機整機試驗分兩個部分，一是錨機本體裝置靜載試驗，二是錨機整機負載試驗。

圖7 靜載試驗及CCS試驗證書

錨機本體裝置按照CCS認可的《技術要求》和《試驗大綱》進行了帶式剎車試驗和支持負載試驗試驗，單根帶式剎車負載為4209kN，支持負載為7150kN，如圖7所示。將錨機本體裝置安裝在安裝支架上并套上錨鏈，錨鏈一端繞過錨鏈輪垂向地面，另一端與油缸加載裝置相連，通過逐級加油使加載油缸頂在支架底板上產生所需推力。試驗結果表明錨機主體結構設計滿足強度要求。

受試驗場地限制，整機試驗時在錨機試驗臺架上只安裝了一套錨機本體裝置（CUR）和傳動裝置，如圖8所示。按照CCS認可的《技術要求》和《試驗大綱》進行試驗，主要試驗內容有：1）空載試驗；2）負載試驗；3）錨機堵轉過載試驗；4）應急釋放功能試驗；5）剎車試驗。通過試驗表明錨機主要性能指標滿足設計要求。

圖8 整機試驗及CCS試驗證書

由于工廠試驗臺架的最大有效提升負載最大為200t，因此錨機負載試驗按以下參數試驗：

齒輪箱低速檔：1200kN-18m/min和1950kN-12m/min

齒輪箱高速檔：430kN-50m/min和980kN-25m/min

5 結語

錨機作為深水定位系泊系統中關鍵的設備，在整個系泊定位系統國產化研究中有多項關鍵技術需要解決。本文通過對三鏈輪臥式深水定位電動錨機的組成和功能原理分析，解決并掌握了錨機本體裝置結構研究、拋錨速度控制研究、大扭矩傳動裝置結構研究、大功率錨機變頻驅動裝置選型研究、剎車及離合器控制裝置結構研究、大功率錨機電氣控制技術研究、錨機制造和裝配工藝技術研究等七項關鍵技術，并通過了試驗驗證，為后續進一步開發深水定位系泊系統打下基礎，希望以此不斷積累經驗，最終實現國內具備承接深水定位系泊設備成套的能力。

[1]顧炳.深水定位錨泊系統關鍵設備研究[C].中國國際海事會展高級海事論壇論文集, 2011.

[2]API RP2SK, Design and Analysis of Stationkeeping System for Floating Structures, Third Edition, October 2005.

[3]DNV-OS-E301, Position Mooring，2013.10.

[4]ISO 9089-1989, 海上結構物-移動式近海裝置-錨絞車.

[5]張衛群.Q690低合金高強度鋼的焊接工藝分析.金屬加工, 2008(22):52-53.