水下錨機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

趙建虎，張勇勇，陳旭東，張 雷，曾維軍

（1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2. 招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇 南通 226116）

0 引言

錨機(jī)作為航行船舶必要的甲板機(jī)械，主要用于船舶在錨地的停泊。在普通商船上，錨機(jī)被安裝在露天甲板上，工作在海平面以上，主要受上浪作用和錨鏈的負(fù)載力，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和受力計(jì)算較為傳統(tǒng)，可根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)和理論公式進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核[1]。

本文針對(duì)八萬噸半潛船等需潛水作業(yè)船舶（平臺(tái)）用錨機(jī)，除用于常規(guī)水上錨泊外，還可以在海水中收放錨鏈，并且具備一鍵重力拋錨功能[2]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要需解決以下2方面問題：1）滿足水下收放錨鏈的海水密封問題；2）一鍵重力拋錨的控制策略與安全性問題。

1 設(shè)計(jì)輸入要求

本文所述錨機(jī)安裝在半潛工作船，錨機(jī)安裝在船首半封閉艙室中，錨鏈直徑122 mm，AM3級(jí)肯特鏈，最大拋錨深度100 m。當(dāng)船舶航行時(shí)或非下潛作業(yè)時(shí)，該艙室處于海平面以上，當(dāng)船舶下潛作業(yè)時(shí)，該艙室所處水深最大可達(dá)30 m，此時(shí)艙內(nèi)充滿海水。錨機(jī)既可以在水上操作起拋錨，還可以在下潛作業(yè)時(shí)收放錨鏈。

艏部艙內(nèi)甲板左右各設(shè)置1套航行錨機(jī)，用于收放艏錨。航行錨機(jī)包括臥式液壓錨機(jī)、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。航行錨機(jī)具備遠(yuǎn)程和本地操作功能，可在CCTV系統(tǒng)的配合下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程起拋錨作業(yè)，也可通過本地控制箱實(shí)現(xiàn)就地起拋錨作業(yè)。該錨機(jī)取得了中國船級(jí)社產(chǎn)品認(rèn)證證書。

1.1 環(huán)境要求

錨鏈輪及其基座、主軸、掣鏈器和棄錨器等安裝在錨鏈艙上平臺(tái)的設(shè)備應(yīng)考慮海水腐蝕、泥沙淤積和干濕變化對(duì)設(shè)備的影響。

根據(jù)全球營運(yùn)范圍內(nèi)的海水和溫度條件設(shè)計(jì)。錨機(jī)安裝在機(jī)艙內(nèi)，環(huán)境條件見表1。

表1 機(jī)艙主要設(shè)備環(huán)境條件

對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的電子設(shè)備應(yīng)滿足以下溫度條件：艙室應(yīng)能夠在溫度為0 ℃～55 ℃時(shí)正常工作；在機(jī)艙內(nèi)，允許溫度下限為5 ℃。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫度按?15 ℃設(shè)計(jì)，滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2019年修改通報(bào)對(duì)低溫區(qū)域航行船舶的要求。

1.2 工況要求

錨機(jī)主要用于船舶在錨地的錨泊、停船時(shí)的臨時(shí)拋錨以及緊急棄錨等工況。除此之外，錨機(jī)還可以幫助船舶移動(dòng)船位、航行中因故暫時(shí)停航或遇緊急情況時(shí)固定船位以及其他特殊用途（如：登陸艇的沖灘或退灘等）。

本文中的錨機(jī)主要用于錨地停泊、停船時(shí)臨時(shí)拋錨[3]、緊急棄錨以及航行中因故暫時(shí)停航或遇緊急情況時(shí)對(duì)船位進(jìn)行固定。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

以往半潛船錨機(jī)大部分參照其他商船設(shè)計(jì)，錨機(jī)安裝在露天甲板上，而本文所述錨機(jī)則安裝在艙室內(nèi)，且錨鏈輪部分需要在海水中收放錨鏈。

錨機(jī)在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)需要突破以下6個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)：1）液壓錨機(jī)主軸隔艙密封技術(shù)；2）臥式錨機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；3）一鍵拋錨控制策略；4）錨機(jī)防腐設(shè)計(jì)方案；5）錨鏈進(jìn)近控制策略；6）遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

錨機(jī)結(jié)構(gòu)形式一般分為臥式錨機(jī)和立式錨機(jī)2種。本文設(shè)計(jì)的錨機(jī)錨鏈輪需要在海水中工作，錨鏈輪及安裝機(jī)座需要泡在海水中，而剎車帶、動(dòng)力單元無法在海水中正常作業(yè)，這就對(duì)錨機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

2.1.1 機(jī)械總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于錨鏈輪部分要浸泡海水，而液壓馬達(dá)、剎車帶和齒輪等無法在海水中正常作業(yè)，因此必須將錨鏈輪與其他機(jī)構(gòu)隔離開。如上文所述，錨機(jī)分為臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)，下面對(duì)這2種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行討論。

臥式錨機(jī)可以將錨鏈輪及其機(jī)座單獨(dú)放置在濕艙，錨鏈輪主軸水平穿過艙壁，剎車帶和減速箱安裝在干艙，具體結(jié)構(gòu)型式見圖1。

圖1 臥式錨機(jī)機(jī)械總體結(jié)構(gòu)示意圖

臥式結(jié)構(gòu)可以有效解決穿艙密封問題，錨機(jī)水平安裝在2個(gè)相鄰艙室，空間布局結(jié)構(gòu)相對(duì)寬裕，維修保障空間相對(duì)較大，安裝方便。缺點(diǎn)是：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備重量較大，安裝調(diào)整難度較大。

立式結(jié)構(gòu)則需要豎直穿過甲板面，錨機(jī)豎直安裝在上下2個(gè)相鄰艙室，空間布局結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，維修保障空間相對(duì)較小；同時(shí)，錨鏈輪部分為懸臂結(jié)構(gòu)，錨鏈輪機(jī)座及錨鏈輪軸的受力相對(duì)較差，同時(shí)隔艙密封的安裝及維修保障不便，豎直安裝還需考慮海水中泥沙等對(duì)隔艙密封使用壽命的影響。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)型式見圖2。

圖2 立式錨機(jī)機(jī)械總體結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，采用臥式錨機(jī)更為合理。臥式錨機(jī)更方便船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，主軸密封技術(shù)相對(duì)成熟，維修吊裝更方便。

2.1.2 隔艙密封

旋轉(zhuǎn)主軸動(dòng)密封型式多樣，常用的有盤根密封、隔艙密封和機(jī)械密封等。根據(jù)本次設(shè)計(jì)錨機(jī)的設(shè)計(jì)輸入條件來看，盤根密封和隔艙密封2種型式均可使用。盤根密封主要應(yīng)用在鯊魚鉗等產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但是盤根密封的維護(hù)頻次高。隔艙密封主要用于槳軸產(chǎn)品，不承受徑向力，密封效果好，可靠性高，維護(hù)頻次低；缺點(diǎn)是成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本文設(shè)計(jì)的錨機(jī)位于機(jī)艙附近，人員較少進(jìn)入到設(shè)備旁，要求密封結(jié)構(gòu)的可靠性高，避免維護(hù)或減少維護(hù)。穿艙主軸主要傳遞扭矩不承受徑向力，主軸既可以在海水中作業(yè)，也可以在空氣中作業(yè)。通過對(duì)比可知：隔艙密封結(jié)構(gòu)方案更合適。

本文設(shè)計(jì)的隔艙密封不承受徑向載荷，隔艙密封轉(zhuǎn)動(dòng)體內(nèi)孔通過張緊機(jī)構(gòu)連接在主軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外套通過螺栓與固定機(jī)座連接。同時(shí)，在外套中設(shè)有彈性體，能夠滿足錨機(jī)在拋錨過程中引起的徑向跳動(dòng)。隔艙密封內(nèi)孔設(shè)計(jì)有多道密封防止海水進(jìn)入，同時(shí)在靠近外側(cè)密封之間通入壓縮空氣和沖洗淡水，隔艙密封海水側(cè)設(shè)有壓力傳感器，用于監(jiān)測密封外側(cè)海水壓力，以動(dòng)態(tài)調(diào)整氣體壓力，防止海水進(jìn)入干艙。當(dāng)主軸在空氣中工作時(shí)，在干艙側(cè)密封之間注入潤滑油，以防密封圈因與轉(zhuǎn)動(dòng)體產(chǎn)生干摩擦而損壞。

2.1.3 防腐蝕設(shè)計(jì)

當(dāng)半潛船下潛時(shí)，錨機(jī)的錨鏈輪及機(jī)座完全浸沒在海水中，這導(dǎo)致機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮防腐問題。本次設(shè)計(jì)主要從2個(gè)方面展開：1）材料選型上考慮耐海水腐蝕材料；2）非耐海水材料采用噴涂防腐油漆加犧牲陽極的方式。

具體防腐方案如下：對(duì)于錨鏈輪機(jī)座等組件，噴涂耐海水油漆并安裝防腐鋅塊；在錨鏈輪組件表面噴涂耐海水油漆；對(duì)于主軸等有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的部位，采用不銹鋼材料防止海水腐蝕；對(duì)于螺栓螺母，外側(cè)安裝有不銹鋼保護(hù)罩，螺栓孔用硅膠泥包裹，貼合面涂密封膠等以防海水腐蝕。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錨機(jī)液壓系統(tǒng)為高壓開式系統(tǒng)，液壓油箱設(shè)置高油溫報(bào)警、濾器堵塞報(bào)警和低液位報(bào)警等安全報(bào)警功能。用于錨機(jī)離合器和剎車操作均有液壓油缸驅(qū)動(dòng)，錨機(jī)泵站設(shè)有控制泵提供液壓油缸壓力油，同時(shí)，離合器油缸設(shè)有液壓鎖以便保持離合器狀態(tài)，剎車油缸配置比例閥用于調(diào)節(jié)油缸工作壓力。本次錨機(jī)主要操作位在集控室遠(yuǎn)程操控，且操作時(shí)無法觀察到錨穴，因此要著重解決錨進(jìn)近保護(hù)和重力拋錨等關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 進(jìn)近保護(hù)設(shè)計(jì)

操作人員在收錨過程中無法觀察到錨入錨穴的狀態(tài)，又因本文錨唇為內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，因此要降低錨進(jìn)近速度，以避免錨對(duì)船體造成撞擊傷害。要降低錨的撞擊力度，可從減小質(zhì)量、降低速度和減小拉力3個(gè)方面入手。

本次液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路主要從降低速度和減小拉力入手。本文設(shè)計(jì)的錨機(jī)配有錨鏈長度監(jiān)測系統(tǒng)，以錨鏈長度來判斷當(dāng)前錨接與錨穴間的距離。另外，為了能夠遠(yuǎn)程操控，錨機(jī)主閥選用電比例主閥；為了降低拉力，增加1套切換閥和減壓閥，以降低系統(tǒng)壓力。

當(dāng)控制系統(tǒng)識(shí)別到錨接近錨穴，則系統(tǒng)自動(dòng)控制減小主閥開口度，以降低速度；同時(shí)，通過油路切換，將減壓閥串入回路，以降低系統(tǒng)工作壓力，進(jìn)而達(dá)到減速和減小拉力的目的。

2.2.2 重力拋錨設(shè)計(jì)

重力拋錨時(shí)，錨及錨鏈的重力為主動(dòng)力，錨機(jī)被動(dòng)放出錨鏈，馬達(dá)被動(dòng)反轉(zhuǎn)。此時(shí)，液壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置反向平衡閥，用于平衡因錨及錨鏈的重力。由于反向旋轉(zhuǎn)容易造成液壓馬達(dá)吸空，因此，液壓系統(tǒng)中務(wù)必設(shè)置補(bǔ)油系統(tǒng)。

2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能包括錨機(jī)收放操作及速度控制功能、綜合報(bào)警功能、錨鏈長度及速度顯示功能、錨鏈張力顯示功能、進(jìn)近控制功能、一鍵重力拋錨功能和系統(tǒng)保護(hù)功能。以下重點(diǎn)介紹一鍵重力拋錨功能和系統(tǒng)保護(hù)功能。

2.3.1 一鍵重力拋錨設(shè)計(jì)

一鍵重力拋錨設(shè)計(jì)主要是為實(shí)現(xiàn)拋錨控制的自動(dòng)化，將一系列手動(dòng)控制操作集成在系統(tǒng)之中，通過檢測錨鏈的長度及速度來實(shí)現(xiàn)。具體原理為：手動(dòng)操作錨機(jī)將錨放置接近海底時(shí)，按下一鍵重力拋錨按鈕，此時(shí)控制系統(tǒng)通過監(jiān)測錨鏈的速度及長度，來控制錨入土；而后，剎緊剎車，帶錨入土；再按下一鍵重力拋按鈕以自動(dòng)釋放躺底鏈；若錨未正確入土，則重復(fù)上述操作，直至拋錨完成。

2.3.2 系統(tǒng)保護(hù)與電機(jī)熱啟設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)安保功能包括：泵站油箱的高油溫、低液位及濾器堵塞報(bào)警，電機(jī)配置的高溫報(bào)警和空間加熱器，以及起動(dòng)器控制柜配置的電流超載報(bào)警和除潮加熱等。

液壓系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，50%備用，即3臺(tái)泵，兩用一備，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任意一臺(tái)泵故障后備用泵自動(dòng)啟動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)上述功能，則需要在液壓泵的入口處設(shè)置壓力傳感器，用于判斷泵輸出壓力是否正常，當(dāng)任意一臺(tái)泵輸出壓力過低時(shí)，系統(tǒng)將首先自動(dòng)啟動(dòng)備用電機(jī)，然后再自動(dòng)加載，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“熱啟動(dòng)”。

3 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的錨機(jī)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到液壓和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，均圍繞用戶要求以及使用環(huán)境開展，有效解決了耐海水腐蝕、隔艙密封和一鍵重力拋錨等關(guān)鍵技術(shù)。

1）本文設(shè)計(jì)的錨機(jī)結(jié)構(gòu)新穎，能夠有效解決錨機(jī)水下作業(yè)的密封問題以及耐海水腐蝕的問題等。

2）該錨機(jī)自動(dòng)化程度高，通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和CCTV系統(tǒng)有效解決了錨機(jī)遠(yuǎn)程操控問題，為后續(xù)自動(dòng)化智能化控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3）本文設(shè)計(jì)的錨機(jī)液壓系統(tǒng)，安全性高，通過增設(shè)減壓閥以及比例控制閥等途徑，有效提高了液壓系統(tǒng)的控制能力，解決了錨機(jī)的自動(dòng)化操作問題。