滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)在海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

王瀚宇，徐 昕，張能輝，曾現(xiàn)敏

（國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266100）

近年來，隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略全面實(shí)施，我國海洋科考事業(yè)蓬勃發(fā)展，在深遠(yuǎn)海進(jìn)行的海洋科考活動(dòng)越來越多。海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)作為收放海洋觀探測裝備，開展各項(xiàng)海洋復(fù)雜調(diào)查工作的核心裝置，被廣泛使用于各類科考調(diào)查船舶。

在絞車系統(tǒng)中，為保持調(diào)查用纜收放方向穩(wěn)定且始終在纜槽中運(yùn)行，在調(diào)查用纜出/入滑輪或絞車的位置，需要設(shè)置導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)[1]。海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)查用纜做物理限定，并對(duì)其運(yùn)行方向和運(yùn)行形態(tài)進(jìn)行引導(dǎo)和制約[2]。導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)通常位于導(dǎo)纜滑輪或絞車?yán)|槽對(duì)側(cè)，與調(diào)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(dǎo)纜結(jié)構(gòu)是維持絞車作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文就將滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)引入海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于“大洋一號(hào)”船絞車系統(tǒng)試制了一套應(yīng)用于海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)的滾動(dòng)軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)際場景的應(yīng)用分析，為深海調(diào)查絞車系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持和設(shè)計(jì)參考。

1 現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)缺陷分析

目前國內(nèi)外可查詢到的在用海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)，導(dǎo)纜和擋纜結(jié)構(gòu)全部采用在相關(guān)位置加裝金屬銷軸，涂抹潤滑油，再配以尼龍等材質(zhì)外套轉(zhuǎn)動(dòng)的簡單結(jié)構(gòu)[3]，其基本設(shè)計(jì)思路是將調(diào)查用纜與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)外套接觸，由纜的收放帶動(dòng)外套在金屬銷軸上轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)纜。在此過程中，以金屬銷軸與外套之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)來保持調(diào)查用纜與外套之間進(jìn)行滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，減輕調(diào)查用纜與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損（圖1）。

圖1 現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)

進(jìn)行深水收放纜作業(yè)時(shí)，因放纜入水長度較長，調(diào)查設(shè)備質(zhì)量較大，導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)會(huì)受到調(diào)查用纜較大的徑向壓力；現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)金屬銷軸和外套間的潤滑油易持續(xù)浸入雜質(zhì)和沾附在纜上的海水，急劇增大轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)和阻力；船舶隨海上涌浪升降時(shí)，調(diào)查用纜常因失重、超重導(dǎo)致其與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)外套間的徑向壓力產(chǎn)生波動(dòng)，甚至不斷拋離和撞擊外套，直接造成導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損和形變[4]；A型架或?qū)Ю|滑輪等擺動(dòng)造成調(diào)查用纜收放角度變化時(shí)，其與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)間的接觸和徑向壓力會(huì)發(fā)生變化；放纜長度變化導(dǎo)致調(diào)查用纜入水部分重力的變化也會(huì)同步影響纜與入海端導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)外套間的徑向壓力[5]。上述情況均會(huì)加重調(diào)查用纜與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)之間的滑動(dòng)摩擦，造成導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損和形變，導(dǎo)致內(nèi)部金屬銷軸與調(diào)查用纜直接接觸摩擦，進(jìn)而造成金屬銷軸磨損、斷裂，以及調(diào)查用纜磨損、割損乃至跳纜、斷裂的安全事故，嚴(yán)重影響海洋科考調(diào)查工作的安全與效率，難以滿足海上科考調(diào)查期間高頻次收放纜的作業(yè)需求?，F(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)磨損情況如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)磨損情況

此外，導(dǎo)纜和擋纜結(jié)構(gòu)通常處在A 型架外側(cè)、導(dǎo)纜滑輪外側(cè)、絞車系統(tǒng)入海末端等作業(yè)人員不易、不宜接觸的區(qū)域，頻繁更換不僅難度大、效率低、耗材成本高，還容易發(fā)生人身危險(xiǎn)，造成無謂的人身傷害。

將滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)引入導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)，可通過滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)纜，改變現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)通過滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)纜的工作原理，從根本上解決導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)因滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致的高磨損、易傷纜的問題。

2 基于滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)存在的核心問題首先是金屬銷軸與外套之間轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)、摩擦阻力易增大，因而不能保持持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[6]；其次是在收放纜期間，調(diào)查用纜與導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)間不能始終保持接觸，并保持一定的徑向壓力。擬使用滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)代替金屬銷軸與外套之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，大幅度減小導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)，減小轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)徑向壓力和切向拉力的需要。

滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)能承受較大的徑向壓力和傾覆力，并保持高轉(zhuǎn)速的滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)切向拉力的要求低[7]，且形態(tài)設(shè)計(jì)上能契合銷軸搭配外套轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)纜的結(jié)構(gòu)，適合作為轉(zhuǎn)動(dòng)的核心部分引入導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)。

2.2 導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

滾動(dòng)軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的工作原理是通過收放調(diào)查用纜帶動(dòng)內(nèi)含滾動(dòng)軸承的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)小。彈簧等輔助增加壓力結(jié)構(gòu)可最大程度保持調(diào)查用纜與滾輪之間的接觸和徑向壓力，保持滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，加大調(diào)查用纜與滾輪間的貼合力度及滾動(dòng)摩擦的比例[8]。根據(jù)滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬通過設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)滾輪、加壓彈簧保持其與調(diào)查用纜的接觸和壓力，保持導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)自身的滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)[9]。

（1）滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)滾輪設(shè)計(jì)

將滾動(dòng)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(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)外套，形成金屬銷軸套滾動(dòng)軸承滾輪的結(jié)構(gòu)。根據(jù)絞車收放纜速度、金屬銷軸尺寸、滑輪尺寸、調(diào)查用纜纜徑、長度和重量等實(shí)際情況配套設(shè)計(jì)滾輪尺寸，選擇滾子類型。涂抹潤滑油可在保持滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)流暢的同時(shí)，防止海水及海上高鹽霧環(huán)境對(duì)金屬銷軸和軸承結(jié)構(gòu)的腐蝕[10-11]。

（2）加壓彈簧設(shè)計(jì)

可在垂直于調(diào)查用纜壓力施加方向的平面上并排設(shè)置可活動(dòng)并靠的滾動(dòng)軸承滾輪，將調(diào)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(jié)構(gòu)，保持調(diào)查用纜與滾輪之間的接觸和徑向壓力。

圖3 所示為內(nèi)含圓柱滾子軸承的滾輪與調(diào)查用纜接觸時(shí)的截面圖，圖3（a）和圖3（b）分別為軸向截面和徑向截面。對(duì)于觸點(diǎn)，F(xiàn)N為調(diào)查用纜向滾輪施加的轉(zhuǎn)動(dòng)方向徑向壓力；N 為滾輪對(duì)調(diào)查用纜的支持力；FS為調(diào)查用纜因收放對(duì)滾輪施加的轉(zhuǎn)動(dòng)方向切向拉力；FU為滾輪對(duì)調(diào)查用纜的阻力；μ 為調(diào)查用纜與滾輪表面的摩擦系數(shù)；μ2為滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)。

圖3 滾動(dòng)軸承滾輪與調(diào)查用纜觸點(diǎn)的受力情況

實(shí)際收放纜作業(yè)過程中，在調(diào)查用纜與滾輪保持接觸的情況下，F(xiàn)U小于調(diào)查用纜與滾輪表面的最大靜摩擦力μFN時(shí)，纜與滾輪表面即可保持滾動(dòng)摩擦。而FU取決于滾輪滾動(dòng)產(chǎn)生的阻力，即FU=μ2FN。因μ2為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，小于μ，所以FU=μ2FN＜＜μFN。因此，纜與滾輪之間可保持滾動(dòng)摩擦。

2.3 導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)試制

根據(jù)“大洋一號(hào)”船絞車系統(tǒng)艉部滑輪結(jié)構(gòu)、收放纜速度、纜徑、纜重、歷史作業(yè)纜張力統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)參數(shù)和實(shí)際情況，試制一種深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)試驗(yàn)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(cè)，活銷軸滾輪位于遠(yuǎn)滑輪一側(cè)。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(diào)查用纜通過活銷軸所在位置裝入或移出導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)。

使用期間調(diào)查用纜位于活銷軸滾輪、壓纜輪及兩個(gè)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(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)活銷軸滾輪和壓纜輪轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧可拉動(dòng)壓纜輪移動(dòng)，保持活銷軸滾輪、壓纜輪與調(diào)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(zhuǎn)動(dòng)，保持活銷軸滾輪、壓纜輪與纜之間進(jìn)行滾動(dòng)摩擦[12-13]。

此結(jié)構(gòu)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(dǎo)纜結(jié)構(gòu)組裝圖

對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬調(diào)查用纜將徑向壓力施加在活銷軸滾輪上的情況，得出結(jié)果為：活銷軸滾輪受徑向壓力達(dá)2 000 N 時(shí)（圖5 和圖6），到達(dá)開始應(yīng)變的臨界值。“大洋一號(hào)”船導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)裝在滑輪隨動(dòng)臂上，隨動(dòng)臂可隨調(diào)查用纜出入滑輪槽的位置移動(dòng)，保持調(diào)查用纜始終在滑輪槽內(nèi)。因此，導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)活銷軸滾輪所受徑向壓力只來源于隨動(dòng)臂移動(dòng)阻力的反作用力，小于其應(yīng)變臨界值。導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可滿足導(dǎo)纜需要，彈簧可保持活銷軸滾輪、壓纜輪與調(diào)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(yīng)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(yīng)變分析

3 應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用場景概況

深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)件于2020 年6 月制成，2020 年8 月裝入“大洋一號(hào)”船艉部滑輪，在大洋第61 航次調(diào)查任務(wù)中投入實(shí)驗(yàn)使用。

“大洋一號(hào)”船搭載美國DYNACON 公司JOBs 739/740/741 號(hào)絞車系統(tǒng)，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(chǔ)纜絞車、萬米同軸電纜（直徑21.2 mm）儲(chǔ)纜絞車、萬米鋼纜（直徑16 mm）儲(chǔ)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(jī)和上甲板左舷伸縮折臂吊機(jī)組成。其中艉部大A架動(dòng)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(hào)”船艉部大A 型架和萬向滑輪

3.2 應(yīng)用分析

現(xiàn)將大洋第56 航次與大洋第61 航次使用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，列出現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)膠輪和深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)活銷軸滾輪尼龍材料的磨損深度數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 兩航次使用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)作業(yè)數(shù)據(jù)

大洋第61 航次共完成16 站作業(yè)，根據(jù)絞車系統(tǒng)航次報(bào)告，深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的活銷軸滾輪在絞車收放纜過程中始終保持與調(diào)查用纜貼合，且在經(jīng)過16 站連續(xù)使用后，經(jīng)拆卸檢查，活銷軸滾輪及壓纜輪仍轉(zhuǎn)動(dòng)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(dǎo)纜結(jié)構(gòu)件使用后拆卸檢查情況

大洋第56 航次共完成9 站作業(yè)，根據(jù)絞車系統(tǒng)航次報(bào)告，分別于第2 站結(jié)束、第4 站結(jié)束和第7 站結(jié)束后更換導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)外套膠輪3 次，于第6 站結(jié)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(gè)，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(duì)比大洋第56 航次和大洋第61 航次收放纜作業(yè)，因作業(yè)用船舶、絞車、纜繩相同，作業(yè)類型相同，作業(yè)設(shè)備近似，作業(yè)區(qū)水深和環(huán)境近似，所以收放纜長度和纜張力值均近似，調(diào)查用纜施加在導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)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(guān)系而近似。對(duì)于幾乎相同的深水收放纜作業(yè)，原有導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)平均無法連續(xù)完成3 站作業(yè)即會(huì)變形并完全磨透外套膠輪，而深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)件在連續(xù)完成16 站作業(yè)后仍處于正常適用狀態(tài)，且主要承受調(diào)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(duì)比大洋第56航次與大洋第61 航次使用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)作業(yè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)與深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損率見表2。

表2 現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)與深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損率

現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)與深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的磨損率比值約為60.44。因此，深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的耐磨性約為現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的60 倍。

4 結(jié) 論

深溝球軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)使用效果良好，耐磨性約為現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的60 倍，耐用性、有效性和安全性均遠(yuǎn)超現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)，有效克服了現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)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(xù)作業(yè)的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。但實(shí)驗(yàn)仍存在不足，如實(shí)驗(yàn)樣本的數(shù)量和種類少，未進(jìn)行不同絞車、不同滾子類型的比對(duì)；因考慮影響較小，分析中未考慮調(diào)查用纜對(duì)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)滾輪軸向施加的拉力及纜在滾輪軸向移動(dòng)產(chǎn)生的摩擦。

將滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)引入海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)，可從工作原理上克服現(xiàn)有通用導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，加強(qiáng)導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)的耐用性、安全性及其與絞車系統(tǒng)收放纜整體工作的適配性。

滾動(dòng)軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同船舶、絞車的尺寸和使用需求配套制作，廣泛應(yīng)用于各類海洋調(diào)查船舶絞車系統(tǒng)，提高海洋科考調(diào)查作業(yè)的安全性和效率。

滾動(dòng)軸承導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，如可根據(jù)滾輪外覆尼龍材料和內(nèi)部金屬材料絕緣性的區(qū)別，設(shè)計(jì)電信號(hào)磨損反饋裝置，在尼龍材料磨損后，利用金屬調(diào)查用纜與滾輪金屬部分的直接接觸形成通路，進(jìn)行磨損提示和警報(bào)，進(jìn)一步保障絞車收放纜作業(yè)的安全性。