65 t擴展器牽引絞車設計

張勇勇，胡發國，潘 曉

（1. 武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084；2. 中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

物探船是海洋地球物理勘探的主要船舶設備之一，物探船通過擴展器牽引絞車來實現擴展器的牽引和回收。我國進入物探船技術領域的時間較短，研發力量比較弱[1]，物探船上擴展器牽引絞車均為進口設備，國產化需求迫切。目前，我國最先進的物探船為2010年以來陸續建造的“海洋石油720”和“海洋石油721”等12纜物探船[2]，其擴展器牽引絞車額定拉力為44 t。隨著物探作業向深海長距離、多纜大面積勘探作業能力方向發展[3]，12纜物探船越來越不能滿足日益增長的物探作業需求，18纜物探船的設計與建造已被提上日程。

因此，本文以18纜物探船作業需求為目標，介紹額定拉力為65 t的擴展器牽引絞車的設計，同時為各型擴展器牽引絞車的設計提供參考。

1 組成與原理

目前的擴展器牽引絞車均采用電液驅動形式，由機械系統、液壓系統和電控系統組成，其設備采用高壓油電液驅動，由電動機驅動主泵提供馬達和制動器動力，馬達驅動減速機，通過齒輪副帶動滾筒動作，進行擴展器的牽引和回收動作，其技術原理如圖1所示。

圖1 擴展器牽引絞車技術原理圖

擴展器牽引絞車由于單支架組件I、II，滾筒組件，馬達小齒輪組件，制動器組件組成。單支架組件I、II為獨立結構；6組馬達+行星減速機+小齒輪為懸臂結構，通過行星減速機法蘭鎖緊在單支架組件II上，小齒輪與回轉支撐內齒圈嚙合，回轉支撐的外圈通過48個M30的螺栓鎖緊在單支架組件II上，內圈通過48個M30的螺栓鎖緊在滾筒上。

擴展器牽引絞車設置有帶式液壓制動器，制動器采用彈簧液壓油缸驅動，彈簧提供制動力，液壓油驅動油缸打開剎車。卷筒另一側安裝有滾筒軸承，裝設在單支架組件I的軸承座內。在單支架組件I側設有增量型編碼器，用于測量收放纜速度和纜繩長度。結構原理如圖2所示。

圖2 擴展器牽引絞車結構原理

擴展器牽引絞車含一個卷筒，由6臺液壓馬達驅動，由液壓馬達帶動減速機旋轉，減速機輸出軸帶動小齒輪，小齒輪通過齒輪嚙合帶動卷筒組件中的回轉支承轉動，從而帶動卷筒旋轉，實現纜繩收放。

2 結構設計

2.1 設計輸入參數

為滿足18纜物探船的作業需求，擴展器牽引絞車設計輸入參數如表1所示。

表1 擴展器牽引絞車設計輸入參數

2.2 結構設計

1）單支架組I

單支架組件I由單支架I、調整墊片、焊接墊片和封板組成。單支架I為結構件，主要由鋼板和鍛件等拼接而成，主要承載卷筒收放纜繩和制動狀態下產生的載荷。結構示意如圖3所示。

圖3 單支架I結構圖

單支架I與卷筒軸承和端蓋鏈接，底部通過焊縫與船體連接，軸承座上設有潤滑油孔，便于軸承的潤滑。

2）卷筒組件

卷筒組件由卷筒體、回轉支承、軸承、編碼器和端蓋等組成。如圖4所示。

圖4 卷筒組件主視圖示意

卷筒體為結構件，由鋼板拼焊而成。卷筒體由厚度為50 mm的E420鍛件，為增加側板強度和剛度，側板做成了箱形結構。剎車輪緣由41 mm鋼板卷制而成，回轉環采用鍛件加工而成，芯軸采用鍛件。軸承選用調心滾子軸承，編碼器采用增量型編碼器。

芯軸通過調心滾子軸承支撐在單支架Ⅰ上，回轉環通過螺栓與回轉支承連接，繼而連接在單支架Ⅱ上，從而實現卷筒的徑向支撐。

回轉支承采用內嚙合漸開線圓柱齒輪與減速機的小齒輪嚙合。回轉支承內齒輪模數18，齒數101，齒寬90 mm。

回轉支承定環與單支架Ⅱ通過螺栓連接，回轉支承動環通過螺栓與卷筒回轉環連接。回轉支承定環與動環之間采用滾子軸承支撐，回轉支承上設計有潤滑油槽和注油嘴用于給回轉支承軸承潤滑。

3）馬達小齒輪組件

馬達小齒輪組件由液壓馬達、減速機、小齒輪及緊固件組成。如圖5所示。

圖5 馬達小齒輪組件示意圖

液壓馬達選用雙速徑向柱塞馬達，型號Italgroup公司IAC800H4。液壓馬達通過法蘭及螺栓與減速機連接，馬達軸通過花鍵與減速機內花鍵相連。

減速機選用回轉減速機，減速比14，二級減速，需求動態輸出扭矩2.79×104N·m。回轉減速機輸出軸帶漸開線圓柱小齒輪，齒輪模數18，齒數21，齒寬100 mm。減速機通過法蘭及螺栓連接在單支架I上。

4）剎車組件

帶式剎車組件主要由剎車帶1、剎車帶2、剎車片1、剎車片2、剎車上支撐組件、調節螺桿組件、銷、三角桿、壓桿、液壓油缸和接近開關組件等組成。結構如圖6所示。

帶式制動器規格為Φ2 700 mm×230 mm。剎車帶1和剎車帶2為結構件，主要材料采用Q355E彎制焊接而成。剎車片1和剎車片2采用無石棉，螺

表4 卷筒受力計算結果

圖9 工況7卷筒組件應力云圖

圖9 工況7卷筒組件應力云圖（續）

圖10 工況7卷筒應變云圖

表5 單支架工況

表6 單支架受力計算結果

圖11 工況4單支架組件I應力云圖

圖12 工況5單支架組件II應力云圖

圖13 工況5單支架組件應變云圖

通過計算分析，單支架組件I和單支架組件II的應力和應變均在許用安全范圍以內，設計可以滿足使用要求。

4 結論

擴展器牽引絞車是物探船的關鍵設備，本文以18纜物探船所配置的65 t擴展器牽引絞車的設計進行研究，總結如下：

1）對擴展器牽引絞車的技術和結構原理進行了說明。

2）對65 t擴展器牽引絞車的設計輸入參數和結構設計進行了闡述，擴展器牽引絞車由擴展器牽引絞車由于單支架組件I、II，滾筒組件，馬達小齒輪組件，制動器組件組成。卷筒體材料為E420，單支架，制動器，筋板等材料為Q345E。

3）65 t擴展器牽引絞車卷筒共8種計算工況，卷筒的最大應力和應變發生在工況7，筒體最大應力為186.17 MPa，筋板最大應力為144.64 MPa，最大應變為0.87 m，均在許用范圍內。

4）65 t擴展器牽引絞車單支架組件共6種計算工況，單支架組件I最大應力發生在工況4，應力為224 MPa；單支架組件II最大應力發生在工況5，應力為156 Pa；最大應變發生在工況5，最大應變為1.93 mm，均在許用范圍內。