船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置研制

夏義江，韓峻峰

(1.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；2.北部灣大學(xué) 廣西船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心，廣西 欽州 535011)

0 引 言

在船舶航行中，錨機(jī)裝置有著非常重要的作用，正確合理地使用，會(huì)給操縱船舶帶來便利和安全，如今隨著集裝箱船數(shù)量的日益增加，裝卸貨物及靠離碼頭頻率的提高，啟停錨機(jī)頻率也隨之提高，所以，對(duì)于船舶的各類錨機(jī)，都要求其制動(dòng)裝置具有更加可靠的制動(dòng)性能[1]。隨著船舶及海洋事業(yè)不斷發(fā)展錨泊機(jī)械也不斷加大，作為錨機(jī)中主要部件的制動(dòng)裝置同樣隨之加大，現(xiàn)階段錨機(jī)支持負(fù)荷制動(dòng)和正常負(fù)荷制動(dòng)其機(jī)構(gòu)合成在一起，即由同一個(gè)機(jī)構(gòu)通過不同的指令完成這2種制動(dòng)功能，但2種制動(dòng)功能合成后通常體積和重量均較大[2]。因此，急需改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，促進(jìn)錨泊機(jī)械的優(yōu)化、創(chuàng)新和不斷發(fā)展，進(jìn)而保障航運(yùn)業(yè)的安全發(fā)展[3]。

1 船用錨機(jī)剎車裝置發(fā)展現(xiàn)狀

錨機(jī)是船舶重要的甲板機(jī)械之一，船舶靠離碼頭和在錨地錨泊等都需要使用錨機(jī)[4]。船用錨機(jī)的剎車裝置通常是帶式剎車裝置，帶式剎車裝置中，剎車的剎緊和松開靠旋轉(zhuǎn)螺紋手柄實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于操作來說不夠靈活，尤其是需要半剎車狀態(tài)操作時(shí)，操作困難，且?guī)絼x車裝置是采用彈簧油缸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，將壓縮彈簧安裝在伸縮油缸的缸筒內(nèi)，壓縮彈簧輸出初始彈簧力作用在活塞桿上，實(shí)現(xiàn)剎車裝置的制動(dòng)，而壓縮彈簧易失效，如果壓縮彈簧失效，壓縮彈簧和伸縮油缸的維修和更換都十分不便，所以若使用帶式剎車裝置就會(huì)造成半離合操作困難，速度從0到最大速度時(shí)的調(diào)速控制困難；安全性能不高，維修和更換不便。錨機(jī)剎車系統(tǒng)的合理設(shè)置和選型，能保證錨機(jī)在各種工作狀態(tài)下可以可靠安全地工作[5]。因此研制出一種既靈活方便，又滿足使用條件和安全性能的剎車裝置是急待解決的問題。

2 錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置基本原理、主要特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置基本原理

通常錨泊設(shè)備主要由錨、錨鏈、錨鏈筒、錨架、掣鏈器、導(dǎo)纜滾輪、導(dǎo)索器、起錨機(jī)、錨鏈管、錨鏈艙和棄錨器等部分組成[6]。船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置是一種靈活可調(diào)的船用錨機(jī)剎車裝置，可實(shí)現(xiàn)半離合，能方便地對(duì)船舶起錨和拋錨的速度從零到最大速度進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的控制。船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置的基本工作原理：該剎車裝置剎車方式有2種：一螺桿式剎車；二手扳式剎車。通過同時(shí)設(shè)置剎車螺桿和剎車手柄，使得船舶起錨和拋錨過程中，可通過旋轉(zhuǎn)剎車螺桿端部的剎車手輪，使剎車螺桿旋入豎連臂的螺紋孔，帶動(dòng)橫檔塊向下移動(dòng)，拉動(dòng)橫連臂、推動(dòng)斜連臂，從而使制動(dòng)瓦剎緊或松開錨機(jī)卷筒；也可通過拉動(dòng)剎車手柄，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂向下旋轉(zhuǎn)，通過銷軸帶動(dòng)豎連臂和剎車螺桿向下移動(dòng)，從而帶動(dòng)橫檔塊向下移動(dòng)，拉動(dòng)橫連臂、推動(dòng)斜連臂，使制動(dòng)瓦剎緊或松開錨機(jī)卷筒，從而達(dá)到制動(dòng)目的。

當(dāng)采用手扳式剎車時(shí)，拉動(dòng)剎車手柄使第一制動(dòng)瓦和第二制動(dòng)瓦剎緊卷筒后，再通過握緊或松開拉板上的握把和剎車手柄的自由端使棘爪在方孔內(nèi)上下移動(dòng)，往下移動(dòng)時(shí)，棘爪卡在棘輪內(nèi)，棘爪卡住棘輪后，致使棘爪不能移動(dòng)，由于棘爪在剎車手柄的方孔內(nèi)，棘爪保持不動(dòng)時(shí)，使剎車手柄也保持不動(dòng)，從而使手扳式剎車剎住卷筒后定位不動(dòng)，當(dāng)操作人員扳動(dòng)大小合適時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)半離合。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置主要特點(diǎn)

1）通過同時(shí)設(shè)置剎車螺桿和剎車手柄，使得剎車裝置在使用過程中，操作更加靈活，即在船舶起錨和拋錨過程中，可通過剎車螺桿采用螺桿式剎車剎緊或松開卷筒，也可通過剎車手柄采用手扳式剎車剎緊或松開卷筒；當(dāng)采用手扳式剎車時(shí)，還能依靠操作人員的扳動(dòng)力的大小實(shí)現(xiàn)半離合，方便地對(duì)船舶起錨和拋錨的速度從0到最大速度進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的控制。某船在一次拋錨操作過程中，錨機(jī)停車后出現(xiàn)掉錨現(xiàn)象，同時(shí)錨機(jī)有焦糊味道，初步判斷是剎車失靈，十分危險(xiǎn)[7]。船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置會(huì)避免此類事故的發(fā)生。

2）當(dāng)安裝工作完畢后，通過操作螺桿式剎車剎緊卷筒，可使該錨機(jī)剎車裝置能承受比工作拉力大數(shù)倍的靜拉力，此承受范圍能使錨機(jī)剎車裝置經(jīng)受海上惡劣工況等對(duì)船舶的影響，使得錨機(jī)剎車裝置使用壽命更長。

3）船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便。

圖1 無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

2.3 船用錨機(jī)剎車裝置基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船用錨機(jī)剎車裝置基本結(jié)構(gòu)中，第一杠桿3的一端通過第一銷軸4與第一剎車支座5連接，另一端與橫拉桿7呈角度連接；橫桿件通過第一橫擋塊10與斜連臂11連接，其中橫桿件包括相連接的橫拉桿7和橫連臂9，橫拉桿7（遠(yuǎn)離橫連臂9）一端通過第七銷軸6與第一杠桿3呈角度連接，橫連臂9的一端通過第二橫擋塊8與橫拉桿7（遠(yuǎn)離第一杠桿3的）一端連接，橫連臂9的另一端通過第一橫擋塊10與斜連臂11連接；橫拉桿7上，位于第二橫檔塊8的兩側(cè)，還分別設(shè)有橫拉桿調(diào)節(jié)螺母28，其中橫拉桿7與第二橫檔塊8連接的一端設(shè)有螺紋，且橫拉桿7穿過橫擋塊8中間開孔，可通過旋轉(zhuǎn)橫拉桿調(diào)節(jié)螺母28，從而改變橫連臂9和橫拉桿7的總長度，使剎車手柄23位于最恰當(dāng)?shù)牟僮魑恢?，避免松剎車（即放松錨機(jī)卷筒）時(shí)，制動(dòng)瓦與錨機(jī)卷筒接觸太緊，或緊剎車（即剎緊錨機(jī)卷筒）時(shí)，制動(dòng)瓦與錨機(jī)卷筒接觸太松；同時(shí)也可以避免當(dāng)制動(dòng)瓦上的制動(dòng)材料磨損后，剎車手柄23即使往后拉也達(dá)不到有效制動(dòng)的效果。

第二杠桿13的一端通過第二銷軸12與斜連臂11呈角度連接，另一端與第二剎車支座22連接；第一杠桿3和第二杠桿13上均設(shè)有制動(dòng)瓦，分別為第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15，第一杠桿3通過第三銷軸2與第一制動(dòng)瓦1連接，第二杠桿13通過第四銷軸14與第二制動(dòng)瓦15連接；第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15的內(nèi)凹面相向設(shè)置，以將錨機(jī)卷筒剎緊或放松；第一橫擋塊10上，豎直穿設(shè)有一剎車螺桿16，剎車螺桿16的一端裝設(shè)有一剎車手輪17，另一端連接有一豎連臂18；剎車螺桿16上設(shè)有梯形螺紋，豎直臂18上設(shè)有螺紋孔，梯形螺紋與螺紋孔中的螺紋相配合；當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)剎車手輪17時(shí)，剎車螺桿16旋入豎連臂18的螺紋孔中，帶動(dòng)第一橫檔塊10向下移動(dòng)，拉動(dòng)橫連臂9、推動(dòng)斜連臂11，從而使第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15剎緊錨機(jī)卷筒；當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)剎車手輪17則放松卷筒。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置左視圖Fig.2 Left view of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

豎連臂18的底端通過第五銷軸19連接有一旋轉(zhuǎn)臂20，旋轉(zhuǎn)臂20與第二剎車支座22連接，旋轉(zhuǎn)臂20通過第六銷軸21與第二剎車支座22；旋轉(zhuǎn)臂20還連接有一手扳式剎車機(jī)構(gòu)，后拉剎車手柄23，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂20向下旋轉(zhuǎn)，通過第五銷軸19帶動(dòng)豎連臂18和剎車螺桿16向下移動(dòng)，從而帶動(dòng)第一橫檔塊10向下移動(dòng)，拉動(dòng)橫連臂9、推動(dòng)斜連臂11，使第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15剎緊錨機(jī)卷筒；反之，前推剎車手柄23，則放松卷筒。

剎車手柄23相對(duì)剎車螺桿16傾斜設(shè)置，剎車手柄23的一端與旋轉(zhuǎn)臂20連接，另一端為自由端；且剎車手柄23與旋轉(zhuǎn)臂20連接的一端開設(shè)有第一通孔（圖未示），第一通孔為方孔；剎車手柄23的兩相對(duì)側(cè)面上均設(shè)有拉板24，兩塊拉板24的一端通過一連接件（圖未示）與剎車手柄23的自由端連接，另一端連接有一棘爪25；拉板24（遠(yuǎn)離棘爪25的）一端還設(shè)有一握把26；棘爪25的一端可移動(dòng)地設(shè)于第一通孔內(nèi)，第二剎車支座22上設(shè)有棘輪27，棘爪25的另一端與棘輪27相配合、卡接；當(dāng)后拉剎車手柄23，使第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15剎緊卷筒后，再通過握緊或松開拉板24上的握把26和剎車手柄23的自由端，使棘爪25在方孔內(nèi)上下移動(dòng)；往下移動(dòng)時(shí)，棘爪25卡在棘輪27內(nèi)，致使棘爪25不能移動(dòng)，由于棘爪25在剎車手柄23的方孔內(nèi)，當(dāng)棘爪25保持不動(dòng)時(shí)，會(huì)使剎車手柄23也保持不動(dòng)，從而使手扳式剎車剎住卷筒后定位不動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置右視圖Fig.3 Right view of semi-clutch brake device with stepless speed regulation

進(jìn)一步地，如圖4和圖5所示，棘爪25包括一體成型的連接部251和分叉部252，連接部251上開設(shè)有第二通孔253，連接部251通過一穿過第二通孔253的銷軸與兩塊拉板24連接，即2塊拉板24分別與銷軸的兩端連接，連接部251可移動(dòng)地設(shè)于第一通孔內(nèi)；分叉部252包括上端一體成型的2個(gè)分支2521，2個(gè)分支2521的端部為傾斜狀，其中2個(gè)傾斜狀端部分別與2個(gè)棘輪27上的齒相配合，以使棘爪25的端部可卡于棘輪27內(nèi)；棘爪25的這一設(shè)置及其與2個(gè)棘輪27的卡接，使得剎車手柄23剎緊卷筒后，更能使卷筒保持定位不動(dòng)，提高了剎車的牢固性和穩(wěn)定性。

圖4 棘爪的主視圖Fig.4 Main view of the pawl

圖5 棘爪的右視圖Fig.5 Right side view of the pawl

此外，第一制動(dòng)瓦1和第二制動(dòng)瓦15的內(nèi)凹面上均設(shè)有緩沖層，緩沖層的厚度可以為2～5 mm，本文取3 mm。通過設(shè)置厚度適中的緩沖層，不僅可以保護(hù)了卷筒的表面，還可以避免其因多次被剎緊后表面受損，影響剎車效果。若厚度過大，則會(huì)影響到剎緊卷筒的程度，進(jìn)而影響剎車效果。因此，合理的選取制動(dòng)片的厚度，可以進(jìn)一步提高的剎車性能。

3 結(jié) 語

艦船在港口裝卸貨物、海關(guān)檢查、港口停船等情況下都需要進(jìn)行錨泊，錨泊是最安全、快捷的一種停船方式[8]，錨泊及其剎車裝置不言而喻，本文分析船用錨機(jī)剎車裝置發(fā)展現(xiàn)狀，研制一種船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置，列出了該船用錨機(jī)無級(jí)調(diào)速的半離合剎車裝置基本原理、主要特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)組成，此錨機(jī)剎車裝置通過同時(shí)設(shè)置剎車螺桿和剎車手柄，使其在使用過程中，操作起來更加靈活，還能方便地對(duì)船舶起錨和拋錨的速度從0到最大速度進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的控制；通過操作螺桿式剎車剎緊卷筒，使剎車裝置能承受比工作拉力大數(shù)倍的靜拉力。該錨機(jī)剎車裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便，具有良好的操作性、適應(yīng)性，隨著國內(nèi)外船舶與海洋事業(yè)的發(fā)展，該錨機(jī)剎車裝置將有一定的應(yīng)用前景。