水下錨機設計關鍵技術

趙建虎，張勇勇，陳旭東，張 雷，曾維軍

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

0 引言

錨機作為航行船舶必要的甲板機械，主要用于船舶在錨地的停泊。在普通商船上，錨機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載力，其設計結構和受力計算較為傳統，可根據一般經驗和理論公式進行設計與校核[1]。

本文針對八萬噸半潛船等需潛水作業船舶（平臺）用錨機，除用于常規水上錨泊外，還可以在海水中收放錨鏈，并且具備一鍵重力拋錨功能[2]。產品設計主要需解決以下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 設計輸入要求

本文所述錨機安裝在半潛工作船，錨機安裝在船首半封閉艙室中，錨鏈直徑122 mm，AM3級肯特鏈，最大拋錨深度100 m。當船舶航行時或非下潛作業時，該艙室處于海平面以上，當船舶下潛作業時，該艙室所處水深最大可達30 m，此時艙內充滿海水。錨機既可以在水上操作起拋錨，還可以在下潛作業時收放錨鏈。

艏部艙內甲板左右各設置1套航行錨機，用于收放艏錨。航行錨機包括臥式液壓錨機、液壓系統及控制系統。航行錨機具備遠程和本地操作功能，可在CCTV系統的配合下實現遠程起拋錨作業，也可通過本地控制箱實現就地起拋錨作業。該錨機取得了中國船級社產品認證證書。

1.1 環境要求

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的設備應考慮海水腐蝕、泥沙淤積和干濕變化對設備的影響。

根據全球營運范圍內的海水和溫度條件設計。錨機安裝在機艙內，環境條件見表1。

表1 機艙主要設備環境條件

對于自動化系統的電子設備應滿足以下溫度條件：艙室應能夠在溫度為0 ℃～55 ℃時正常工作；在機艙內，允許溫度下限為5 ℃。

結構設計溫度按?15 ℃設計，滿足《鋼質海船入級規范》2019年修改通報對低溫區域航行船舶的要求。

1.2 工況要求

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

本文中的錨機主要用于錨地停泊、停船時臨時拋錨[3]、緊急棄錨以及航行中因故暫時停航或遇緊急情況時對船位進行固定。

2 設計關鍵技術

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

錨機在詳細設計時需要突破以下6個方面關鍵技術：1）液壓錨機主軸隔艙密封技術；2）臥式錨機結構設計技術；3）一鍵拋錨控制策略；4）錨機防腐設計方案；5）錨鏈進近控制策略；6）遠程控制技術。

2.1 機械結構設計技術

錨機結構形式一般分為臥式錨機和立式錨機2種。本文設計的錨機錨鏈輪需要在海水中工作，錨鏈輪及安裝機座需要泡在海水中，而剎車帶、動力單元無法在海水中正常作業，這就對錨機的機械結構設計帶來了挑戰。

2.1.1 機械總體結構設計

由于錨鏈輪部分要浸泡海水，而液壓馬達、剎車帶和齒輪等無法在海水中正常作業，因此必須將錨鏈輪與其他機構隔離開。如上文所述，錨機分為臥式結構和立式結構，下面對這2種結構形式進行討論。

臥式錨機可以將錨鏈輪及其機座單獨放置在濕艙，錨鏈輪主軸水平穿過艙壁，剎車帶和減速箱安裝在干艙，具體結構型式見圖1。

圖1 臥式錨機機械總體結構示意圖

臥式結構可以有效解決穿艙密封問題，錨機水平安裝在2個相鄰艙室，空間布局結構相對寬裕，維修保障空間相對較大，安裝方便。缺點是：設備結構復雜，設備重量較大，安裝調整難度較大。

立式結構則需要豎直穿過甲板面，錨機豎直安裝在上下2個相鄰艙室，空間布局結構相對緊湊，維修保障空間相對較??；同時，錨鏈輪部分為懸臂結構，錨鏈輪機座及錨鏈輪軸的受力相對較差，同時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隔艙密封使用壽命的影響。優點是：結構緊湊。具體結構型式見圖2。

圖2 立式錨機機械總體結構示意圖

綜上所述，采用臥式錨機更為合理。臥式錨機更方便船體結構加強，主軸密封技術相對成熟，維修吊裝更方便。

2.1.2 隔艙密封

旋轉主軸動密封型式多樣，常用的有盤根密封、隔艙密封和機械密封等。根據本次設計錨機的設計輸入條件來看，盤根密封和隔艙密封2種型式均可使用。盤根密封主要應用在鯊魚鉗等產品，結構簡單，成本較低，但是盤根密封的維護頻次高。隔艙密封主要用于槳軸產品，不承受徑向力，密封效果好，可靠性高，維護頻次低；缺點是成本較高，結構復雜。

本文設計的錨機位于機艙附近，人員較少進入到設備旁，要求密封結構的可靠性高，避免維護或減少維護。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，也可以在空氣中作業。通過對比可知：隔艙密封結構方案更合適。

本文設計的隔艙密封不承受徑向載荷，隔艙密封轉動體內孔通過張緊機構連接在主軸上，隨主軸一起轉動，外套通過螺栓與固定機座連接。同時，在外套中設有彈性體，能夠滿足錨機在拋錨過程中引起的徑向跳動。隔艙密封內孔設計有多道密封防止海水進入，同時在靠近外側密封之間通入壓縮空氣和沖洗淡水，隔艙密封海水側設有壓力傳感器，用于監測密封外側海水壓力，以動態調整氣體壓力，防止海水進入干艙。當主軸在空氣中工作時，在干艙側密封之間注入潤滑油，以防密封圈因與轉動體產生干摩擦而損壞。

2.1.3 防腐蝕設計

當半潛船下潛時，錨機的錨鏈輪及機座完全浸沒在海水中，這導致機構設計時需要考慮防腐問題。本次設計主要從2個方面展開：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：對于錨鏈輪機座等組件，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；對于主軸等有相對轉動的部位，采用不銹鋼材料防止海水腐蝕；對于螺栓螺母，外側安裝有不銹鋼保護罩，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 液壓系統設計

錨機液壓系統為高壓開式系統，液壓油箱設置高油溫報警、濾器堵塞報警和低液位報警等安全報警功能。用于錨機離合器和剎車操作均有液壓油缸驅動，錨機泵站設有控制泵提供液壓油缸壓力油，同時，離合器油缸設有液壓鎖以便保持離合器狀態，剎車油缸配置比例閥用于調節油缸工作壓力。本次錨機主要操作位在集控室遠程操控，且操作時無法觀察到錨穴，因此要著重解決錨進近保護和重力拋錨等關鍵技術。

2.2.1 進近保護設計

操作人員在收錨過程中無法觀察到錨入錨穴的狀態，又因本文錨唇為內嵌式設計，因此要降低錨進近速度，以避免錨對船體造成撞擊傷害。要降低錨的撞擊力度，可從減小質量、降低速度和減小拉力3個方面入手。

本次液壓系統的設計思路主要從降低速度和減小拉力入手。本文設計的錨機配有錨鏈長度監測系統，以錨鏈長度來判斷當前錨接與錨穴間的距離。另外，為了能夠遠程操控，錨機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，以降低系統壓力。

當控制系統識別到錨接近錨穴，則系統自動控制減小主閥開口度，以降低速度；同時，通過油路切換，將減壓閥串入回路，以降低系統工作壓力，進而達到減速和減小拉力的目的。

2.2.2 重力拋錨設計

重力拋錨時，錨及錨鏈的重力為主動力，錨機被動放出錨鏈，馬達被動反轉。此時，液壓系統應設置反向平衡閥，用于平衡因錨及錨鏈的重力。由于反向旋轉容易造成液壓馬達吸空，因此，液壓系統中務必設置補油系統。

2.3 電控系統設計

本次電控系統設計功能包括錨機收放操作及速度控制功能、綜合報警功能、錨鏈長度及速度顯示功能、錨鏈張力顯示功能、進近控制功能、一鍵重力拋錨功能和系統保護功能。以下重點介紹一鍵重力拋錨功能和系統保護功能。

2.3.1 一鍵重力拋錨設計

一鍵重力拋錨設計主要是為實現拋錨控制的自動化，將一系列手動控制操作集成在系統之中，通過檢測錨鏈的長度及速度來實現。具體原理為：手動操作錨機將錨放置接近海底時，按下一鍵重力拋錨按鈕，此時控制系統通過監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釋放躺底鏈；若錨未正確入土，則重復上述操作，直至拋錨完成。

2.3.2 系統保護與電機熱啟設計本次設計的電控系統安保功能包括：泵站油箱的高油溫、低液位及濾器堵塞報警，電機配置的高溫報警和空間加熱器，以及起動器控制柜配置的電流超載報警和除潮加熱等。

液壓系統采用冗余設計，50%備用，即3臺泵，兩用一備，本次系統設計實現任意一臺泵故障后備用泵自動啟動。要實現上述功能，則需要在液壓泵的入口處設置壓力傳感器，用于判斷泵輸出壓力是否正常，當任意一臺泵輸出壓力過低時，系統將首先自動啟動備用電機，然后再自動加載，從而實現系統的“熱啟動”。

3 結論

本次設計的錨機從結構設計到液壓和電氣系統設計，均圍繞用戶要求以及使用環境開展，有效解決了耐海水腐蝕、隔艙密封和一鍵重力拋錨等關鍵技術。

1）本文設計的錨機結構新穎，能夠有效解決錨機水下作業的密封問題以及耐海水腐蝕的問題等。

2）該錨機自動化程度高，通過狀態監測系統和CCTV系統有效解決了錨機遠程操控問題，為后續自動化智能化控制奠定了技術基礎。

3）本文設計的錨機液壓系統，安全性高，通過增設減壓閥以及比例控制閥等途徑，有效提高了液壓系統的控制能力，解決了錨機的自動化操作問題。