深海大吨位起抛锚拖缆机静态张力测量方法

李钊，陈强

深海大吨位起抛锚拖缆机静态张力测量方法

李钊，陈强

考虑到深海起抛锚拖缆机进行拖带作业时，缆绳上静态张力因为波浪、潜流、风载等因素会实时变化，缆绳载荷超限会危及拖缆机甚至整船的安全，需要精确地测量缆绳上静态张力并在线监测与显示，使得缆绳载荷超限时，可及时采取应急释放等安全措施，提出制动组件紧边拉力反馈法测量缆绳静态张力，拖缆机试验表明此测量方法的误差较小，说明此测量方法适用于大吨位拖缆机缆绳静态张力的测量。

深海；大吨位；拖缆机；静态张力；测量

三用工程船属于海洋平台重要的辅助船舶，具备拖带平台和起抛锚作业的能力[1]。拖缆机作为三用工程船的核心装备，其性能的好坏以及可靠性决定了整船的作业能力。缆绳静态张力即拖缆机处于制动工况时，工程船拖曳驳船或海洋平台时缆绳上的张力。目前已有的缆绳张力测量方法包括[2]：①标记缆绳法，在缆绳上进行标记测量其相对位置的变化，这种方法操作简单，但是不直观，且无法得到准确的静态张力值；②串联拉力传感器法，在缆绳上串联拉力传感器直接进行测量，由于缆绳最大静态张力值可以达到拖缆机支持负载(3 000～5 000 kN)，对拉力传感器强度要求较高，另外拖缆机在实际工况需要间歇收放缆，串联拉力传感器会限制收放缆长度；③三点弯曲法，缆绳经过张力测量装置时，使缆绳局部产生类似三点弯曲变形，将缆绳张力P的合力通过张力轮作用到张力传感器上，从而得到缆绳张力，见图1。

该方法精度较高，但是同样当缆绳上静态张力值较大时，对张力轮和支撑轮的安装有较高要求，结构形式负载，且缆绳张力测量吨位受限。

因为以上方法所存在的局限性，故提出制动组件紧边拉力反馈法测量缆绳静态张力。具体实施办法为通过相应的手段实时测量拖缆机制动组件刹车带紧边拉力，根据缆绳张力与紧边拉力的对应关系，求得缆绳张力，以解决准确测量大吨位拖缆机缆绳静态张力的难题。

1 工况说明

研究对象为某深海作业低压起抛锚拖缆机。

拖缆机处于拖带工况时，刹紧滚筒，滚筒缠绕的缆绳拖曳海洋平台移动。该机型采用带式制动组件实现制动、松刹功能[3]。液压缸驱动松边刹车带动作，使其抱紧或脱离滚筒，实现制动或松刹。当拖缆机拖曳海洋平台或者驳船时，刹车油缸处于刹紧状态，缆绳设计最大静态张力为拖缆机4 000 kN支持负载(滚筒最内层)。

实际使用过程中由于波浪等外部载荷的作用，缆绳张力在不断变化，需要对缆绳静态张力实时监测并显示，当缆绳张力值超过设定安全值时，控制系统发出缆绳张力超限报警，并采取相应措施卸荷，以保证拖缆机设备及整船安全。

2 带式制动理论基础

拖缆机滚筒沿顺时针旋转，按照绕性体摩擦理论推导其理论基础。

见图2，设制动轮毂半径r，制动带的宽度为b，制动带的厚度为h，制动带的包角为α，制动轮以角速度ω匀速顺时针转动。制动带两端的拉力分别为松边力Smin和紧边力Smax。制动带与制动轮之间的摩擦系数为f。制动轮压力p随着圆心角φ的变化而变化，设松边力对应的比压为p2，紧边力对应的比压为p1。

制动带旋转时出现在带单位面积上的均布离心力为Pc

(1)

其中： ρ为制动带的密度。

取柔性体上角度为dα的微弧段带元来分析绕性体顺时针转动的受力，见图3。

设带内恒截面上的纵向力为F，如忽略内力矩，即带受弯曲时呈完全绕性，则微弧段带元主要受到以下几个力。

1)刹车带两端的拉力。F和F+dF。

2)局部正压力。

Fp=pbrdα

(2)

3)制动摩擦力。

Ff=fpbrdα

(3)

4)离心力。

(4)

根据力的平衡原理，∑Y=0，得到

上式可简化为

pbr+pcbr-F=0

当制动轮匀速转动时，上式第二项为常数，微分后得

dF=brdp

(5)

根据力的平衡原理，∑X=0，得到

两边同时积分，得到

(6)

随着角度α角度的变化，圆柱轮所受的摩擦力产生的制动力矩为

因为最终柔性带会制动滚筒体，即ω=0，则离心力pc=0，则有

(7)

模型中紧边端Smax固定，在α=0°处施加松边力Smin。以带和滚轮为研究对象，对中心取距，即

因此

Smax=Sminefφ

(8)

(9)

式中：φ为制动带包角；D节圆为缆绳实际所在层数得计算直径；r为刹车轮毂半径；Smax为紧边端受力。

3 试验数据

3.1 试验器材

加载绞车、受试拖缆机、5 000 kN量程拉力计、缆绳、紧边拉力传感器，控制单元，控制面板。

3.2 试验内容

将缆绳一端缠绕在加载绞车上，中间串接拉力计，另一端缠绕在受试2 500 kN级拖缆机滚筒上，见图4。

加载绞车收绳，使缆绳载荷达到受试拖缆机支持负载4 000 kN，紧边拉力传感器信号通过控制单元实时显示在控制面板上。程序根据读取的紧边拉力数值Smax，通过式(8)计算得到缆绳张力。

本试验中，受试拖缆机制动带包角φ=310°，D节圆=1 170 mm，r=1 320 mm。

3.3 试验结果

紧边拉力传感器实际读数1 357.42 kN，缆绳间拉力计读数1 490.45 kN，实际销轴传感器读数与理论值相对误差8.9%。

由此可见，起抛锚滚筒静态张力实测值与理论值相对误差为8.9%。当缆绳静态拉力值变化时，制动组件紧边拉力传感器输出电流(电压)信号也随之变化，并及时反馈到控制面板，从而对缆绳张力进行在线监控。当缆绳拉力值超过设定安

全值时，控制程序自动启动应急释放功能等安全措施，使缆绳张力值减小，保证拖缆机以及整船的安全。

目前拖缆机吨位趋于大型化，相应的缆绳静态张力吨位也越来越大。只需相应增大传感器尺寸，即可满足精确测量大吨位拖缆机缆绳静态张力的要求。

4 结论

相对于之前的测量方法，本方法保证了测量的精度，测量过程不影响缆绳的收放，同时不受限于拖缆机支持负载吨位和钢丝绳直径的增大，能有效保证测量精度。

制动组件紧边拉力反馈缆绳静态张力测量法满足精确测量大吨位拖缆机缆绳静态张力的要求，同时在系泊绞车等远洋拖曳绞车有较大的应用前景。为了进一步提高此测量方法的准确性，应进一步研究如何提高传感器的测量精度。

[1] 王征，张亚东，曾涛.基于有限元法的拖缆机机架结构设计[J].学术与沟通，2014(6):55-60.

[2] 鄢华林，宋林，恒张力.绞车的应用研究[J].液压与气动，2011(7):80-82.

[3] 蔡钿，张礼运，陈强.基于有限元单元法的深海起抛锚拖缆机总体结构设计研究[J].学术与沟通，2014(6):56-60.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Measuring Method of Static Tension Mooring Line for Large-tonnage Anchor Handling/Towing Winch

LI Zhao, CHEN Qiang

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

On the towing condition, the static mooring line tension of deep sea anchor handling/towing winch is changing real-timely as the consequence of waves, underflows and winds. Loads on the mooring line exceeding the safety value can endanger the safety of winch and ship. So it is necessary to measure the tension precisely and to on-line monitor and display the tension value. Safety measures like emergency release could be taken in time when the load on the mooring line exceeds the safety value. A feedback method of brake assembly’s tight side tension was proposed to measure the static mooring line tension. The testing data showed that the method is correct and effective for measuring the he static mooring line tension for the large-tonnage anchor handling/towing winches.

Deep sea; large-tonnage; anchor handling/towing winch; static mooring line tension; measure

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.034

2016-07-14

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

李钊(1989—)，男，硕士，助理工程师研究方向:甲板机械设计

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0138-03

修回日期：2016-08-29