AMP船用电缆卷筒传动机构的优化设计

赵一松，　吴天裕

(中远海运科技股份有限公司, 上海 200135)

0　引　言

早期船舶在停靠码头时必须采用船上电机或辅机发电，以满足船舶靠港时的用电需求，辅机在工作中燃烧大量的油料后会排出大量的废气，同时24 h不间断地产生噪声污染。人类对港口空气质量的担忧已经使港口运营商面临越来越大的压力，不得不设法减少CO2、SO2及相关硫化物的排量。船舶岸电供电系统(Alternative Maritime Power, AMP)能在船舶停靠于港口时关闭，使其发动机通过岸基供电系统为船舶提供工作及生活用电。2017年1月，交通运输部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案(2015-2020年)》， 在船舶与港口污染防治专项行动工作目标中明确，到2020年，主要港口90%的港作船舶及公务船舶靠泊时需使用岸电，50%的集装箱、客滚和邮轮专业化码头具备向船舶供应岸电的能力。

电缆卷筒是一种为大型输送设备、港口起重设备及岸桥设备提供供电电源的一种供电设备，广泛应用于港口、电厂、冶金及矿山等行业[1]。在岸电系统中船舶使用电缆卷筒连接陆地岸电，比以往使用吊车拖吊电缆连接插头更为方便、快捷及安全。在当今船舶岸电产业的建设中，船用AMP电缆卷筒作为一个关键性设备，其制造质量及设计的合理性、可靠性受到越来越多的重视。

针对船舶岸电的工作特点和特殊要求，对比以往普通港机用电缆卷筒，在工作稳定性及实用性等方面对船舶岸电电缆卷筒的传动机构进行优化设计，并结合中海天王星轮装船案例对优化方案进行相关分析。

1　现状分析

1.1　AMP船用电缆卷筒驱动设计需求

AMP船用电缆卷筒主要由电缆卷筒钢结构、集电环总成、高压插头及电缆、导缆架液压驱动系统及电缆卷筒驱动系统等部分组成，在设计时除考虑动态接电的安全性及可靠性外，还需考虑特殊的应用场景(海工工况)等因素。

1) 基于电缆卷筒的一般工作原理，其相关动力及调速部分是由电机来承担的，电机必须具备调速范围宽及较软的机械特性，驱动电机必须在其转矩及转速的特性曲线上任意一点都能长期稳定的运行。

2) 船用电缆卷筒大多安装在远洋集装箱船或散货船上，这类船舶对甲板的空间使用率相当高，即使造船初期预留了AMP系统位置，其甲板空间也十分紧张，设计驱动机构需考虑尽量减小尺寸以降低船用电缆卷筒的整机占用尺寸。

3) 船舶常年进行远洋航行，其环境状况必然十分恶劣，盐雾、酸雾及海水的侵蚀必不可少，同时海上温差较大，考虑适用范围在-20～40 °C，对驱动机构的防护等级及长期使用性需提出要求。

4) 由于船舶岸电系统专用三合一电缆价格昂贵，且远洋船舶连接岸电时需保证足够的稳定性及安全性以避免连船失败带来的经济损失，需对船用电缆卷筒的电缆在卷取及连船稳定两个时间段进行保护要求。电缆在放出/收回的状态时，随着卷曲半径的变化仍能获取足够的卷绕速度和拉力，且所受的张力需有效控制在理想的“恒张力”情况下以保护电缆；当成功连接上岸电电源后，通常连船时间在几小时至几天，这段时间内，潮汐对船舶的位移产生的影响会对电缆产生牵扯拉动，需考虑解决该状态时电缆受到的激增拉力，但同时，电缆不能因为自重带动卷盘使电缆从卷盘上滑落。

5) 根据IEC8 0005码头岸电使用规范，船用电缆卷筒在放下/收起电缆和插头连接器时，一般要求时间不能过快，约35 m悬高一般要求在10～15 min内完成，卷盘转速要控制在一定范围内，则对减速器速比提出相应要求。

1.2　当下船用及陆用电缆卷筒主流驱动方式

1.2.1常规电缆卷筒驱动装置

磁滞式电机驱动是运用比较广泛的电缆卷筒的驱动方式，在电机和减速机之间安装磁滞离合器以获取很软的驱动特性，该离合器是靠永磁铁产生的磁力通过磁隙传递扭矩进行非机械连接，有益于对电缆的保护。但是磁滞式电机作为船用电缆卷筒的驱动方式有致命的缺陷。船用电缆卷筒的安装位置为船体甲板边沿，无论是二层或三层甲板都有被海浪、酸雾及盐雾侵蚀的风险，且由于切割磁力线会发热的工作特点，磁滞离合器的安装外壳通常为非密闭式蜂窝状网罩，船用电缆卷筒中磁铁和输出零件的锈蚀情况将远比在港口、电厂等工作地点中磁铁等零件的锈蚀情况严重，甚至可能设备在一个航次内就会有锈蚀情况产生，所以无法在船舶上安装及使用。

1.2.2国外船用电缆卷筒驱动装置

岸电作为一个新兴产业，船用电缆卷筒是该产业中的新产品，国外公司对其的相关研究进行的较早。目前国外诸如CAVOTEC等公司使用的都是液压滑差减速器，这是在减速器壳体中安装一套靠油膜传递扭矩的湿式离合器，附以一套特定速比的蜗轮/蜗杆配合传动，称为液压滑差减速器。该减速装置具有驱动扭矩大、传递特性软及响应速度快等优点，可满足船用电缆卷筒的驱动要求。但其对减速箱内的油品质量要求很高，油品的黏度决定了该传动机构的使用效率和安全性，要求换油维护周期通常为半年一次，且每半年需打开减速箱查看蜗轮蜗杆齿面的磨损情况(如齿面磨损超过2 mm时，必须送返工厂维修并重新调整扭矩)。在实际工作中，考虑船舶上并不会安排特定的工作人员或维修技师对减速箱进行维护，经过调研，有的电缆卷筒厂家有几年、甚至十年以上减速箱内的油品未进行换新，而且该减速器箱制作工艺要求较高，目前只在国外几个特定的厂家使用制造，价格相对较高。

1.3　船用电缆卷筒存在的主要问题

1) 传统的磁滞式电机驱动方式无法满足海上工况的需求；

2) 改造船或集装箱运输船的船上空间紧张，对电缆卷筒的占地空间提出更小化的要求；

3) 目前国外主流船用电缆卷筒的液压滑差减速器的驱动方式有成本高及维护繁琐等问题；

4) 岸电电缆成本高，需在实际工作中对电缆采取相应的保护措施。

2　AMP船用电缆卷筒驱动优化

根据AMP船用电缆卷筒的工作特性及应用场景，综合考虑当前船用电缆卷筒的实际运用问题，参考目前交直轴斜齿轮减速器在陆用电缆卷筒设备中的实际应用案例及链传动在各种工业设备中的应用情况，对船用电缆卷筒驱动部分进行优化设计，采用电机带交直轴斜齿轮硬齿面减速器的驱动方式，配合链传动设计紧凑型的驱动机构来满足船用电缆卷筒的相关需求，而在电缆保护方面设计岸电专用制动器及应用变频器的电缆管理系统。该设计已应用在中海天王星轮上，并经过多次连船测试，驱动效果符合预期。相关驱动部件基础技术参数见表1，船用电缆筒外形示意见图1。

表1　中海天王星14 000 TEU船用电缆卷筒技术参数表

图1　　　　中海天王星14 000 TEU船用电缆卷筒外形示意

2.1　驱动装置设计优化

2.1.1减速器设计

基于对国内外电缆卷筒驱动装置的分析，目前工业减速器主要有斜齿轮硬齿面减速器、螺旋锥齿轮减速器、圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器及行星齿轮减速器等主流减速器，而减速器出轴方式有空心及实心。本方案最终采用以电机带斜齿轮交直轴硬齿面减速器的实现方式进行优化，使用最常见的三相异步全封闭鼠笼式电机配以斜齿轮交直轴K系列硬齿面减速机(见图2)，减速器采用实心出轴，采用单个马达驱动。该减速器的设计具备以下特点：

(1) 可选速比大，可根据电缆卷筒的卷绕速度和卷取半径灵活的配比；

(2) 输出端可承受较大的弯曲载荷；

(3) 交直轴采用格利森弧齿传动，所有的齿轮采用渗碳淬火后的磨齿和加工工艺使得减速器减小齿轮占用体积的同时增大承载力及降低运行噪音；

(4) 相对蜗轮蜗杆副的减速器来说，斜齿轮减速器传动效率高，在配合6级及8级电机的时候，传动效率能达到90%～95%，且耗能相对较低，性能优越；

(5) 斜齿轮减速机传动比划分细、范围广，可加装多级预减速机，组合机型可以形成更大减速比，输出转速达到足够低；

(6) 安装形式多样，可配以卧式安装及加装法兰连接，这对调整电缆卷筒整机的占地空间大有益处，更适合在船上安装；

(7) 整个减速箱呈全封闭状态，而电机除必要的散热风扇外，也是全封闭式的，其防护等级也达到了IP56，符合远洋海运的工况要求；

(8) 实心出轴用以安装外部链传动机构，出轴能承受较大载荷。

图2　K系列斜齿轮减速机内部结构

电动机为全封闭鼠笼式电机，由于减速器可选的速度比较多，考虑选用1 100 rpm的6级电机，相比普通4级电机，在方便配比的同时进一步提高传动效率；电机带强冷风扇及25 W内置加热器以适应海上强烈的温差；加装速度编码器以计算及调控卷盘转速；加装盘式制动器，在岸电系统正常工作但电机突然失效的状态下夹紧电缆，避免电缆因为自重滑出卷盘。

2.1.2传动机构设计

以往常规的电缆卷筒减速器都采用空心轴连接，减速器输出轴连接卷盘法兰，带动卷盘旋转，空心轴另一边接滑环箱，电缆从卷盘中心经空心轴进入滑环箱。此种电缆卷盘结构虽然简单，但需配的减速比过大，减速器占用空间也相应较大；卷盘、驱动装置及滑环箱呈一直线排布，对甲板空间紧张的远洋运输船舶太过浪费。因此，本方案采用链轮连接(见图3)，使用链传动放大整个驱动装置的速比，所选的减速器速比就可成倍缩小，减速器体积也会缩小，而因为斜齿轮减速器宽泛的安装形式，将滑环箱和减速器及链轮成空间立体排布，可大大降低驱动机构的占用空间，从而降低整机体积。

图3　驱动装置及链传动示意

图4　驱动装置及卷盘相对位置关系

在链传动上，本方案选择单排滚子链20 B(B为型号代码)，滚子链一般由内链节、外链节及连接链节组成，链传动是一种具有中间挠性的啮合传动，没有弹性打滑和滑动，能保持准确的传动比和机械效率，对传动轴的作用力较小且灵活度高，中心距适用范围大，能在高温、油污及腐蚀环境下工作，且更换便捷，非常适合在船上设备[2]。

2.2　制动器优化设计

停船连接岸电时，潮汐的影响对电缆产生的拉力激增状态，对此设计一个特定扭矩盘式制动器来解决此问题。

岸电电缆根据导电铜芯的平方数计算出通常规格的许用拉力数值见表2。

表2　岸电专用电缆常规型号技术参数

在14 000 TEU案例中，双电缆卷筒采用3×185+95+4×2.5+6×62.5/125规格(截面积为185 mm2的三芯动力电缆、截面积为95 mm2的接地电芯、截面积为2.5 mm2的四芯控制线及内径为62.5 μm、外径为125 μm的六芯光纤)，理论重量及许用拉力由表2可知，根据电机功率2.2 kW，选用107机座号的斜齿轮减速机，速比i1为163.35，在链传动中，链传动根据大小链轮的齿数比确定速比i2为4.21。单根电缆自重G35单为3 597 N，小于最大拉力11 100 N，该电缆适用于本项目(见图5)。

理论扭矩=理论重量×扭力臂，制动力矩的计算只需计算放缆过程，分别取放出20 m、放出30 m及最大放出35 m分别计算

T20=G20S20=4 028.7 N·m

(1)

T30=G30S30=5 303 N·m

(2)

T35=G35S35=5 611.4 N·m

(3)

由上述计算可知，当电缆放下35 m时电缆自重产生的拉力矩是最大的，设计加装的制动器的制动力矩只需>35 m的电缆拉力矩同时其产生的制动力小于电缆的最大许用拉力。

总速比i0=i1i2=687.7

(4)

(5)

(6)

(7)

计算偏差值K1取1.1，扭矩损耗因数K2取1.1，则

(8)

根据计算选择加装盘式制动器的制动力矩范围标准为9～11 N·m。经中海天王星实际连船测试，35 m最高悬高时电缆成功放下连接岸电箱，没有出现电缆自重滑落的现象。制动器加装手动释放手柄，在电动机故障失电时，使用手动释放松开制动器抱闸，可采用人工方式收起工作状态的电缆以便后续维修。

图5　放出电缆对卷盘产生的重力矩示意

2.3　控制方式优化

根据力平衡方程T=M/R，其中T为电缆张力；M为卷盘的驱动扭矩；R为电缆卷取半径，电缆张力控制为变扭矩-恒张力控制，即随着电缆卷取半径不断变化，通过变频器控制频率-转速实现对输出扭矩的控制。相比较常规电缆卷筒和国外通用船用电缆卷筒，采用PLC带变频器控制，可不受电缆规格、卷绕长度、移动设备运行速度及安装高度的限制，变频器采用卷绕半径的厚度积分计算方法，实时调整张力做到真正意义上的恒张力[3]。

结合船用电缆卷筒的实际工况及当前驱动技术的分析，该方案设计采用变频器控制电机的方式进行电缆管理，经验证，采用变频线性自动变扭矩驱动控制可以获得以下理想特征：

1) 驱动装置的驱动特性很软；

2) 响应速度快；

3) 输出力矩是可变的，不仅能在匀速工况下随收/放缆工况变化而变化、卷盘上容缆圈数变化而变化，还能在加/减速工况下对扭矩做瞬间补偿。

驱动控制专用的应用宏具有自动和手动两种控制模式。手动模式下，变频器采用速度控制模式，电机运行的速度基准通过应用宏内的参数来进行设置，电缆的收/放缆状态也是在此模式的控制下进行的，通过变频器自带的数字输入端口激活。自动模式采用扭矩控制，一旦电缆连接，将选择开关切换到自动模式。电缆卷盘将每10 min运行5 s，弥补船舶移动和风力、潮汐造成的松弛。自动模式电缆控制软件流程见图6。

图6　自动模式电缆控制软件流程

3　结　语

所阐述的船用电缆卷筒驱动机构的优化是根据船上实际工况设计，在占地空间、稳定性、传动效率及免维护性等方面较以往技术有了一定提高，已经在中远海运天王星14 000 TEU集装箱船岸电改造项目中获得了实际案例验证。实船经过了洋山港四期岸电码头的2次连船调试，电缆卷筒使用良好，电缆张力有效控制，驱动机构优化设计实施良好，可在以后的岸电改造领域发挥积极作用。