深水铺管船双A_R绞车系统摆动滑轮研究_魏辽国.pdf
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1、试验 研究Test and Research2 0 2 3 4深水铺管船双 A&R 绞车系统摆动滑轮研究魏辽国1,班国珍1,邢龙2,程普21.上海振华重工(集团)股份有限公司;2.上海德普船舶技术有限公司摘要双 A&R 绞车系统能够大大提高铺管船海上铺管作业的能力和可靠性,为深海铺管作业提供坚实的保障。介绍 A&R摆动滑轮的组成、功能及工作原理。双 A&R 绞车系统摆动滑轮可以方便快捷地实现单双 A&R 绞车系统之间的切换作业功能。对 A&R 摆动滑轮在单双 A&R 绞车系统中的受力情况进行有限元分析。双 A&R 绞车系统摆动滑轮已完成部分试验,达到了预期的设计效果,相关产品的成功研发打破了国
2、外技术垄断,填补了国内相关领域的技术空白,对深海铺管行业的技术进步有一定的推动意义。关键词:深水铺管;A&R 绞车系统;双 A&R 绞车;摆动滑轮作者简介:魏辽国(1982),男,陕西榆林人,高级工程师,学士,研究方向:海洋工程设备研发。深海铺管船收放绞车系统(Abandonment Recov-ery winch,A&R)是深海铺管船的重要设备之一,主要用于在铺管船上对海底钢丝绳、管道及电缆等进行收放作业,也可用于拖曳、起重等辅助工作。铺管船 A&R 绞车系统主要由牵引绞车、储缆绞车、PLC 系统、导向滑轮、摆动滑轮及补偿装置组成。深水铺管船配置双 A&R 绞车系统后可以在进行铺管作业时采用
3、多种工作模式(可以用两套 A&R 绞车系统组合在一起作业,也可以用其中任意一套 A&R 绞车系统作业)。双 A&R 绞车系统作业时,可以提供更大的张紧力,用单套 A&R 绞车系统作业时,另外一套 A&R 绞车系统可以作为备份使用。双 A&R 绞车系统能够大大提高铺管船海上铺管作业的能力和可靠性,为深海铺管作业提供坚实的保障。应用摆动滑轮可以方便快捷地实现单/双 A&R 绞车系统之间的切换。摆动滑轮主要安装在铺管作业线的后端,在改变钢丝绳受力方向的同时,可以实现单 A&R 绞车系统和双A&R 绞车系统之间的自由切换。摆动滑轮主要由滑轮、支架、轴承及测力测速传感器组成。本文以单台钢丝绳载荷为 75
4、0 t 的摆动滑轮为例,介绍 A&R 系统中摆动滑轮的组成、功能、工作原理及受力分析等,目的在于推动国内深海铺管行业相关领域的技术进步,打破国外技术垄断,填补国内相关领域的技术空白。1A&R 摆动滑轮概述单台摆动滑轮主要由机械系统、液压系统及电气控制系统 3 部分组成。机械系统主要由底座 1、底座 2、支架、滑轮、减速器、插销及液压马达等组成,如图 1 所示。电气控制系统主要由电控箱、机旁控制台、接线盒及接近582 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 3双 A&R 绞车系统作业图 1摆动滑轮的组成开关等组成。液压系统主要由液压泵站、液压马达、插销液压缸及比例阀等组成。主要技术参数:适用
5、钢丝绳直径/mm138动态载荷/t750(包角 180)液压站电机功率/kW211+1.5(440/3/60,AC)工作压力/MPa160摆动滑轮适用于 138 mm 直径的钢丝绳和 780 mm直径的索节,钢丝绳从 A&R 绞车出来后进入摆动滑轮,通过摆动滑轮缠绕(如图 2 所示)后到到达作业管线位置,摆动滑轮出入绳最小包角 180,滑轮底座与甲板通过螺栓连接。挡绳滚柱可拆卸,便于索节通过。摆动滑轮自带摆动机构,摆动到工作位后,需由固定销锁定位置(3 个位置,2 个工作位置和 1 个停车位置);销轴强度符合工作要求;钢丝绳最大动态载荷 750 t,最大动载合力 15 000 kN,设计安全系
6、数 1.25。摆动滑轮具有独立的驱动系统,由液压马达通过减速器驱动,可以使其在工作位和停止位之间摆动,到达设计的位置后,通过固定销将其位置固定,进入工作状态。双 A&R 绞车系统摆动滑轮可以实现 3 种工况。(1)双 A&R 绞车系统作业工况如图 3 所示。在这种工况下,两套摆动滑轮同时到达设计的工作位,钢丝绳通过滑轮两侧底部进入,通过滑轮导向后,从铺管作业中心线的管道位置出来,连接作业管线后,开始双 A&R 绞车作业。(2)右侧单 A&R 绞车系统作业工况如图 4 所示。在这种工况下,只有右侧 A&R 绞车系统作业,对应的摆动滑轮进入设计的工作位,另外一个摆动滑轮进入停车位做备用。钢丝绳通过
7、滑轮外侧底部进入,通过右侧滑轮导向后,从铺管作业中心线的管道位置出来,连接作业管线后,开始右侧单 A&R 绞车系统作业。(3)单 A&R 绞车系统作业工况如图 5 所示。图 2钢丝绳缠绕图图 5左侧单 A&R 绞车系统作业图 4右侧单 A&R 绞车系统作业59试验 研究Test and Research2 0 2 3 4图 6约束示意图图 7载荷示意图在这种工况下,只有左侧 A&R 绞车系统作业,对应的摆动滑轮进入设计的工作位,右侧摆动滑轮进入停车位做备用。钢丝绳通过左侧滑轮外侧底部进入,通过滑轮导向后,从作业中心线的管道位置出来,连接作业管线后,开始左侧单 A&R 绞车系统作业。2摆动滑轮的
8、工作原理摆动滑轮由独立的驱动系统控制其在工作位和停止位之间摆动,工作原理:液压系统提供液压源动力驱动液压马达,液压马达驱动减速器;减速器通过输出端的内花键与轴连接,带动轴在工作范围内摆动。当滑轮摆动到工作位时,通过控制面板上的开关,控制插销“离”/“合”,从而将滑轮锁定在工作位,确保滑轮在固定位置工作。此时减速器的刹车通过系统控制,处于打开状态,避免滑轮在工作时的轻微摆动对减速器齿轮造成冲击。摆动滑轮上的接近开关可以采集滑轮和插销的位置信号,并在控制面板显示屏上进行显示。当滑轮在工作位上开始作业时,蓄能器压力始终保持在 49 MPa。当系统故障无法自动控制蓄能器充油时,可以通过手动控制给蓄能器
9、充油,但蓄能器压力不能超过 9 MPa。当液压系统出现故障或者断电后需要应急将滑轮摆动至停车位时,可以进行应急操作,以确保应急情况下的设备和人员安全。3摆动滑轮的受力强度分析对摆动滑轮进行受力分析,主要考虑其在单/双 A&R绞车系统中的受力情况,应用 ANSYS 软件对轴、支架、滑轮及基座进行强度分析。3.1双 A&R 绞车系统摆动滑轮受力分析载荷情况:满负荷,包角 180,安全系数 1.25,带载荷作业工况时的整船加速度 ax=0.63 m/s2,ay=3.1 m/s2,az=1.85 m/s2,摆动角度 57。各部件主要材质如下:轴,材质 34CrNiMo,淬火和回火钢,屈服强度 540M
10、Pa,抗拉强度 685 MPa;摆动滑轮主体(滑轮、支架及底座),材质 Q345D,低合金高强度结构钢,屈服强度 355 MPa,抗拉强度630 MPa。底座表面以下施加约束,如图 6 所示。载荷施加在滑轮表面上,如图 7 所示,载荷值:钢丝绳每侧受力为 7509.81=7 357.5 kN,安全系数 n=1.25。同时考虑绕角 180,因此,每侧荷载为:Fx=-7 357.521.25=-18 394 kN。根据带载荷作业工况时的加速度ax=0.63 m/s2,ay=3.1 m/s2,ay=1.85 m/s2,计算得 Fax=-31.5kN,Fay=-155 kN,Faz=92.5 kN。经
11、有限元受力分析,各部件材料应力和变形如下:(1)材料为 34CrNiMo 轴的最大应力 为 1.65E+008 Pa,如图 8 所示,而 34CrNiMo 的屈服强度 为5.40E+008 Pa。这一分析结果表明,摆动滑轮轴的结构强度合格,满足使用要求。(2)材料为 Q345D 支架的最大应力为 1.89E+008Pa,如图 9 所示,而 Q345D 的屈服强度为 3.55E+008 Pa。这一分析结果表明,摆动滑轮支架的结构强度合格,满足使用要求。(3)材料为 Q345D 滑轮的最大应力为 1.74E+008Pa,如图 10 所示。这一分析结果表明,滑轮的结构强度合格,满足使用要求。(4)材
12、料为 Q345D 底座的最大应力为 3.24E+008602 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 834CrNiMo 轴应力与变形图(a)应力图(b)变形图(a)应力图(b)变形图图 9Q345D 支架应力与变形图(a)应力图(b)变形图图 10Q345D 滑轮应力与变形图Pa,如图 11 所示。这一分析结果表明,摆动滑轮支座的结构强度合格,满足使用要求。综上所述,双 A&R 绞车系统摆动滑轮受力分析结果表明,摆动滑轮结构强度合格,满足使用要求。61试验 研究Test and Research2 0 2 3 4(a)应力图(b)变形图图 11Q345D 底座应力与变形图3.2单 A&R
13、 绞车系统摆动滑轮受力分析载荷情况:满负荷,包角 180,安全系数 1.25,带载荷作业工况时整船的加速度 ax=0.63 m/s2,ay=3.1 m/s2,ay=1.85 m/s2,摆动角度 35。底座表面以下施加约束。载荷施加在滑轮表面上,计算可得 Fax=-32.5 kN,Fay=-155 kN,Faz=92.5 kN。经有限元受力分析,各部件材料应力和变形如下:(1)轴的最大应力为 1.83E+008 Pa。摆动滑轮轴的结构强度合格,满足使用要求。(2)支架的最大应力为 2.05E+008 Pa。摆动滑轮支架的结构强度合格,满足使用要求。(3)滑轮的最大应力为 1.72E+008 Pa
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