水下掣链器关键技术

白 宗，盛景乔，胡发国，李邦辉，郑晓勋，张勇勇

（1. 武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2. 招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

掣链器是船舶锚泊装置中的重要组成设备[1]，一般布置在锚机与锚链筒的甲板上，用于抛锚后或者船舶航行时夹持锚链。传统的掣链器通常采用手动方式打开或关闭闸刀，这种掣链器结构简单，但安全性较差，尤其是风浪较大的时候。

随着船舶行业的发展，行业对掣链器的自动化程度的要求越来越高，应用工况也越来越复杂。目前，国外有知名甲板机械企业（如：麦基嘉(中国)贸易有限公司），而国内水下掣链器相关设计及应用却寥寥无几。本文设计了一种安装在半潜船上的掣链器，该掣链器可根据半潜船的潜水状态进行水上或水下自动止链，无需操作人员在掣链器旁进行手动操作，提高了掣链器操作的安全性。

1 设计输入要求

本文所述掣链器安装在半潜工作船，掣链器安装在船首开放甲板上，掣链器夹持的锚链直径为132 mm，型号为AM3级肯特链。当船舶航行时或非下潜作业时，掣链器处于海平面以上；当船舶下潜作业时，掣链器完全浸泡在海水中，船舶最大下潜深度为30m。

在艏部甲板左右各设置1套掣链器，用于止链和掣链。该掣链器包括闸刀式掣链器、液压系统及电器控制系统。掣链器具备远程和本地操作功能，可在CCTV系统的配合下实现远程作业，也可以通过本地控制箱实现就地止链或掣链作业。

1.1 环境要求

掣链器安装在开放的甲板面上，应考虑海水腐蚀、泥沙淤积和干湿变化对设备的影响。根据全球营运范围内的海水和温度条件进行设计。掣链器安装在甲板表面，环境条件见表1。

表1 机舱主要设备环境条件

工作中，机舱内的温度下限为5℃。

结构设计温度按−15℃设计，满足《钢质海船入级规范》（2019年修改版）对低温区域航行船舶的要求[2]。

1.2 工况要求

本文所涉及掣链器主要用于船舶在锚地锚泊时的止链工况及航行时的掣链工况。

2 总体设计

2.1 机械结构设计

本文通过分析掣链器的工作环境及使用工况，研究掣链器的受力特性和掣链器的闸刀开合方式，掣链器的结构形式如图1(a)和图1(b)所示。

图1 掣链器结构图

掣链器主要由掣链器体、滚轮、滚轮衬套、滚轮轴、张紧油缸、推动销、闸刀架、闸刀油缸、左闸刀、右闸刀和插销油缸等组成，主要用于锚泊工况止链或航行工况掣链。当船舶需要锚泊时，锚机将锚链张紧，掣链器掣链松开，掣链器闸刀打开，掣链器插销合上，锚机进行放锚抛锚作业；抛锚作业完成后，掣链器插销打开，掣链器的闸刀关闭将锚链卡住。当锚泊作业完成后，锚机将锚链张紧，掣链器闸刀打开，掣链器插销合上；在锚机进行收锚作业的过程中，当锚与锚穴接触时，掣链器插销打开，掣链器闸刀关闭，锚机操作手柄回中位，掣链器掣链张紧。

2.2 液压系统设计

该掣链器液压系统为开式系统[3]，见图2。该液压系统的泵站采用1用1备的形式，液压油箱设置低液位报警、滤器堵塞报警、高油温报警及低压力报警等安全报警功能。当掣链器工作时，泵站起动给掣链器对应的液压油缸供油从而控制对应的结构运动。由于掣链器全部浸泡在海水中，设备上液压油缸及对应的管路也浸泡在海水中，因此所选用的液压油缸及管路需满足水下30 m浸泡的工况。

图2 掣链器液压系统原理图

2.3 电器系统设计

该掣链器的控制方式主要为本地控制和遥控控制。其中，本地控制在机旁控制台上实现，主要包含报警、泵站起动/停止、闸刀开/合、插销开/合和掣链张紧/松弛等操作功能。遥控控制在集中控制台实现，也包含报警、泵站起动/停止、闸刀开/合、插销开/合及掣链张紧/松弛等操作功能。由于该掣链器的油缸均配备位移传感器，通过检测油缸运动位移来判定设备的动作状态。

3 关键技术

3.1 水下自动止链技术

本论文设计的掣链器可实现水上和水下的自动止链。当需要远程操作掣链器进行止链或者水下止链时，操作人员无法到达掣链器旁观察锚链所处的位置，因此需要在无人观察的情况下进行止链。本文通过检测锚链长度来判断是否可以进行止链动作。当按下闸刀合时，通过闸刀油缸位移传感器检测油缸是否运动到位来判断闸刀是否合上，从而实现自动止链功能。

3.2 自动掣链技术

当船舶在航行工况时，需保证锚爪与锚唇紧密贴合，否则猫爪会撞击锚唇损伤船体[4]。本文在掣链器左右侧各布置1个张紧油缸，该张紧油缸为弹簧油缸，弹簧布置在无杆腔。船舶航行等非锚泊状态下，张紧油缸活塞杆伸出，推动闸刀架向锚链轮方向移动收紧锚链，即保证锚链上张紧力大于锚和掣链器与锚之间锚链的重量之和，使锚爪与锚唇紧密贴合。

3.3 自动润滑及密封设计技术

本文设计的掣链器的作业工况分为水上和水下2种，各转动点的润滑及密封设计如下：

1）滚轮轴处的润滑

滚轮轴为不锈钢材料，滚轮轴两端用轴端卡板固定。衬套为铜合金材料，冷套安装在滚轮内孔上。根据迷宫密封的设计原理，在衬套径向方向上设计迷宫槽，同时安装毡圈。该密封结构主要用以防止润滑脂渗漏及泥沙进入衬套与滚轮轴间的间隙。当掣链器在水面上时，集中润滑系统往滚轮轴处注入润滑脂，直到注满；当掣链器在水下时，会有海水浸入到轴瓦与滚轮轴间的间隙，但并不影响设备的运转。同时，该润滑脂为可降解生物油脂，不会对环境造成污染。

2）推动销处的润滑设计

掣链器体左右两侧各布置1个张紧油缸，通过张紧油缸带动推动销控制闸刀架的前后移动。推动销上轴承为水润滑轴承，满足设备水上/水下使用工况。推动销与水润滑轴承接触的部位采用不锈钢材料，隔套也使用不锈钢材料。

3）转动销处的润滑设计

本文的闸刀转动结构采用翻转油缸控制闸刀的转动。翻转油缸耳环两端内置水润滑轴承；油缸两端连接销轴处均采用不锈钢材料；闸刀转动轴采用不锈钢材料；闸刀耳板内置水润滑轴承。

3.4 防腐蚀设计技术

当半潜船下潜时，掣链器完全放置在海水中，这需要考虑机构的防腐问题。本文主要从2个方面进行设计：1）材料选型上，需要考虑耐海水腐蚀材料；2）非耐海水材料采用喷涂防腐油漆加牺牲阳极的方式进行舾装。

对于掣链器体等结构件，喷涂耐海水油漆并安装防腐锌块。所有转动部位销轴均采用不锈钢材料，以防海水腐蚀。螺栓螺母均采用A4-70材质，裸露螺栓孔采用硅胶泥进行包裹，贴合面采用涂密封胶等方式以防海水腐蚀。

4 结论

根据半潜船的作业需求及功能需求，结合掣链器的使用环境及作业工况，确定水下掣链器的主要结构形式，成功将水下自动止链技术、自动掣链技术、自动润滑及密封及防腐蚀设计技术应用到设计中，并通过工程实践验证了该掣链器的性能。本文对掣链器研究填补了我国掣链器水下止链及掣链技术的空白，采用的先进技术确保了掣链器的可靠性与先进性，为甲板设备的智能化及自动化提供了技术支撑。