浮式起重船電動(dòng)拖拉絞車恒張力試驗(yàn)方案研究

王東升，王　偉，鹿棟梁，陳建文海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

浮式起重船電動(dòng)拖拉絞車恒張力試驗(yàn)方案研究

王東升，王偉，鹿棟梁，陳建文
海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

電動(dòng)拖拉絞車恒張力控制具有保護(hù)絞車和鋼絲繩，防止過(guò)載等優(yōu)點(diǎn)。以國(guó)內(nèi)某浮式起重船船尾處的4臺(tái)電動(dòng)拖拉絞車為研究對(duì)象，測(cè)試恒張力控制效果。考慮到絞車空間布局、鋼絲繩的路徑和外界制約因素，試驗(yàn)采用自有絞車兩兩配合的方式。整個(gè)試驗(yàn)分解為設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段、預(yù)加恒張力階段、恒張力實(shí)施階段、恒張力釋放階段等四個(gè)過(guò)程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，詳細(xì)解析每個(gè)試驗(yàn)步驟的操作方式和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，給出了改進(jìn)措施，最終試驗(yàn)順利完成，驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的可行性，可為今后類似項(xiàng)目提供借鑒。

電動(dòng)拖拉絞車；恒張力試驗(yàn)；鋼絲繩；試驗(yàn)方案

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化要求日益高漲，恒張力控制已經(jīng)成為海洋工程船舶中各類絞車的必備性能［1］。它時(shí)刻跟隨外部環(huán)境的變化，不僅可以保護(hù)絞車和鋼絲繩，防止過(guò)載，而且還能維持貨物穩(wěn)定，因此保持恒張力對(duì)海洋絞車具有重要意義［2］。

雖然在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了各種理論分析和仿真模擬工作，但是從安全角度考慮，在施工階段進(jìn)行實(shí)際的恒張力試驗(yàn)測(cè)試工作非常必要。本文介紹了以國(guó)內(nèi)某浮式起重船船尾處的4臺(tái)電動(dòng)拖拉絞車為例進(jìn)行的恒張力試驗(yàn)研究情況。

1　方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

該船尾處配置了4臺(tái)起吊能力40 t的電動(dòng)拖拉絞車，分別位于吊機(jī)的兩側(cè)，左右舷各2臺(tái)，可在駕駛臺(tái)遠(yuǎn)程操作或現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)就地控制。每臺(tái)絞車額定力矩為1 401 N·m，變頻驅(qū)動(dòng)。變頻系統(tǒng)采用公共直流母線［3］，外置制動(dòng)電阻。絞車配備電磁剎車，由變頻系統(tǒng)協(xié)同控制，具有自我對(duì)正和磨損補(bǔ)償功能，可手動(dòng)釋放；設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速；設(shè)置有松繩保護(hù)和限位保護(hù)。變頻系統(tǒng)設(shè)置有過(guò)流、短路、缺相和變頻器過(guò)熱等內(nèi)部保護(hù)。在駕駛室和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)均設(shè)置有急停按鈕，發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)可緊急停車。

1.2工作模式

拖拉絞車有速度和恒張力兩種工作模式［4］，一般情況下默認(rèn)為速度模式。通過(guò)空間矢量變頻控制原理可實(shí)現(xiàn)速度和恒張力控制，通過(guò)四象限運(yùn)行控制可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。速度模式和恒張力模式通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，切換過(guò)程中保持鋼絲繩的張力不變，卷筒穩(wěn)定不動(dòng)。對(duì)于速度模式，通過(guò)操作控制手柄，給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)緩慢收繩和放繩；對(duì)于恒張力模式，通過(guò)緩慢旋轉(zhuǎn)力矩電位計(jì)，給定的卷筒力矩跟隨外部力矩的變化，實(shí)現(xiàn)緩慢收繩和放繩，以保持張力基本不變。

在制動(dòng)工況時(shí)，電機(jī)處于倒發(fā)電狀態(tài)，所產(chǎn)生的電能回饋到直流母線上，通過(guò)公共制動(dòng)電阻消耗掉多余電能。

2　設(shè)計(jì)思路

2.1試驗(yàn)條件

4臺(tái)40 t絞車編號(hào)分別為A、B、C、D，其中A、B位于絞車房左側(cè)，C、D位于絞車房右側(cè)。綜合現(xiàn)場(chǎng)位置和試驗(yàn)工期，有以下制約條件：

（1）絞車位置分散，鋼絲繩出繩路徑分布于吊機(jī)兩側(cè)，空間距離長(zhǎng)；即使調(diào)整吊機(jī)扒桿位置，試驗(yàn)路徑也很難確定，屬于非常規(guī)路徑。

（2）甲板設(shè)備排布緊湊，沒(méi)有多余空間用于增加額外的輔助試驗(yàn)設(shè)備。

（3）外租恒張力絞車費(fèi)用高昂。

2.2設(shè)計(jì)方案

力矩控制的原理是當(dāng)鋼絲繩受力大于設(shè)定值時(shí)，卷筒自動(dòng)向外放繩；當(dāng)鋼絲繩受力小于設(shè)定值時(shí)，卷筒自動(dòng)向里收繩，從而達(dá)到穩(wěn)定貨物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的［5］。根據(jù)現(xiàn)有條件，提出如下設(shè)計(jì)方案：

（1）利用現(xiàn)有絞車，通過(guò)絞車兩兩配合的方式，完成絞車恒張力試驗(yàn)，解決非常規(guī)路徑設(shè)計(jì)難點(diǎn)及外租恒張力設(shè)備的問(wèn)題。恒張力試驗(yàn)時(shí)，一臺(tái)絞車為恒張力模式，是被測(cè)試對(duì)象；另一臺(tái)絞車為速度模式，是輔助對(duì)象。40 t絞車控制模式配置見(jiàn)表1。

表140　t絞車恒張力模式和速度模式配置

（2）借助專業(yè)的力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，選取船體甲板上合適位置設(shè)計(jì)板眼作為試驗(yàn)固定點(diǎn)，通過(guò)卸扣和吊帶連接2臺(tái)絞車的索節(jié)形成環(huán)路，彼此相連，互相協(xié)作，從而完成恒張力試驗(yàn)。板眼的受力分析和焊接形式是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵之一。該板眼的受力分析根據(jù)APIRP 2A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；根據(jù)試驗(yàn)吊點(diǎn)所承受的最大荷載為1 254.4 kN（考慮2.0倍動(dòng)載荷系數(shù)），板眼與甲板平面內(nèi)夾角為22.9°，因此板眼的設(shè)計(jì)尺寸為：眼點(diǎn)直徑為88 mm；銷軸直徑為85 mm；板眼主板和筋板及加強(qiáng)環(huán)材質(zhì)為：GB 712-2000《船體用結(jié)構(gòu)鋼》所列的D36，屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。

由于絞車位置的局限性，不同的絞車組合需要通過(guò)調(diào)整吊機(jī)扒桿的角度來(lái)選取最佳鋼絲繩受力路徑。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出右舷絞車扒桿方位為19.2°，左舷絞車扒桿方位為135.7°。試驗(yàn)開展之前，要將吊機(jī)扒桿旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)方位。

2.3試驗(yàn)流程（見(jiàn)圖1）

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程分為：試驗(yàn)準(zhǔn)備階段、預(yù)加張力階段、恒張力實(shí)施階段、恒張力釋放階段和試驗(yàn)總結(jié)。

圖1　試驗(yàn)流程

2.4試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）需要完善工作安全分析（JSA），在試驗(yàn)環(huán)路上連接測(cè)力儀進(jìn)行實(shí)時(shí)受力監(jiān)測(cè)，做好風(fēng)險(xiǎn)管控。

（2）在試驗(yàn)環(huán)路上連接拉力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼絲繩受力，避免超出安全許可范圍。

（3）保證所用的工機(jī)具都是經(jīng)過(guò)標(biāo)定且在檢定有效期內(nèi)，試驗(yàn)用工機(jī)具見(jiàn)表2。

（4）檢查鋼絲繩的穿繩情況和潤(rùn)滑程度，滑輪和索節(jié)的安全系數(shù)，確保各設(shè)施符合試驗(yàn)要求。

3　恒張力試驗(yàn)

恒張力試驗(yàn)分為預(yù)加張力階段、恒張力實(shí)施階段和恒張力釋放階段，以40 t絞車A和B為例進(jìn)行恒張力試驗(yàn)分析，B為恒張力模式，是被測(cè)試對(duì)象；A為速度模式，是輔助對(duì)象。

3.1預(yù)加恒張力階段

具體操作細(xì)節(jié)如表3所示。首先限制預(yù)加恒張力矩為絞車B電機(jī)額定張力的10%，力矩旋鈕緩慢由0轉(zhuǎn)到100%，此時(shí)絞車A靜止不動(dòng)，預(yù)加恒張力階段拉力計(jì)顯示的最大噸位為22 t（1 t對(duì)應(yīng)于9.8 kN），目的是使鋼絲繩帶上一定應(yīng)力，避免鋼絲繩由于受力出現(xiàn)擠壓破損現(xiàn)象。

表2　　恒張力試驗(yàn)用工機(jī)具

表3　　預(yù)加恒張力階段操作明細(xì)

3.2恒張力實(shí)施階段

具體操作細(xì)節(jié)如表4所示。首先取消力矩限制，恢復(fù)電機(jī)最大出力。在預(yù)加恒張力的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)定絞車A為速度模式，絞車B為恒張力模式。絞車B力矩旋鈕由0緩慢轉(zhuǎn)到100%，絞車A靜止不動(dòng)，最大噸位為29 t。通過(guò)調(diào)節(jié)輔助絞車的速度和轉(zhuǎn)向，觀察被測(cè)試絞車的反饋動(dòng)作和鋼絲繩受力情況。

從表4可以看出，當(dāng)絞車A往外放繩時(shí)，絞車B能夠自動(dòng)往里收繩；當(dāng)絞車A往里收繩時(shí)，絞車B能夠自動(dòng)往外放繩，從而滿足了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，需要注意的是，當(dāng)絞車A往里收繩時(shí)，鋼絲繩受力遠(yuǎn)大于絞車A往外放繩時(shí)的受力。最后，隨著絞車A電機(jī)的不斷加速，鋼絲繩受力也不斷增加。

表4　　恒張力試驗(yàn)操作明細(xì)

經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)，重物在勻加速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即考慮動(dòng)荷載狀態(tài)）下，動(dòng)荷系數(shù)Kd最大取值為2。但當(dāng)遭受到?jīng)_擊等瞬時(shí)變化荷載時(shí)重物的動(dòng)力放大系數(shù)會(huì)更大。所以在吊點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中將吊點(diǎn)所受荷載在考慮2倍動(dòng)力放大基礎(chǔ)上再放大1.6倍。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行40 t絞車張力試驗(yàn)過(guò)程中，拉力計(jì)瞬時(shí)顯示的最大噸位達(dá)到了141 t，超過(guò)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)128 t，同時(shí)也說(shuō)明了試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

相反，當(dāng)設(shè)置絞車A為恒張力模式，絞車B為速度模式時(shí)，只要重復(fù)上述步驟即可。

3.3恒張力釋放階段

恒張力釋放時(shí)，應(yīng)把電位計(jì)緩慢歸零。在本次試驗(yàn)中，當(dāng)力矩釋放到10%時(shí)，拉力計(jì)仍然顯示為9.26 t；當(dāng)力矩旋鈕歸零時(shí)，拉力計(jì)顯示為2 t，所以電位計(jì)不能過(guò)快歸零，要緩慢釋放鋼絲繩應(yīng)力，否則容易發(fā)生鋼絲繩咬合的現(xiàn)象，會(huì)損壞索節(jié)或滑輪。

待電位計(jì)歸零，鋼絲繩應(yīng)力為零后，取消所有力矩模式，改為速度模式；同時(shí)小心拆除索節(jié)和滑輪，清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

3.4試驗(yàn)注意事項(xiàng)

最終順利完成拖拉絞車恒張力試驗(yàn)，但由于恒張力試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)較高，試驗(yàn)中必須注意如下事項(xiàng)：

（1）穿繩時(shí)，必須施加20%的預(yù)張緊力，為此可以選用專用放線車（排纜機(jī)）；避免鋼絲繩跳層、壓繩和擠壓等現(xiàn)象，以防止斷線、斷股和變形等問(wèn)題；避免用鐵錘敲打，防止鋼絲繩表面受損；鋼絲繩繩頭壓板需要測(cè)試力矩，索節(jié)按照施工工藝制作良好，且要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）所有定滑輪和動(dòng)滑輪不允許有裂紋，并且潤(rùn)滑良好。

（3）試驗(yàn)前做好應(yīng)急預(yù)案，增加安全系數(shù)。

（4）試驗(yàn)時(shí)，實(shí)時(shí)觀察鋼絲繩及絞車的試驗(yàn)狀態(tài)，尤其注意鋼絲繩路徑長(zhǎng)度，索節(jié)走向和鋼絲繩運(yùn)行速度，盡量避免索具與滑輪碰撞。

（5）操作絞車時(shí)要時(shí)刻保持通訊暢通，最好配備經(jīng)驗(yàn)豐富的絞車操作手；調(diào)節(jié)力矩電位計(jì)時(shí)，要謹(jǐn)慎適度，按口令操作。

（6）張力釋放時(shí)要謹(jǐn)慎小心，避免釋放過(guò)快使鋼絲繩發(fā)生纏繞。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的浮式起重船電動(dòng)拖拉絞車恒張力試驗(yàn)方案充分考慮了自有資源，克服了不利因素，采取兩兩配合的方式，有序切換恒張力模式和速度模式，成功完成了絞車恒張力試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示絞車的性能和功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，試驗(yàn)的成功驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的可行性。

拖拉絞車用途各異，不同的現(xiàn)場(chǎng)工況有不同的制約因素，需要靈活運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)資源，設(shè)計(jì)不同的測(cè)試方案；同時(shí)規(guī)避和管控風(fēng)險(xiǎn)因素，確保試驗(yàn)方案的可行性。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)拖拉絞車恒張力試驗(yàn)方案可為今后類似試驗(yàn)提供借鑒。

［1］李晨浩，李偉.系泊絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.船舶，2005（2）：48-52.

［2］鄢華林，宋林.恒張力絞車的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2011（7）：80-83.

［3］車向中，郭建斌.基于公共直流母線的挖泥船絞車變頻控制系統(tǒng)［J］.船電技術(shù)，2009，29（3）：44-48.

［4］江峰，陳愷愷.淺析船用被動(dòng)式恒張力控制液壓絞車［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2013（11）：38-40.

［5］王志勇，徐志強(qiáng)，倪漢華.拖網(wǎng)絞車變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（1）：222-227.

Studyon Constant Tension Test Scheme ofElectricalL oad Tugger ofFloating Crane

WANG Dongsheng，WANG Wei，LU Dongliang，CHEN Jianwen
China Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

The constant tension control of an electrical load tugger has the advantages of protecting tugger and steel wire rope and preventing overload.Taking 4 electrical load tuggers in the stern of a domestic floating crane as the test objects，the effect of the constant tension control test is studied.In consideration of the tuggers layout，steel wire rope route and outside restrict factors，the test way of two tuggers working in pairs is adopted.The whole test procedure is devided into 4 stages，i.e.design and test preparation，adding pre-constant tension，adding constant tension and releasing constant tension.Based on the site test data，the operation way and risk point in each test step are detailed analyzed and the improvement measures are put forward.The successfultest demonstrates the feasibility of the test scheme and provides reference for future similar test projects.

electricalload tugger；constant tension test；steelwire rope；test scheme

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.019

王東升（1981-），男，山東青島人，高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，碩士，主要從事海洋采油平臺(tái)及船舶的調(diào)試工作。Email：274583654@qq.com

2015-09-15