滾動軸承結構在海洋調查船舶絞車系統導纜結構中的應用研究

王瀚宇，徐 昕，張能輝，曾現敏

（國家海洋局北海海洋技術保障中心，山東 青島 266100）

近年來，隨著建設海洋強國戰略全面實施，我國海洋科考事業蓬勃發展，在深遠海進行的海洋科考活動越來越多。海洋調查船舶絞車系統作為收放海洋觀探測裝備，開展各項海洋復雜調查工作的核心裝置，被廣泛使用于各類科考調查船舶。

在絞車系統中，為保持調查用纜收放方向穩定且始終在纜槽中運行，在調查用纜出/入滑輪或絞車的位置，需要設置導纜結構[1]。海洋調查船舶絞車系統導纜結構對調查用纜做物理限定，并對其運行方向和運行形態進行引導和制約[2]。導纜結構通常位于導纜滑輪或絞車纜槽對側，與調查用纜直接接觸，在收放纜過程中直接承受纜的壓力、沖擊力和傾覆力[1]。因此，導纜結構是維持絞車作業的關鍵環節。

本文就將滾動軸承結構引入海洋調查船舶絞車系統導纜結構進行設計，并基于“大洋一號”船絞車系統試制了一套應用于海洋調查船舶絞車系統的滾動軸承導纜結構，進行實際場景的應用分析，為深海調查絞車系統的改進和優化提供數據支持和設計參考。

1 現有通用導纜結構缺陷分析

目前國內外可查詢到的在用海洋調查船舶絞車系統，導纜和擋纜結構全部采用在相關位置加裝金屬銷軸，涂抹潤滑油，再配以尼龍等材質外套轉動的簡單結構[3]，其基本設計思路是將調查用纜與導纜結構外套接觸，由纜的收放帶動外套在金屬銷軸上轉動導纜。在此過程中，以金屬銷軸與外套之間的滑動摩擦轉動來保持調查用纜與外套之間進行滾動摩擦轉動，減輕調查用纜與導纜結構的磨損（圖1）。

圖1 現有通用導纜結構

進行深水收放纜作業時，因放纜入水長度較長，調查設備質量較大，導纜結構會受到調查用纜較大的徑向壓力；現有通用導纜結構金屬銷軸和外套間的潤滑油易持續浸入雜質和沾附在纜上的海水，急劇增大轉動的摩擦系數和阻力；船舶隨海上涌浪升降時，調查用纜常因失重、超重導致其與導纜結構外套間的徑向壓力產生波動，甚至不斷拋離和撞擊外套，直接造成導纜結構的磨損和形變[4]；A型架或導纜滑輪等擺動造成調查用纜收放角度變化時，其與導纜結構間的接觸和徑向壓力會發生變化；放纜長度變化導致調查用纜入水部分重力的變化也會同步影響纜與入海端導纜結構外套間的徑向壓力[5]。上述情況均會加重調查用纜與導纜結構之間的滑動摩擦，造成導纜結構的磨損和形變，導致內部金屬銷軸與調查用纜直接接觸摩擦，進而造成金屬銷軸磨損、斷裂，以及調查用纜磨損、割損乃至跳纜、斷裂的安全事故，嚴重影響海洋科考調查工作的安全與效率，難以滿足海上科考調查期間高頻次收放纜的作業需求。現有通用導纜結構磨損情況如圖2 所示。

圖2 現有通用導纜結構磨損情況

此外，導纜和擋纜結構通常處在A 型架外側、導纜滑輪外側、絞車系統入海末端等作業人員不易、不宜接觸的區域，頻繁更換不僅難度大、效率低、耗材成本高，還容易發生人身危險，造成無謂的人身傷害。

將滾動軸承結構引入導纜結構，可通過滾動摩擦轉動導纜，改變現有通用導纜結構通過滑動摩擦轉動導纜的工作原理，從根本上解決導纜結構因滑動摩擦導致的高磨損、易傷纜的問題。

2 基于滾動軸承結構的海洋調查船舶絞車系統導纜結構設計

2.1 滾動軸承結構的特點

海洋調查船舶絞車系統現有通用導纜結構存在的核心問題首先是金屬銷軸與外套之間轉動的摩擦系數、摩擦阻力易增大，因而不能保持持續轉動[6]；其次是在收放纜期間，調查用纜與導纜結構間不能始終保持接觸，并保持一定的徑向壓力。擬使用滾動摩擦轉動代替金屬銷軸與外套之間的滑動摩擦轉動，大幅度減小導纜結構轉動的摩擦系數，減小轉動對徑向壓力和切向拉力的需要。

滾動軸承結構能承受較大的徑向壓力和傾覆力，并保持高轉速的滾動摩擦轉動，對轉動切向拉力的要求低[7]，且形態設計上能契合銷軸搭配外套轉動導纜的結構，適合作為轉動的核心部分引入導纜結構。

2.2 導纜結構設計思路

滾動軸承導纜結構的工作原理是通過收放調查用纜帶動內含滾動軸承的滾輪轉動，屬于滾動摩擦，摩擦系數小。彈簧等輔助增加壓力結構可最大程度保持調查用纜與滾輪之間的接觸和徑向壓力，保持滾輪轉動，加大調查用纜與滾輪間的貼合力度及滾動摩擦的比例[8]。根據滾動軸承結構特點，擬通過設計滾動軸承結構滾輪、加壓彈簧保持其與調查用纜的接觸和壓力，保持導纜結構自身的滾動摩擦轉動[9]。

（1）滾動軸承結構滾輪設計

將滾動軸承外覆尼龍等耐磨材料，制成滾輪，涂抹潤滑油套在金屬銷軸上，代替現有通用導纜結構外套，形成金屬銷軸套滾動軸承滾輪的結構。根據絞車收放纜速度、金屬銷軸尺寸、滑輪尺寸、調查用纜纜徑、長度和重量等實際情況配套設計滾輪尺寸，選擇滾子類型。涂抹潤滑油可在保持滾輪轉動流暢的同時，防止海水及海上高鹽霧環境對金屬銷軸和軸承結構的腐蝕[10-11]。

（2）加壓彈簧設計

可在垂直于調查用纜壓力施加方向的平面上并排設置可活動并靠的滾動軸承滾輪，將調查用纜置于滾輪之間，并在滾輪間加裝彈簧等輔助增加壓力結構，保持調查用纜與滾輪之間的接觸和徑向壓力。

圖3 所示為內含圓柱滾子軸承的滾輪與調查用纜接觸時的截面圖，圖3（a）和圖3（b）分別為軸向截面和徑向截面。對于觸點，FN為調查用纜向滾輪施加的轉動方向徑向壓力；N 為滾輪對調查用纜的支持力；FS為調查用纜因收放對滾輪施加的轉動方向切向拉力；FU為滾輪對調查用纜的阻力；μ 為調查用纜與滾輪表面的摩擦系數；μ2為滾輪轉動的摩擦系數。

圖3 滾動軸承滾輪與調查用纜觸點的受力情況

實際收放纜作業過程中，在調查用纜與滾輪保持接觸的情況下，FU小于調查用纜與滾輪表面的最大靜摩擦力μFN時，纜與滾輪表面即可保持滾動摩擦。而FU取決于滾輪滾動產生的阻力，即FU=μ2FN。因μ2為滾動摩擦系數，小于μ，所以FU=μ2FN＜＜μFN。因此，纜與滾輪之間可保持滾動摩擦。

2.3 導纜結構試制

根據“大洋一號”船絞車系統艉部滑輪結構、收放纜速度、纜徑、纜重、歷史作業纜張力統計等各項參數和實際情況，試制一種深溝球軸承導纜結構試驗品。其中，活銷軸滾輪與壓纜輪軸向垂直于艉部滑輪所在平面，平行排列，壓纜輪位于近滑輪一側，活銷軸滾輪位于遠滑輪一側。活銷軸連帶活銷軸滾輪可通過拆裝活銷軸定位套從繩定位支架上拆裝和固定，用以將調查用纜通過活銷軸所在位置裝入或移出導纜結構。

使用期間調查用纜位于活銷軸滾輪、壓纜輪及兩個銷軸套管之間，在收放纜期間將徑向壓力施加于活銷軸滾輪和壓纜輪上，并主要施加在活銷軸滾輪上，由此產生摩擦力帶動活銷軸滾輪和壓纜輪轉動。彈簧可拉動壓纜輪移動，保持活銷軸滾輪、壓纜輪與調查用纜之間的接觸和壓力，保持活銷軸滾輪和壓纜輪跟隨收放纜轉動，保持活銷軸滾輪、壓纜輪與纜之間進行滾動摩擦[12-13]。

此結構具體由GB/T 276—2013 深溝球軸承6001[14]、六角頭螺栓、彈簧、銷軸套管、擋圈、活銷軸定位套、活銷軸、活銷軸滾輪、繩定位支架、壓纜輪等部件組成，組裝圖如圖4 所示。GB/T 276—2013 深溝球軸承6001 安裝在活銷軸滾輪和壓纜輪中。

圖4 深溝球軸承導纜結構組裝圖

對此結構進行應力分析，模擬調查用纜將徑向壓力施加在活銷軸滾輪上的情況，得出結果為：活銷軸滾輪受徑向壓力達2 000 N 時（圖5 和圖6），到達開始應變的臨界值。“大洋一號”船導纜結構裝在滑輪隨動臂上，隨動臂可隨調查用纜出入滑輪槽的位置移動，保持調查用纜始終在滑輪槽內。因此，導纜結構活銷軸滾輪所受徑向壓力只來源于隨動臂移動阻力的反作用力，小于其應變臨界值。導纜結構強度可滿足導纜需要，彈簧可保持活銷軸滾輪、壓纜輪與調查用纜之間的接觸和壓力。

圖5 活銷軸滾輪受2 000 N 徑向壓力應變分析

圖6 裝在繩定位支架中的活銷軸滾輪受2 000 N徑向壓力應變分析

3 應用分析

3.1 應用場景概況

深溝球軸承導纜結構件于2020 年6 月制成，2020 年8 月裝入“大洋一號”船艉部滑輪，在大洋第61 航次調查任務中投入實驗使用。

“大洋一號”船搭載美國DYNACON 公司JOBs 739/740/741 號絞車系統，具體由13.5 t 液壓減張力牽引絞車、萬米光纜（直徑21.2 mm） 儲纜絞車、萬米同軸電纜（直徑21.2 mm）儲纜絞車、萬米鋼纜（直徑16 mm）儲纜絞車、主泵站、備用泵站、艉部大A 型架、右舷小A 型架、右舷伸縮折臂吊機和上甲板左舷伸縮折臂吊機組成。其中艉部大A架動載荷為10 t，靜載荷為25 t，拖曳能力為25 t，寬4.52 m，高5.5 m，裝有萬向滑輪和有纜無人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）釋放器。艉部大A 型架及萬向滑輪如圖7 所示。

圖7 “大洋一號”船艉部大A 型架和萬向滑輪

3.2 應用分析

現將大洋第56 航次與大洋第61 航次使用導纜結構作業數據進行對比分析，列出現有通用導纜結構膠輪和深溝球軸承導纜結構活銷軸滾輪尼龍材料的磨損深度數據，具體見表1。

表1 兩航次使用導纜結構作業數據

大洋第61 航次共完成16 站作業，根據絞車系統航次報告，深溝球軸承導纜結構的活銷軸滾輪在絞車收放纜過程中始終保持與調查用纜貼合，且在經過16 站連續使用后，經拆卸檢查，活銷軸滾輪及壓纜輪仍轉動順暢，尼龍表面的磨損凹痕均勻且深度小于1 mm，如圖8 所示，滾輪、滾子、銷軸及繩定位支架均無形變。

圖8 深溝球軸承導纜結構件使用后拆卸檢查情況

大洋第56 航次共完成9 站作業，根據絞車系統航次報告，分別于第2 站結束、第4 站結束和第7 站結束后更換導纜結構外套膠輪3 次，于第6 站結束后更換金屬銷軸1 次。其中，被更換的尼龍膠輪（厚度10 mm）磨透3 個，在裝尼龍膠輪磨損深度約6 mm，被更換的金屬銷軸磨損深度約2.5 mm。

對比大洋第56 航次和大洋第61 航次收放纜作業，因作業用船舶、絞車、纜繩相同，作業類型相同，作業設備近似，作業區水深和環境近似，所以收放纜長度和纜張力值均近似，調查用纜施加在導纜結構上的徑向壓力也因與纜張力及放纜長度呈固定比例的線性關系而近似。對于幾乎相同的深水收放纜作業，原有導纜結構平均無法連續完成3 站作業即會變形并完全磨透外套膠輪，而深溝球軸承導纜結構件在連續完成16 站作業后仍處于正常適用狀態，且主要承受調查用纜徑向壓力的活銷軸滾輪外覆的尼龍材料磨損深度小于1 mm。

在其他變量基本相同的情況下，對比大洋第56航次與大洋第61 航次使用導纜結構作業數據，現有通用導纜結構與深溝球軸承導纜結構的磨損率見表2。

表2 現有通用導纜結構與深溝球軸承導纜結構的磨損率

現有通用導纜結構與深溝球軸承導纜結構的磨損率比值約為60.44。因此，深溝球軸承導纜結構的耐磨性約為現有通用導纜結構的60 倍。

4 結 論

深溝球軸承導纜結構的實驗使用效果良好，耐磨性約為現有通用導纜結構的60 倍，耐用性、有效性和安全性均遠超現有通用導纜結構，有效克服了現有通用導纜結構易磨損、易傷纜、需要頻繁更換的問題，可滿足深水收放纜連續作業的需求，達到了設計預期效果。但實驗仍存在不足，如實驗樣本的數量和種類少，未進行不同絞車、不同滾子類型的比對；因考慮影響較小，分析中未考慮調查用纜對導纜結構滾輪軸向施加的拉力及纜在滾輪軸向移動產生的摩擦。

將滾動軸承結構引入海洋調查船舶絞車系統導纜結構，可從工作原理上克服現有通用導纜結構的設計缺陷，加強導纜結構的耐用性、安全性及其與絞車系統收放纜整體工作的適配性。

滾動軸承導纜結構可根據不同船舶、絞車的尺寸和使用需求配套制作，廣泛應用于各類海洋調查船舶絞車系統，提高海洋科考調查作業的安全性和效率。

滾動軸承導纜結構可進一步優化改進，如可根據滾輪外覆尼龍材料和內部金屬材料絕緣性的區別，設計電信號磨損反饋裝置，在尼龍材料磨損后，利用金屬調查用纜與滾輪金屬部分的直接接觸形成通路，進行磨損提示和警報，進一步保障絞車收放纜作業的安全性。