船用制動(dòng)器在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究

付萬(wàn)里，謝松蓮，顧 炳

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031）

船用制動(dòng)器在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究

付萬(wàn)里，謝松蓮，顧 炳

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031）

船用制動(dòng)器在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。本文主要論述幾種船用制動(dòng)器在深水鉆井平臺(tái)、工程船上的功能作用、結(jié)構(gòu)形式、工作特性和選型計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際情況詳細(xì)論述低速帶式制動(dòng)器、高速盤(pán)式制動(dòng)器、水冷制動(dòng)器、液壓多片制動(dòng)器、電機(jī)電磁制動(dòng)器和液力制動(dòng)器，幫助廣大機(jī)械設(shè)計(jì)工程師深刻了解制動(dòng)領(lǐng)域。

帶式制動(dòng)器；盤(pán)式制動(dòng)器；液力制動(dòng)器；海洋工程

0 引言

船用制動(dòng)器廣泛應(yīng)用于各類船舶和海工設(shè)備中，是一些核心設(shè)備的重要零部件。海上石油平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)中的錨機(jī)或絞車配置了幾種制動(dòng)器，比如滾筒或鏈輪的低速帶式制動(dòng)器、電機(jī)高速盤(pán)式制動(dòng)器和液力制動(dòng)器。近海三用工作船拖纜機(jī)中，低速帶式制動(dòng)器作為主要制動(dòng)設(shè)備，在拖帶和起拋錨作業(yè)中非常重要。淺水鋪管船中，鋪管作業(yè)主要依靠布置在船四周的8至12臺(tái)移船定位錨絞機(jī)，在錨絞車中有滾筒低速制動(dòng)器、棘輪制動(dòng)器、高速盤(pán)式制動(dòng)器和水冷制動(dòng)器。同樣作為鋪管船上重要設(shè)備的托管架調(diào)整絞車中，帶式制動(dòng)器和液壓多片制動(dòng)器也有廣泛應(yīng)用。

1 常見(jiàn)的幾種制動(dòng)器的功能作用、結(jié)構(gòu)形式和選型計(jì)算

帶式制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、水冷制動(dòng)器、液壓多片制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器和液力制動(dòng)器等，雖然都具有制動(dòng)能力，但在用途布置形式上有很大差別。下面具體論述幾種制動(dòng)器。

1.1 低速制動(dòng)器

低速制動(dòng)器主要用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，在甲板機(jī)械中最常見(jiàn)的低速制動(dòng)器是帶式制動(dòng)器。帶式制動(dòng)器常常承受支持負(fù)載，主要用于滾筒或錨鏈輪上，具有包角大、制動(dòng)力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但也存在制動(dòng)輪軸承受彎曲應(yīng)力，制動(dòng)帶壓強(qiáng)分布不均，摩擦因數(shù)受環(huán)境影響較大的缺點(diǎn)[1]。

如圖1所示，帶式制動(dòng)器一般由剎車片、剎車帶、杠桿機(jī)構(gòu)、拉桿和液壓油缸組成。一般帶式制動(dòng)器采用液壓油缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，液壓油缸有雙作用缸和單作用缸。在三用工作船拖纜機(jī)中，經(jīng)常采用雙作用油缸，但為了保持長(zhǎng)期制動(dòng)時(shí)液壓力，在液壓系統(tǒng)中需要配置蓄能器。在平臺(tái)和船舶的定位絞車或錨機(jī)中，一般采用單作用油缸，彈簧力提供制動(dòng)器所需制動(dòng)力，液壓油提供制動(dòng)器釋放時(shí)克服彈簧力。為了保證平臺(tái)長(zhǎng)期系泊時(shí)的安全，深水定位錨機(jī)或絞車采用兩副帶式制動(dòng)器，而拖纜機(jī)、托管架絞車、鋪管船移船定位絞車只配置一副。

圖1 帶式制動(dòng)器

帶式制動(dòng)器的制動(dòng)能力與剎車片的許用比壓和摩擦因數(shù)有關(guān)，摩擦因數(shù)和許用比壓越大，制動(dòng)能力越強(qiáng)。帶式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩與支持負(fù)載和作用層數(shù)有關(guān)，而支持負(fù)載與鋼絲繩最小破斷力有關(guān)，作用層數(shù)為第一層或中間層。

制動(dòng)力矩T計(jì)算公式：

式中：T為制動(dòng)力矩，Nmm；Ft為支持負(fù)載，N；p為支持負(fù)載所在作用層數(shù)節(jié)徑，mm；MBL為纜索最小破斷力，N；k支持負(fù)載系數(shù)，具體取值見(jiàn)表1。

表1 取值表

圓周力F計(jì)算公式：

式中：F為圓周力，N；D為制動(dòng)輪直徑，mm。繞入端張力F1計(jì)算公式[2]：

式中：F1為制動(dòng)片繞入端張力，N；μ為制動(dòng)片與制動(dòng)輪之間靜摩擦因數(shù)；α為制動(dòng)片包角，一般選取250°～270°。

最大壓強(qiáng)Pmax計(jì)算公式：

式中：Pmax為制動(dòng)帶在繞入端起始位置最大比壓，Mpa；Pp為制動(dòng)帶許用比壓，Mpa。

根據(jù)以上公式，我們可以計(jì)算出制動(dòng)輪直徑D和制動(dòng)片寬度b，根據(jù)此兩項(xiàng)參數(shù)可以初步選取合適的帶式制動(dòng)器，然后再校驗(yàn)選取的制動(dòng)器制動(dòng)力矩是否滿足要求。

1.2 高速制動(dòng)器

高速制動(dòng)器主要用于原動(dòng)機(jī)上，特種甲板機(jī)械上最常用的高速制動(dòng)器時(shí)盤(pán)式制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器、液壓制動(dòng)器。其中盤(pán)式制動(dòng)器用于電機(jī)輸出軸端，液壓多片制動(dòng)器主要用于液壓馬達(dá)輸出軸端，電磁制動(dòng)器用在電機(jī)軸尾部。高速制動(dòng)器主要承受堵轉(zhuǎn)負(fù)載，并在緊急制動(dòng)時(shí)剎住電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)的慣性。

1.2.1 盤(pán)式制動(dòng)器

盤(pán)式制動(dòng)器工作表面為制動(dòng)盤(pán)的兩側(cè)面，其摩擦副由制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)塊組成，沿制動(dòng)盤(pán)軸向施加制動(dòng)力，制動(dòng)軸不受彎矩作用，徑向尺寸小，制動(dòng)性能穩(wěn)定，適用于制動(dòng)頻繁，環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。但盤(pán)式制動(dòng)器也存在制動(dòng)比壓大、制動(dòng)塊材質(zhì)要求高、價(jià)格貴的缺點(diǎn)。

如圖2所示，盤(pán)式制動(dòng)器一般由基架、制動(dòng)襯墊、杠桿組件、電液推桿、調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。電液推桿通過(guò)電機(jī)啟動(dòng)停止控制杠桿動(dòng)作，制動(dòng)襯墊在制動(dòng)臂上，杠桿使制動(dòng)襯墊剎緊聯(lián)軸器上的制動(dòng)盤(pán)。盤(pán)式制動(dòng)器一般放置在電機(jī)與減速機(jī)之間，有時(shí)單一布置，有時(shí)成對(duì)布置。盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)性能主要與制動(dòng)襯墊的動(dòng)摩擦因數(shù)μ和許用比壓Pp有關(guān)。盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩與纜繩破斷力和作用層數(shù)有關(guān)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和船級(jí)社規(guī)范，高速制動(dòng)器制動(dòng)力為纜繩破斷力的50%。

圖2 盤(pán)式制動(dòng)器

制動(dòng)力矩T計(jì)算公式：

式中：T為制動(dòng)力矩，Nmm；MBL為纜繩最小破斷力，N；Dp為纜繩作用層直徑，mm；i為原動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間的總減速比。

制動(dòng)時(shí)夾緊力F：

式中：F為制動(dòng)時(shí)夾緊力，N；μ為制動(dòng)襯墊動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取平均值0.4；d為制動(dòng)盤(pán)計(jì)算摩擦直徑，mm；n為制動(dòng)鉗數(shù)量。

由以上公式中的制動(dòng)力矩T、制動(dòng)盤(pán)計(jì)算直徑、夾緊力，我們可以選擇合適的盤(pán)式制動(dòng)器。

1.2.2 電磁制動(dòng)器

電磁制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩是通過(guò)干摩擦面的摩擦產(chǎn)生，其電磁線圈常由DC 24/ 110V直流電控制。電磁制動(dòng)器具有制動(dòng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，適用于動(dòng)作頻繁、閉合迅速的場(chǎng)合。但由于只有一副摩擦面，所以制動(dòng)力矩較小，主要用于原動(dòng)機(jī)上。

如圖3所示，電磁制動(dòng)器由轉(zhuǎn)子、定子、線圈、摩擦襯墊、彈簧組成。轉(zhuǎn)子通過(guò)平鍵與電機(jī)軸相連，與電機(jī)軸一起旋轉(zhuǎn)，定子與電機(jī)底座相連，正常狀態(tài)下彈簧將摩擦盤(pán)與摩擦襯墊壓緊制動(dòng)，當(dāng)控制信號(hào)給出后，線圈通電吸附摩擦襯墊，制動(dòng)器松閘。制動(dòng)力與彈簧數(shù)量和彈簧力有關(guān)。

圖3 電磁制動(dòng)器

制動(dòng)力矩T計(jì)算公式：

式中：T為制動(dòng)力矩，Nm；k為制動(dòng)器安全系數(shù)，一般取1.5；P為電機(jī)額定功率，kW；n電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rpm。

電磁制動(dòng)器作為普通的連接裝置使用時(shí)，只進(jìn)行制動(dòng)力矩計(jì)算即可。但具有大慣性矩J的機(jī)械，在啟動(dòng)和停止或連接頻度較高情況下，還需計(jì)算摩擦熱和滑動(dòng)時(shí)間。

摩擦熱E：

式中：E為摩擦熱，J；TN負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Nm；J轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg*m2?；瑒?dòng)時(shí)間T：

由以上公式中的制動(dòng)力矩T、摩擦熱、滑動(dòng)時(shí)間，我們可以選擇合適的電磁制動(dòng)器。

1.2.3 液壓多片制動(dòng)器

液壓多片制動(dòng)器制動(dòng)原理與電磁制動(dòng)器基本相同，制動(dòng)彈簧壓緊多組摩擦片，產(chǎn)生制動(dòng)力，通過(guò)液壓油缸產(chǎn)生的液壓力抵消彈簧力，使制動(dòng)器釋放。液壓制動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦片面積大，制動(dòng)扭矩大，但散熱條件較差，維修不方便。

如圖4所示，電磁制動(dòng)器由轉(zhuǎn)子軸、定子、彈簧、摩擦盤(pán)、液壓釋放油缸組成。轉(zhuǎn)子軸一端通過(guò)內(nèi)花鍵與液壓馬達(dá)軸相連，另一端通過(guò)外花鍵或平鍵與減速機(jī)相連，定子與馬達(dá)殼體相連。正常狀態(tài)下彈簧將摩擦盤(pán)與摩擦襯墊壓緊制動(dòng)，當(dāng)控制信號(hào)給出后，液壓油進(jìn)入釋放油缸，推動(dòng)活塞繼續(xù)壓緊彈簧，制動(dòng)器松閘。制動(dòng)力與彈簧數(shù)量和彈簧力有關(guān)。

圖4 液壓制動(dòng)器

制動(dòng)力矩T計(jì)算公式：

式中：T為制動(dòng)力矩，Nmm；MBL纜繩最小破斷力，N；Dp為纜繩作用層直徑，mm；i原動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間的總減速比。

制動(dòng)時(shí)壓緊力F：

式中：F為制動(dòng)時(shí)壓緊力，N；μ為制動(dòng)襯墊動(dòng)摩擦因數(shù)；Rv制動(dòng)盤(pán)計(jì)算摩擦直徑，mm，Rv=(R+r)/2；z為摩擦面數(shù)量；R為摩擦盤(pán)外徑，mm；r為摩擦盤(pán)內(nèi)徑，mm。

摩擦片比壓p：

最大比壓發(fā)生在ρ = r處

初始開(kāi)啟壓力：

式中：ph為初始開(kāi)啟壓力，Mpa；f為釋放油缸摩擦阻力，N，一般為制動(dòng)壓緊力的3%左右；R1為釋放油缸外徑，mm；R2為釋放油缸內(nèi)徑，mm。

1.3 動(dòng)態(tài)制動(dòng)器

動(dòng)態(tài)制動(dòng)器，主要用于持續(xù)打滑工況。動(dòng)態(tài)制動(dòng)器有兩種型式：一種為被動(dòng)式的液力制動(dòng)器，另一種為主動(dòng)式水冷制動(dòng)器。被動(dòng)式液力力制動(dòng)器常用于平臺(tái)錨泊定位系統(tǒng)或鉆井系統(tǒng)中，主要控制定位錨機(jī)拋錨或鉆機(jī)下放鉆具時(shí)的速度。主動(dòng)式水冷阻尼制動(dòng)器常用于船舶移動(dòng)定位系統(tǒng)中，主要控制定位絞車滾筒的慣性和提供移動(dòng)船舶時(shí)的恒張力。

1.3.1 液力制動(dòng)器

液力制動(dòng)器又稱為水剎車，是一種以水為介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換裝置。在制動(dòng)器工作過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能并隨流體循環(huán)冷卻。它可以看成是一種蝸輪固定的液力耦合器，基本原理與之相同。

如圖5所示，液力制動(dòng)器主要由轉(zhuǎn)子（泵輪）、定子（渦輪）、轉(zhuǎn)子軸及密封附件組成。定子和轉(zhuǎn)子上都有葉片且均勻分布，葉片與旋轉(zhuǎn)方向成一定角度。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片之間的水受離心力的作用，向偏離中心的方向運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入定子一片中，同時(shí)接近中心的水流被抽空形成負(fù)壓，于是定子中的水流重新流回，由此形成轉(zhuǎn)子和定制葉片之間的渦流循環(huán)。由轉(zhuǎn)子中的水流沖向定子形成的反作用力和定子中的水流重新沖向轉(zhuǎn)子形成的阻力構(gòu)成了水剎車的制動(dòng)力矩[3]。

圖5 液力制動(dòng)器

制動(dòng)力矩T計(jì)算公式：

式中：T為制動(dòng)力矩，Nmm；F為工作負(fù)載，N；Dp為作用層直徑，mm。

消耗功率P：

式中：P為液力制動(dòng)器消耗功率，kW；V為負(fù)載速度，m/*min。

傳動(dòng)比i：

式中：i為負(fù)載與制動(dòng)器之間的傳動(dòng)比；n為制動(dòng)器額定轉(zhuǎn)速，rpm。

冷卻水流量Q：

式中：Q為冷卻水流量，m3/h；ρ為冷卻水密度，kg/m3；C為冷卻水比熱容，J/(k*kg)；ΔΤ為進(jìn)出口溫差，K，一般取44.5K；

根據(jù)消耗功率、傳動(dòng)比、冷卻水流量等參數(shù)可以選用合適的水剎車用于輔助制動(dòng)。

1.3.2 水冷制動(dòng)器

水冷制動(dòng)器通過(guò)氣囊或者活塞對(duì)摩擦盤(pán)產(chǎn)生壓緊力，調(diào)節(jié)氣囊或活塞的壓力大小可以使摩擦盤(pán)壓緊力成比例增大或縮小，從而使負(fù)載扭矩限定在設(shè)定的范圍之內(nèi)。

如圖6所示，水冷制動(dòng)器主要由定子、制動(dòng)盤(pán)、轉(zhuǎn)子、氣囊或活塞等組成。制動(dòng)器采用氣動(dòng)控制，一般壓力為0.7MPa，冷卻由閉式或者開(kāi)式冷卻系統(tǒng)持續(xù)流動(dòng)的冷卻液完成。摩擦片采用銅板，有利于傳熱。

圖6 水冷阻尼制動(dòng)器

水冷制動(dòng)器選型主要依據(jù)是動(dòng)態(tài)扭矩和熱容量，這兩個(gè)參數(shù)都不需要考慮安全系數(shù)。制動(dòng)器額定扭矩是施加額定壓力時(shí)的扭矩，而制動(dòng)器輸出扭矩之前要克服活塞或氣囊摩擦阻力和彈簧復(fù)位力，所以需要一定的開(kāi)啟壓力Pp。不同制動(dòng)器的開(kāi)啟壓力見(jiàn)表2。

表2 水冷制動(dòng)器的開(kāi)啟壓力

式中：Te為實(shí)際制動(dòng)力矩，Nm；Tr為額定制動(dòng)力矩，Nm；Pp為開(kāi)啟壓力，bar；Po額定壓力，bar。

散熱能力P：

實(shí)際制動(dòng)扭矩Te：

式中：P為散熱功率，kW；Tr為額定制動(dòng)力矩，Nm；n為最高滑動(dòng)轉(zhuǎn)速，rpm。

冷卻水流量Q：

式中：Q為冷卻水流量，m3/h；ρ為冷卻水密度，kg/m3；C冷卻水比熱容J/(k*kg)；t2為冷卻出口溫度，K；t1為冷卻水進(jìn)口溫度，K。

根據(jù)公式計(jì)算的制動(dòng)扭矩、散熱能力、冷卻水流量，可以選定合適的剎車。

2 海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著海洋油氣及附屬資源的開(kāi)發(fā)，大型海洋工程設(shè)備越來(lái)越扮演著重要的角色。作為油氣開(kāi)發(fā)的核心設(shè)備，半潛式平臺(tái)、起重鋪管船、鉆井船、三用工作船是我們現(xiàn)階段重點(diǎn)研究的對(duì)象。船用制動(dòng)器作為甲板機(jī)械特種絞車和錨機(jī)的重要部件廣泛上述領(lǐng)域中。

在半潛式平臺(tái)中，一般在甲板上配置輻射狀8、10、12點(diǎn)深水定位錨機(jī)或者絞車。如圖7所示，在深水定位絞車中，在電機(jī)輸出端與齒輪箱輸入端使用帶制動(dòng)盤(pán)的彈性聯(lián)軸器并配置盤(pán)式制動(dòng)器，盤(pán)式制動(dòng)器承受1.5倍的額定負(fù)載。在卷筒制動(dòng)輪上配置低速帶式制動(dòng)器并承受支持負(fù)載，支持負(fù)載為靜態(tài)負(fù)載。在傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱上配置液力制動(dòng)器（水剎車），用于控制拋錨速度，在選用液力制動(dòng)器時(shí)，一般按照挪威船級(jí)社規(guī)范DNV-OS-E301中要求承受動(dòng)態(tài)持續(xù)負(fù)載60MT，并且速度在1m/sec的情況下[4]。

圖7 深水定位絞車

在起重鋪管船中，船艏船尾的艙室中一般配置分布式8、10、12點(diǎn)移船定位絞車。如圖8所示，在移船定位絞車中，在電機(jī)輸出端配置盤(pán)式制動(dòng)器，承受1.5倍的額定負(fù)載。在卷筒制動(dòng)輪上配置帶式制動(dòng)器承受支持負(fù)載。在傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱上配置水冷制動(dòng)器，用于提供鋪管船移動(dòng)過(guò)程中的恒張力，保證鋪管船移位平穩(wěn)。水冷制動(dòng)器一般承受額定負(fù)載和速度，并可以通過(guò)調(diào)整氣壓，控制輸出扭矩從而控制纜繩張力。為了減少水冷制動(dòng)器尺寸和重量，通常安裝與齒輪箱上，這樣可以降低扭矩。

圖8 移船定位絞車

在起重鋪管船船尾，為調(diào)整托管架幅度，實(shí)現(xiàn)不同管徑的S型鋪管，在船尾分別配置兩臺(tái)或者四臺(tái)托管架調(diào)整絞車。如圖9所示，在液壓馬達(dá)輸出端配置液壓多片制動(dòng)器，承受1.5倍的額定負(fù)載，一般馬達(dá)與制動(dòng)器采用花鍵或平鍵連接。在卷筒制動(dòng)輪上配置帶式制動(dòng)器承受支持負(fù)載。

圖9 托管架調(diào)整絞車

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的論述，我們可以發(fā)現(xiàn)船用制動(dòng)器在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，詳細(xì)理解各種制動(dòng)器的功能、原理、計(jì)算選型等指示，對(duì)我們的工程設(shè)計(jì)非常有幫助。

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）第二卷[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.11.

[2] 王強(qiáng). 起錨機(jī)帶式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].船舶工程, 2007, 29(6):78-79.

[3] 李文志. 大制動(dòng)力可調(diào)水剎車的研制及應(yīng)用[J]. 工業(yè)技術(shù), 2013(3):106-107.

[4] DET NORSKE VERITAS AS.Offshore Standard DNV OS E301, Ch.2 Sec.4 Mooring Euipment, October 2013.

Research on Application of Marine Brake in Offshore Engineering

Fu Wan-Li, Xie Song-Lian, Gu Bing
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

The marine brake has very wide application in the offshore engineering field. The article mainly describes the function, effect, structure, working characteristic and design calculating of a few brakes used in deepwater drilling platforms and engineering vessels. It also introduces in detail the low speed band brake, high speed disc brake, water cooling brake, hydraulic multi-disc brake, motor electromagnetic brake and hydrodynamic brake, combining with actual conditions. The research is to help mechanical design engineers have a good knowledge of the brake field.

band brake; disc brake; hydrodynamic brake; offshore engineering

U664.6+9

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.009

付萬(wàn)里（1986-），男，助理工程師，研究方向：海洋工程特種甲班機(jī)械。