深水定位錨機(jī)用錨鏈輪結(jié)構(gòu)及齒形等研究

顧 炳，俞志剛，付萬(wàn)里，劉 賀

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

深水定位錨機(jī)用錨鏈輪結(jié)構(gòu)及齒形等研究

顧 炳，俞志剛，付萬(wàn)里，劉 賀

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

錨鏈輪作為深水定位錨機(jī)關(guān)鍵零部件，與普通船用航行錨機(jī)相比，必須具備承受更大負(fù)載和耐磨等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)錨鏈輪（錨鏈直徑Φ84）進(jìn)行齒形優(yōu)化、受力分析以及加工材料選型，設(shè)計(jì)出滿足定位錨機(jī)使用的錨鏈輪，具有承受負(fù)載大、起錨速度快、降低磨損，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

深水定位錨機(jī)；錨鏈輪

0 引言

定位錨機(jī)作為鉆井平臺(tái)等海洋工程船舶定位必不可少的設(shè)備，其中錨鏈輪是錨機(jī)中的關(guān)鍵零部件，錨鏈輪本體結(jié)構(gòu)、齒形質(zhì)量及材料選用的好壞，直接影響錨機(jī)的工作性能，甚至影響整個(gè)平臺(tái)作業(yè)的安全性。所以必須滿足錨鏈與錨鏈輪正常嚙合，保證錨機(jī)工作平穩(wěn)，同時(shí)鏈輪磨損要低，滿足強(qiáng)度要求。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外平臺(tái)調(diào)研以及有關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)的查閱，錨鏈輪一般都采用五齒結(jié)構(gòu)，相對(duì)六齒型結(jié)構(gòu)，前者鏈徑節(jié)圓直徑小，在同樣的負(fù)載下扭矩小，有利于優(yōu)化錨機(jī)結(jié)構(gòu)，降低錨機(jī)重量。目前，國(guó)內(nèi)使用的五齒錨鏈輪是按照國(guó)家 CB/T3179-1996標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，但該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的錨鏈輪僅適用于船用航行起錨機(jī)，若用于平臺(tái)深水定位錨機(jī)，存在以下問(wèn)題：1）深水定位錨機(jī)工作負(fù)載大，在此大負(fù)載下錨鏈輪強(qiáng)度不夠，容易發(fā)生崩齒或齒形擠壓變形；2）在同等工作負(fù)載下深水定位錨機(jī)起錨速度快，錨鏈輪與錨鏈嚙合時(shí)滑移加大，可能會(huì)產(chǎn)生滑鏈，同時(shí)加劇錨鏈輪的磨損；3）按中國(guó) CB/T3179標(biāo)準(zhǔn)，錨鏈輪采用 ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570材料，正火處理后表面硬度在HB150～220之間，而R5系泊鏈表面硬度超過(guò)HB345，兩者硬度相差太大，錨鏈輪較短時(shí)間內(nèi)使用后就被磨損至報(bào)廢，因此需要適當(dāng)提高錨鏈輪鏈窩與錨鏈嚙合處的硬度，既不損壞錨鏈，又能保證錨機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間有效工作。

因此，按中國(guó)CB/T3179標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的錨鏈輪是無(wú)法上用在平臺(tái)深水定位錨機(jī)上，必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 錨鏈輪齒形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨鏈輪首先必須能與錨鏈正常嚙合，其基本要求是鏈輪節(jié)圓為錨鏈輪中心線形成的正五邊形外接圓，這樣理論上保證了起拋錨時(shí)不會(huì)發(fā)生歪鏈等現(xiàn)象。顯然，對(duì)于五齒鏈輪，圖1中α=72°，直徑為D的圓即為正五邊形外接圓，該圓直徑：

O1O2為錨鏈嚙合時(shí)的正五邊形的邊長(zhǎng)，為此適當(dāng)增大五齒錨鏈輪本體上齒側(cè)面的圓弧半徑R2，保證五齒錨鏈輪本體上的正五邊形的相鄰二個(gè)頂點(diǎn)O1、O2和錨鏈鏈環(huán)中心 O3三點(diǎn)在一直線上，而非折線（一般O3點(diǎn)圓與R1或R2圓弧干涉，O1、O2和O3三點(diǎn)就會(huì)形成折線，表明錨鏈可能發(fā)生歪鏈）。錨鏈輪本體以及與錨鏈嚙合如圖1所示。

圖1 錨鏈輪與錨鏈嚙合示意圖

同時(shí)需要增加了錨鏈輪鏈窩處齒形厚度H，以增加齒形部分的強(qiáng)度。在起錨過(guò)程中，主要靠鏈窩拽住錨鏈鏈環(huán)，實(shí)現(xiàn)錨鏈的收放，因此此處承受很大的擠壓應(yīng)力；增大該齒形厚度，使錨鏈輪滿足更大的工作負(fù)載要求，保證錨鏈輪齒形不被折斷。

R1和R2對(duì)應(yīng)的圓弧在連接處相內(nèi)切，改變R2勢(shì)必R1也要跟著變化，若R1變化，與R1對(duì)應(yīng)圓弧相外切的分度圓（直徑D2）也會(huì)變化，為了保證錨鏈輪與錨鏈能正常嚙合，錨鏈輪的節(jié)圓直徑不能發(fā)生變化，因此尺寸R1、R2及之間的相對(duì)位置關(guān)系，以及D2之間要統(tǒng)一考慮。如果僅適當(dāng)增大R2，反而會(huì)降低齒窩厚度H，所以要對(duì)R2圓弧的圓心位置進(jìn)行調(diào)整，使其向外側(cè)移動(dòng)，這樣不僅能保證 O1、O2和 O3三點(diǎn)共線，還可以使得R2與R1對(duì)應(yīng)圓弧的相切點(diǎn)向內(nèi)側(cè)偏移，更有利減少錨鏈在鏈窩受力時(shí)產(chǎn)生的滑移距離，。

CB/T3179標(biāo)準(zhǔn)中，Φ84錨鏈對(duì)應(yīng)的錨鏈輪鏈窩處齒形厚度H僅為 67mm，而新設(shè)計(jì)的錨鏈輪為H=90mm；同時(shí)為了進(jìn)一步有效避免拋錨時(shí)發(fā)生跳鏈的情況，適當(dāng)增大R1，相關(guān)尺寸見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)錨鏈輪相關(guān)尺寸

在起拋錨過(guò)程中，錨鏈與鏈輪嚙合時(shí)在鏈窩處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與鏈窩相切的分力[2]，若這個(gè)分力方向向外，容易使錨鏈滑出鏈窩產(chǎn)生跳鏈現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)錨鏈輪時(shí)保證使這個(gè)分力小于錨鏈與鏈輪之間的摩擦力或者方向向內(nèi)，主要要把R2圓弧與O1圓相切點(diǎn)切線方向盡量與鏈輪中心線平行甚至向內(nèi)傾斜靠近鏈輪中心O。

2 鏈輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

CB/T3179標(biāo)準(zhǔn)在使用范圍中注明適用于船用起錨機(jī)和和起錨絞盤(pán)，并非適用于平臺(tái)錨機(jī)；在技術(shù)要求中也注明錨鏈輪采用的是GB549和GB550中船用錨鏈的有檔錨鏈，而不是采用GB/T20848海洋系泊鏈；同時(shí)，我國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CB/T3663-2013 移動(dòng)式海洋平臺(tái)錨泊定位裝置》在《CB/T3663-1994海上移動(dòng)式平臺(tái)用錨泊定位裝置》基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，在錨鏈輪要求中取消了“錨鏈輪的幾何參數(shù)和畫(huà)法應(yīng)符合 CB3179的要求”該要求，只對(duì)錨鏈輪的齒數(shù)提出了要求[3]，說(shuō)明普通航行錨機(jī)使用的錨鏈輪不能用于平臺(tái)錨機(jī)，R5級(jí)海洋系泊鏈與AM2或AM3級(jí)船用錨鏈，兩種錨鏈性能相差甚遠(yuǎn)，在相同錨鏈直徑（Φ84）下，兩種錨鏈外形參數(shù)雖然一樣，但對(duì)應(yīng)兩種錨機(jī)的工作負(fù)載相差8倍多（Φ84的 AM3級(jí)船用錨鏈，錨機(jī)額定負(fù)載為335kN；而采用R5系泊鏈，額定負(fù)載為2694kN，前者僅為后者的1/8），因此要求錨鏈輪具有很高的強(qiáng)度和較好的適應(yīng)性；即使在船用錨機(jī)額定負(fù)載下，平臺(tái)錨機(jī)起錨速度也是航行錨機(jī)的 7倍甚至更大，這樣的起錨速度下要保證錨鏈不會(huì)出現(xiàn)滑鏈，否則對(duì)錨鏈輪的磨損很大（船用航行錨機(jī)在額定負(fù)載下額定起錨速度9m/min；定位錨機(jī)在該負(fù)載下收錨速度大大超過(guò)9m/min，甚至超過(guò)50m/min）。

為了增加錨鏈輪整體強(qiáng)度，提高錨鏈輪整體剛性，錨鏈輪本體采用合金鑄鋼，為ZG20Mn鑄鋼鑄造而成，鑄造后正火處理，機(jī)械性能與ZG310-570相當(dāng)，而且焊接性能好，朔性和韌性也比較好，這樣鏈輪本體部分強(qiáng)度滿足要求，沒(méi)有必要為了提高鏈窩強(qiáng)度而選用強(qiáng)度高出很多的材料來(lái)制造整個(gè)鏈輪，因此只需要提高鏈窩處強(qiáng)度即可。一般認(rèn)為增加鏈窩處齒厚以降低錨鏈輪所受擠壓應(yīng)力從而提高錨鏈輪強(qiáng)度，但由于錨鏈輪是鑄鋼件，鑄造工藝決定了鏈窩厚度不能過(guò)厚；厚度偏后反而會(huì)產(chǎn)生一些不利因素，尤其在鏈窩以及其它較厚處容易產(chǎn)生大量的縮孔并引起材質(zhì)疏松，反而降低錨鏈輪強(qiáng)度，最初鏈窩設(shè)計(jì)齒厚為100mm，結(jié)果經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，強(qiáng)度僅與厚度60mm相當(dāng)，說(shuō)明一味增加厚度反而不能起到提供強(qiáng)度的作用，而且會(huì)增加錨鏈輪的重量，所以要優(yōu)化鏈窩齒形內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此在鏈窩內(nèi)側(cè)增加工藝孔，一是便于鏈輪澆鑄滿足鑄造工藝，避免錨鏈輪澆鑄過(guò)程中產(chǎn)生縮孔等不利因素，二是利用該孔起到了錨鏈輪與齒輪、制動(dòng)輪之間的連接作用；所以經(jīng)過(guò)研究和試制，鏈輪鏈窩厚度設(shè)計(jì)為90mm，最終也經(jīng)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，滿足使用要求。鏈窩處結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鏈窩結(jié)構(gòu)

3 鏈窩嚙合處耐磨考慮

在與錨鏈嚙合的鏈窩處焊有一塊硬度較高的襯墊，襯墊采用選用20CrMnMoB或Q960D，不僅僅是因?yàn)榭紤]材料硬度要高、耐磨性要好等特性，還要考慮材料的下料切割時(shí)的工藝性和可實(shí)施性，還要與之相嚙合的錨鏈材料硬度相匹配，并且與錨鏈輪本體材料焊接性等一系列問(wèn)題。首先材料的焊接性要好，能與錨鏈輪本體易焊，因此只能選擇含碳量較低的鋼板；其次，由于系泊鏈硬度較高，R5系泊鏈表面硬度一般都大于 HB345（實(shí)測(cè)都是 HB360左右），因此襯墊不能選用一般的低碳鋼板，材料要具備較高的硬度，至少HB280以上，否則錨鏈輪需要經(jīng)常更換或修理；再次，根據(jù)錨機(jī)系泊設(shè)備配置的特性，錨鏈輪在嚙合處的硬度必須要低于錨鏈硬度（一般為 20HB～50HB），否則會(huì)錨鏈磨損很快，需要經(jīng)常更換錨鏈，代價(jià)和成本高，最初選用耐磨鋼（NM360，硬度比R5錨鏈還高）明顯不合理。所以綜合以上諸多因素，最終選用這兩種材料的襯墊經(jīng)處理后表面硬度可以達(dá)到 HB320左右。這樣鏈輪不會(huì)很快被磨損，即使長(zhǎng)期使用后被磨損后，也可以重新焊接。由于該材料主要是起到耐磨的作用，因此厚度不宜太厚，一般為10mm。

由于錨鏈輪與錨鏈的嚙合是帶滑移的，為了防止襯墊受力后掉落，因此襯墊與錨鏈輪本體實(shí)施焊接方式，也非采用一般的周邊焊，而是采用塞焊+周邊焊的方式，塞焊更能保證襯墊與錨鏈輪本體焊接后牢牢貼服在一起；當(dāng)與錨鏈嚙合時(shí)，襯墊是承受擠壓和滑移的，所以在襯套上加工有3個(gè)Φ3mm的排氣孔，這樣便于排氣，否則氣體受擠壓容易引起焊縫爆裂導(dǎo)致襯墊的剝落。同時(shí)，為了不改變鏈窩處的齒形，錨鏈輪在焊接襯墊處特加工有凹槽，形狀與襯墊一致，待襯墊焊接修配后，齒面與原先成設(shè)計(jì)形狀一致，這樣既能達(dá)到提高嚙合處硬度的目的，又達(dá)到不改變齒形的效果。鏈窩處襯墊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 鏈窩處襯墊結(jié)構(gòu)

齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)后的錨鏈輪三維建模圖和實(shí)物加工如圖4所示，鏈輪嚙合處襯墊與鏈輪本體完成焊接并已打磨光滑。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)深水定位錨機(jī)用的五齒鏈輪齒形進(jìn)行分析和研究，并對(duì)齒輪材料進(jìn)行選型，得到以下結(jié)論：

1）鏈輪本體上的節(jié)圓為錨鏈輪中心線形成的正五邊形外接圓，為增加齒窩厚度，從而改變五齒錨鏈輪本體上齒側(cè)面的圓弧半徑R2和位置關(guān)系，使五齒錨鏈輪與錨鏈嚙合時(shí)，錨鏈形成的正五邊形的相鄰二個(gè)頂點(diǎn) O1，O2與錨鏈鏈環(huán)中心 O3在一直線上，保證錨鏈輪在起拋錨時(shí)與錨鏈正常嚙合；

2）錨鏈輪本體鏈窩處齒形厚度H=90mm，同時(shí)增加工藝孔，以增加齒形部分的強(qiáng)度，并能滿足定位錨機(jī)負(fù)載大的要求；

3）錨鏈嚙合處增加有耐磨材料，能降低錨鏈輪磨損量，有效延長(zhǎng)錨鏈輪使用壽命，最終進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 錨鏈輪建模與實(shí)物圖

[1] 常仲明, 周玉華, 等. CB/T 3179-1996, 錨鏈輪. 中華人民共和國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 1996.

[2] 張慶普, 張海燕. 錨鏈輪齒形改進(jìn)的實(shí)踐與研究.江蘇造船, 1999(5): 10-12.

[3] 顧炳, 張海燕等. CB/T 3663-2013,移動(dòng)式海洋平臺(tái)錨泊定位裝置. 中華人民共和國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2013.

Research on Structure and Tooth Form of Sprocket Wheel Using on Deepwater Positioning Windlass

GU Bing, YU Zhi-gang, FU Wan-li, LIU He
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Compared with the anchor windlass used on general vessels, the sprocket wheel, as the key component of deepwater positioning windlass, must have characteristic such as supporting higher load and wear resistance. The satisfying sprocket wheel (diameter: Φ84) has been designed by optimizing tooth profile, analyzing force and choosing the machining materials. The sprocket wheel has many advantages such as high load capacity, fast speed in hauling in or paying out, low wearing and long using life.

deepwater positioning windlass; sprocket wheel

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.003

顧炳（1980-），男，工程師，碩士，主要從事甲板機(jī)械及海洋工程特種絞車(chē)設(shè)計(jì)。