水下拖曳系统收放绞车设计

田振华， 刘启帮

（中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北 宜昌 443003）

引言

在海洋开发和军事活动中，水下拖曳系统具有及其重大的意义。借助这些装备可以进行各种海洋学要素和地球物理学参量的测量，海底的考察和摄影等。由于这些装备投放到很深的地方，因此需要绞车进行自动投放和回收。本文将对某型水下拖曳设备的收放绞车设计过程进行介绍。

1 系统组成及工作原理

该型绞车主要用于水下拖曳设备的自动收放，技术要求如下：

1）容缆参数：圆柱缆长度160m，直径28.5 mm，最小弯曲半径280mm；

2）收放缆最高速度0.5m／s，调速平稳；3）拖缆制动力：不小于10kN；

4）总重量（不含拖缆）：不大于400kg；

5）占用空间：不大于1 000mm×1 000mm×1 000mm（长×宽×高）。

根据绞车技术要求，设计绞车的总体结构如图1绞车组成所示。绞车通过2个支撑架支撑，左右支撑架上各安装1个滚动轴承，滚动轴承上安装卷筒。减速机固定在支撑架上，减速机通过传动轴带动卷筒转动的同时，通过链轮传动带动双向丝杆转动。

图1 绞车组成

排缆装置结构如图2排缆装置组成所示。双向丝杆装在2个支撑侧板之间，支撑侧板通过光杆连接。活动架同时穿过光杆和双向丝杆。当大链轮转动时，带动双向丝杆转动，活销在双向丝杆的沟槽内左右移动，从而带动活动架往复运动进行排缆。当需要对活动架左右位置进行调整时，可把手轮与大链轮脱开，通过手轮进行调节。

图2 排缆装置组成

2 结构设计及校核

2.1 卷筒

卷筒可排缆长度为［1］：

式中，l为缆长，L0为卷筒轴向长度，b为排缆间距，n为卷绕层数，D为卷筒直径，d为电缆直径。

对于排缆层数多，且对排缆要求严格的绞车，优先选择开槽卷筒。对于排缆层数少的绞车，为了节约成本，可选择光面卷筒。本文设计绞车选用光面卷筒。卷筒的接触应力为：

式中，A为与卷绕层数有关的系数，A1为应力较小系数，一般取0.75。Fmax为钢丝绳最大拉力，b为钢丝绳卷绕节距，δ为卷筒厚度。

电缆最小弯曲半径为280mm，为延长缆寿命，减少排缆层数。在外形尺寸许可范围内卷筒直径取大一些，参考卷筒直径的尺寸序列，取直径为630mm。同理，增大卷筒长度可以减少排缆层数，空间限制为1 000mm，取卷筒轴向长度L0＝930mm。缆长l＝160m，电缆直径为28.5mm，通过计算需要排三层。光面卷筒第一层盘绕时，由于没有缆槽的限制，电缆开始排的较紧密，到一定圈数后，缆间隙总量较大。因此，光面卷筒排缆间距离应略小，防止上层电缆嵌入到下层，取排缆间距b＝30mm。

本文卷筒详细参数见表1。

表1 卷筒详细参数mm

2.2 排缆器

该型绞车使用双向丝杆—活销排缆装置，该方式具有结构简单、换向可靠的优点［2］。

要使活销能够在双向丝杆的沟槽内顺利转动，螺距应满足［3］：

式中，P为螺距，dm为中径，μ为活销与丝杆的摩擦系数。

要使活销顺利通过交叉口，要求活塞的包络角α大于沟槽交叉口的包络角。

为了使活销顺利通过两侧换向的位置，在两侧设计过渡圆角，如图3双向丝杆所示。活销外形如图4活销所示。

图3 双向丝杆

图4 活销

绞车在实际使用时，需要在船尾布置滑轮。作用在排缆器上的力为：

式中，E为排缆器与滑轮的距离，α为排缆装置换向时缆与中心线的偏角。

根据上述载荷可对丝杆和排缆侧板等零件进行强度校核。初步选光杆与双向丝杠的直径为60mm，底径为44mm，螺距为60mm，槽宽为15mm。

2.3 链轮传动

链轮传动比i满足：

式中，P为双向丝杆螺距，b为卷筒排缆间距，Z2为大链轮齿数，Z1为小链轮齿数。

为使传动平稳，应取Z1≥25。本绞车取28，则大链轮齿数为56。中心距a0初取30～50倍链条节距。得链长节数［4］：

式中，p为链条节距。

X0应圆整成偶数X，以避免过度链节。实际中心距为：

2.4 电机与减速器

绞车排缆示意如下页图5绞车排缆示意所示，最外层缆中心的半径为：

图5 绞车排缆示意

绞车最大驱动力矩为：

根据排缆要求，可得出卷筒转速为：

电机的输出功率为：

式（10）～（12）中：F为绞车的最大拉力，v为最大排缆速度。

根据上述计算结果，选取5.5kW三相异步电机6极，转速为1 000r，380V供电，选用船用电机座号132M2，选取减速比为36.1，输出转矩不小于3 090N·m的减速机。

3 结语

本文设计的绞车经实际验证，结构简单，运行可靠，拆装维护方便，满足技术要求及使用需求。

［1］ 闻邦春.机械设计手册［M］.第五版（第3卷）.北京：机械工业出版社，2010.

［2］ 唐少波.自动排缆（管）装置的设计与研究［J］.石油与化工设备，2011（2）：9－11.

［3］ 胡文伟.关于双向螺杆和活销的若干问题［J］.渔业现代化，1985（1）：29－32.

［4］ 闻邦春.机械设计手册［M］.第五版（第2卷）.北京：机械工业出版社，2010.