深海大噸位起拋錨拖纜機(jī)靜態(tài)張力測(cè)量方法

李釗，陳強(qiáng)

深海大噸位起拋錨拖纜機(jī)靜態(tài)張力測(cè)量方法

李釗，陳強(qiáng)

考慮到深海起拋錨拖纜機(jī)進(jìn)行拖帶作業(yè)時(shí)，纜繩上靜態(tài)張力因?yàn)椴ɡ恕摿鳌L(fēng)載等因素會(huì)實(shí)時(shí)變化，纜繩載荷超限會(huì)危及拖纜機(jī)甚至整船的安全，需要精確地測(cè)量纜繩上靜態(tài)張力并在線監(jiān)測(cè)與顯示，使得纜繩載荷超限時(shí)，可及時(shí)采取應(yīng)急釋放等安全措施，提出制動(dòng)組件緊邊拉力反饋法測(cè)量纜繩靜態(tài)張力，拖纜機(jī)試驗(yàn)表明此測(cè)量方法的誤差較小，說(shuō)明此測(cè)量方法適用于大噸位拖纜機(jī)纜繩靜態(tài)張力的測(cè)量。

深海；大噸位；拖纜機(jī)；靜態(tài)張力；測(cè)量

三用工程船屬于海洋平臺(tái)重要的輔助船舶，具備拖帶平臺(tái)和起拋錨作業(yè)的能力[1]。拖纜機(jī)作為三用工程船的核心裝備，其性能的好壞以及可靠性決定了整船的作業(yè)能力。纜繩靜態(tài)張力即拖纜機(jī)處于制動(dòng)工況時(shí)，工程船拖曳駁船或海洋平臺(tái)時(shí)纜繩上的張力。目前已有的纜繩張力測(cè)量方法包括[2]：①標(biāo)記纜繩法，在纜繩上進(jìn)行標(biāo)記測(cè)量其相對(duì)位置的變化，這種方法操作簡(jiǎn)單，但是不直觀，且無(wú)法得到準(zhǔn)確的靜態(tài)張力值；②串聯(lián)拉力傳感器法，在纜繩上串聯(lián)拉力傳感器直接進(jìn)行測(cè)量，由于纜繩最大靜態(tài)張力值可以達(dá)到拖纜機(jī)支持負(fù)載(3 000～5 000 kN)，對(duì)拉力傳感器強(qiáng)度要求較高，另外拖纜機(jī)在實(shí)際工況需要間歇收放纜，串聯(lián)拉力傳感器會(huì)限制收放纜長(zhǎng)度；③三點(diǎn)彎曲法，纜繩經(jīng)過(guò)張力測(cè)量裝置時(shí)，使纜繩局部產(chǎn)生類似三點(diǎn)彎曲變形，將纜繩張力P的合力通過(guò)張力輪作用到張力傳感器上，從而得到纜繩張力，見(jiàn)圖1。

該方法精度較高，但是同樣當(dāng)纜繩上靜態(tài)張力值較大時(shí)，對(duì)張力輪和支撐輪的安裝有較高要求，結(jié)構(gòu)形式負(fù)載，且纜繩張力測(cè)量噸位受限。

因?yàn)橐陨戏椒ㄋ嬖诘木窒扌裕侍岢鲋苿?dòng)組件緊邊拉力反饋法測(cè)量纜繩靜態(tài)張力。具體實(shí)施辦法為通過(guò)相應(yīng)的手段實(shí)時(shí)測(cè)量拖纜機(jī)制動(dòng)組件剎車帶緊邊拉力，根據(jù)纜繩張力與緊邊拉力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求得纜繩張力，以解決準(zhǔn)確測(cè)量大噸位拖纜機(jī)纜繩靜態(tài)張力的難題。

1 工況說(shuō)明

研究對(duì)象為某深海作業(yè)低壓起拋錨拖纜機(jī)。

拖纜機(jī)處于拖帶工況時(shí)，剎緊滾筒，滾筒纏繞的纜繩拖曳海洋平臺(tái)移動(dòng)。該機(jī)型采用帶式制動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、松剎功能[3]。液壓缸驅(qū)動(dòng)松邊剎車帶動(dòng)作，使其抱緊或脫離滾筒，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)或松剎。當(dāng)拖纜機(jī)拖曳海洋平臺(tái)或者駁船時(shí)，剎車油缸處于剎緊狀態(tài)，纜繩設(shè)計(jì)最大靜態(tài)張力為拖纜機(jī)4 000 kN支持負(fù)載(滾筒最內(nèi)層)。

實(shí)際使用過(guò)程中由于波浪等外部載荷的作用，纜繩張力在不斷變化，需要對(duì)纜繩靜態(tài)張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示，當(dāng)纜繩張力值超過(guò)設(shè)定安全值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出纜繩張力超限報(bào)警，并采取相應(yīng)措施卸荷，以保證拖纜機(jī)設(shè)備及整船安全。

2 帶式制動(dòng)理論基礎(chǔ)

拖纜機(jī)滾筒沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，按照繞性體摩擦理論推導(dǎo)其理論基礎(chǔ)。

見(jiàn)圖2，設(shè)制動(dòng)輪轂半徑r，制動(dòng)帶的寬度為b，制動(dòng)帶的厚度為h，制動(dòng)帶的包角為α，制動(dòng)輪以角速度ω勻速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)帶兩端的拉力分別為松邊力Smin和緊邊力Smax。制動(dòng)帶與制動(dòng)輪之間的摩擦系數(shù)為f。制動(dòng)輪壓力p隨著圓心角φ的變化而變化，設(shè)松邊力對(duì)應(yīng)的比壓為p2，緊邊力對(duì)應(yīng)的比壓為p1。

制動(dòng)帶旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)在帶單位面積上的均布離心力為Pc

(1)

其中： ρ為制動(dòng)帶的密度。

取柔性體上角度為dα的微弧段帶元來(lái)分析繞性體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的受力，見(jiàn)圖3。

設(shè)帶內(nèi)恒截面上的縱向力為F，如忽略內(nèi)力矩，即帶受彎曲時(shí)呈完全繞性，則微弧段帶元主要受到以下幾個(gè)力。

1)剎車帶兩端的拉力。F和F+dF。

2)局部正壓力。

Fp=pbrdα

(2)

3)制動(dòng)摩擦力。

Ff=fpbrdα

(3)

4)離心力。

(4)

根據(jù)力的平衡原理，∑Y=0，得到

上式可簡(jiǎn)化為

pbr+pcbr-F=0

當(dāng)制動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上式第二項(xiàng)為常數(shù)，微分后得

dF=brdp

(5)

根據(jù)力的平衡原理，∑X=0，得到

兩邊同時(shí)積分，得到

(6)

隨著角度α角度的變化，圓柱輪所受的摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩為

因?yàn)樽罱K柔性帶會(huì)制動(dòng)滾筒體，即ω=0，則離心力pc=0，則有

(7)

模型中緊邊端Smax固定，在α=0°處施加松邊力Smin。以帶和滾輪為研究對(duì)象，對(duì)中心取距，即

因此

Smax=Sminefφ

(8)

(9)

式中：φ為制動(dòng)帶包角；D節(jié)圓為纜繩實(shí)際所在層數(shù)得計(jì)算直徑；r為剎車輪轂半徑；Smax為緊邊端受力。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 試驗(yàn)器材

加載絞車、受試拖纜機(jī)、5 000 kN量程拉力計(jì)、纜繩、緊邊拉力傳感器，控制單元，控制面板。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將纜繩一端纏繞在加載絞車上，中間串接拉力計(jì)，另一端纏繞在受試2 500 kN級(jí)拖纜機(jī)滾筒上，見(jiàn)圖4。

加載絞車收繩，使纜繩載荷達(dá)到受試拖纜機(jī)支持負(fù)載4 000 kN，緊邊拉力傳感器信號(hào)通過(guò)控制單元實(shí)時(shí)顯示在控制面板上。程序根據(jù)讀取的緊邊拉力數(shù)值Smax，通過(guò)式(8)計(jì)算得到纜繩張力。

本試驗(yàn)中，受試拖纜機(jī)制動(dòng)帶包角φ=310°，D節(jié)圓=1 170 mm，r=1 320 mm。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

緊邊拉力傳感器實(shí)際讀數(shù)1 357.42 kN，纜繩間拉力計(jì)讀數(shù)1 490.45 kN，實(shí)際銷軸傳感器讀數(shù)與理論值相對(duì)誤差8.9%。

由此可見(jiàn)，起拋錨滾筒靜態(tài)張力實(shí)測(cè)值與理論值相對(duì)誤差為8.9%。當(dāng)纜繩靜態(tài)拉力值變化時(shí)，制動(dòng)組件緊邊拉力傳感器輸出電流(電壓)信號(hào)也隨之變化，并及時(shí)反饋到控制面板，從而對(duì)纜繩張力進(jìn)行在線監(jiān)控。當(dāng)纜繩拉力值超過(guò)設(shè)定安

全值時(shí)，控制程序自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急釋放功能等安全措施，使纜繩張力值減小，保證拖纜機(jī)以及整船的安全。

目前拖纜機(jī)噸位趨于大型化，相應(yīng)的纜繩靜態(tài)張力噸位也越來(lái)越大。只需相應(yīng)增大傳感器尺寸，即可滿足精確測(cè)量大噸位拖纜機(jī)纜繩靜態(tài)張力的要求。

4 結(jié)論

相對(duì)于之前的測(cè)量方法，本方法保證了測(cè)量的精度，測(cè)量過(guò)程不影響纜繩的收放，同時(shí)不受限于拖纜機(jī)支持負(fù)載噸位和鋼絲繩直徑的增大，能有效保證測(cè)量精度。

制動(dòng)組件緊邊拉力反饋纜繩靜態(tài)張力測(cè)量法滿足精確測(cè)量大噸位拖纜機(jī)纜繩靜態(tài)張力的要求，同時(shí)在系泊絞車等遠(yuǎn)洋拖曳絞車有較大的應(yīng)用前景。為了進(jìn)一步提高此測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，應(yīng)進(jìn)一步研究如何提高傳感器的測(cè)量精度。

[1] 王征，張亞?wèn)|，曾濤.基于有限元法的拖纜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].學(xué)術(shù)與溝通，2014(6):55-60.

[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):80-82.

[3] 蔡鈿，張禮運(yùn)，陳強(qiáng).基于有限元單元法的深海起拋錨拖纜機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].學(xué)術(shù)與溝通，2014(6):56-60.

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Measuring Method of Static Tension Mooring Line for Large-tonnage Anchor Handling/Towing Winch

LI Zhao, CHEN Qiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

On the towing condition, the static mooring line tension of deep sea anchor handling/towing winch is changing real-timely as the consequence of waves, underflows and winds. Loads on the mooring line exceeding the safety value can endanger the safety of winch and ship. So it is necessary to measure the tension precisely and to on-line monitor and display the tension value. Safety measures like emergency release could be taken in time when the load on the mooring line exceeds the safety value. A feedback method of brake assembly’s tight side tension was proposed to measure the static mooring line tension. The testing data showed that the method is correct and effective for measuring the he static mooring line tension for the large-tonnage anchor handling/towing winches.

Deep sea; large-tonnage; anchor handling/towing winch; static mooring line tension; measure

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.034

2016-07-14

工業(yè)和信息化部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]508號(hào))

李釗(1989—)，男，碩士，助理工程師研究方向:甲板機(jī)械設(shè)計(jì)

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0138-03

修回日期：2016-08-29