顧 炳，俞志剛，付萬里，劉 賀

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

深水定位錨機用錨鏈輪結構及齒形等研究

顧 炳，俞志剛，付萬里，劉 賀

（中船重工第七〇四研究所，上海 200031）

錨鏈輪作為深水定位錨機關鍵零部件，與普通船用航行錨機相比，必須具備承受更大負載和耐磨等特點。通過對錨鏈輪（錨鏈直徑Φ84）進行齒形優(yōu)化、受力分析以及加工材料選型，設計出滿足定位錨機使用的錨鏈輪，具有承受負載大、起錨速度快、降低磨損，使用壽命長等特點。

深水定位錨機；錨鏈輪

0 引言

定位錨機作為鉆井平臺等海洋工程船舶定位必不可少的設備，其中錨鏈輪是錨機中的關鍵零部件，錨鏈輪本體結構、齒形質量及材料選用的好壞，直接影響錨機的工作性能，甚至影響整個平臺作業(yè)的安全性。所以必須滿足錨鏈與錨鏈輪正常嚙合，保證錨機工作平穩(wěn)，同時鏈輪磨損要低，滿足強度要求。

通過對國內(nèi)外平臺調研以及有關資料和標準的查閱，錨鏈輪一般都采用五齒結構，相對六齒型結構，前者鏈徑節(jié)圓直徑小，在同樣的負載下扭矩小，有利于優(yōu)化錨機結構，降低錨機重量。目前，國內(nèi)使用的五齒錨鏈輪是按照國家 CB/T3179-1996標準設計的，但該標準規(guī)定的錨鏈輪僅適用于船用航行起錨機，若用于平臺深水定位錨機，存在以下問題：1）深水定位錨機工作負載大，在此大負載下錨鏈輪強度不夠，容易發(fā)生崩齒或齒形擠壓變形；2）在同等工作負載下深水定位錨機起錨速度快，錨鏈輪與錨鏈嚙合時滑移加大，可能會產(chǎn)生滑鏈，同時加劇錨鏈輪的磨損；3）按中國 CB/T3179標準，錨鏈輪采用 ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570材料，正火處理后表面硬度在HB150～220之間，而R5系泊鏈表面硬度超過HB345，兩者硬度相差太大，錨鏈輪較短時間內(nèi)使用后就被磨損至報廢，因此需要適當提高錨鏈輪鏈窩與錨鏈嚙合處的硬度，既不損壞錨鏈，又能保證錨機能長時間有效工作。

因此，按中國CB/T3179標準設計的錨鏈輪是無法上用在平臺深水定位錨機上，必須進行優(yōu)化改進設計。

1 錨鏈輪齒形結構設計

錨鏈輪首先必須能與錨鏈正常嚙合，其基本要求是鏈輪節(jié)圓為錨鏈輪中心線形成的正五邊形外接圓，這樣理論上保證了起拋錨時不會發(fā)生歪鏈等現(xiàn)象。顯然，對于五齒鏈輪，圖1中α=72°，直徑為D的圓即為正五邊形外接圓，該圓直徑：

O1O2為錨鏈嚙合時的正五邊形的邊長，為此適當增大五齒錨鏈輪本體上齒側面的圓弧半徑R2，保證五齒錨鏈輪本體上的正五邊形的相鄰二個頂點O1、O2和錨鏈鏈環(huán)中心 O3三點在一直線上，而非折線（一般O3點圓與R1或R2圓弧干涉，O1、O2和O3三點就會形成折線，表明錨鏈可能發(fā)生歪鏈）。錨鏈輪本體以及與錨鏈嚙合如圖1所示。

圖1 錨鏈輪與錨鏈嚙合示意圖

同時需要增加了錨鏈輪鏈窩處齒形厚度H，以增加齒形部分的強度。在起錨過程中，主要靠鏈窩拽住錨鏈鏈環(huán)，實現(xiàn)錨鏈的收放，因此此處承受很大的擠壓應力；增大該齒形厚度，使錨鏈輪滿足更大的工作負載要求，保證錨鏈輪齒形不被折斷。

R1和R2對應的圓弧在連接處相內(nèi)切，改變R2勢必R1也要跟著變化，若R1變化，與R1對應圓弧相外切的分度圓（直徑D2）也會變化，為了保證錨鏈輪與錨鏈能正常嚙合，錨鏈輪的節(jié)圓直徑不能發(fā)生變化，因此尺寸R1、R2及之間的相對位置關系，以及D2之間要統(tǒng)一考慮。如果僅適當增大R2，反而會降低齒窩厚度H，所以要對R2圓弧的圓心位置進行調整，使其向外側移動，這樣不僅能保證 O1、O2和 O3三點共線，還可以使得R2與R1對應圓弧的相切點向內(nèi)側偏移，更有利減少錨鏈在鏈窩受力時產(chǎn)生的滑移距離，。

CB/T3179標準中，Φ84錨鏈對應的錨鏈輪鏈窩處齒形厚度H僅為 67mm，而新設計的錨鏈輪為H=90mm；同時為了進一步有效避免拋錨時發(fā)生跳鏈的情況，適當增大R1，相關尺寸見表1。

表1 設計錨鏈輪相關尺寸

在起拋錨過程中，錨鏈與鏈輪嚙合時在鏈窩處會產(chǎn)生一個與鏈窩相切的分力[2]，若這個分力方向向外，容易使錨鏈滑出鏈窩產(chǎn)生跳鏈現(xiàn)象，因此在設計錨鏈輪時保證使這個分力小于錨鏈與鏈輪之間的摩擦力或者方向向內(nèi)，主要要把R2圓弧與O1圓相切點切線方向盡量與鏈輪中心線平行甚至向內(nèi)傾斜靠近鏈輪中心O。

2 鏈輪結構強度設計

CB/T3179標準在使用范圍中注明適用于船用起錨機和和起錨絞盤，并非適用于平臺錨機；在技術要求中也注明錨鏈輪采用的是GB549和GB550中船用錨鏈的有檔錨鏈，而不是采用GB/T20848海洋系泊鏈；同時，我國船舶行業(yè)標準《CB/T3663-2013 移動式海洋平臺錨泊定位裝置》在《CB/T3663-1994海上移動式平臺用錨泊定位裝置》基礎上進行了修訂，在錨鏈輪要求中取消了“錨鏈輪的幾何參數(shù)和畫法應符合 CB3179的要求”該要求，只對錨鏈輪的齒數(shù)提出了要求[3]，說明普通航行錨機使用的錨鏈輪不能用于平臺錨機，R5級海洋系泊鏈與AM2或AM3級船用錨鏈，兩種錨鏈性能相差甚遠，在相同錨鏈直徑（Φ84）下，兩種錨鏈外形參數(shù)雖然一樣，但對應兩種錨機的工作負載相差8倍多（Φ84的 AM3級船用錨鏈，錨機額定負載為335kN；而采用R5系泊鏈，額定負載為2694kN，前者僅為后者的1/8），因此要求錨鏈輪具有很高的強度和較好的適應性；即使在船用錨機額定負載下，平臺錨機起錨速度也是航行錨機的 7倍甚至更大，這樣的起錨速度下要保證錨鏈不會出現(xiàn)滑鏈，否則對錨鏈輪的磨損很大（船用航行錨機在額定負載下額定起錨速度9m/min；定位錨機在該負載下收錨速度大大超過9m/min，甚至超過50m/min）。

為了增加錨鏈輪整體強度，提高錨鏈輪整體剛性，錨鏈輪本體采用合金鑄鋼，為ZG20Mn鑄鋼鑄造而成，鑄造后正火處理，機械性能與ZG310-570相當，而且焊接性能好，朔性和韌性也比較好，這樣鏈輪本體部分強度滿足要求，沒有必要為了提高鏈窩強度而選用強度高出很多的材料來制造整個鏈輪，因此只需要提高鏈窩處強度即可。一般認為增加鏈窩處齒厚以降低錨鏈輪所受擠壓應力從而提高錨鏈輪強度，但由于錨鏈輪是鑄鋼件，鑄造工藝決定了鏈窩厚度不能過厚；厚度偏后反而會產(chǎn)生一些不利因素，尤其在鏈窩以及其它較厚處容易產(chǎn)生大量的縮孔并引起材質疏松，反而降低錨鏈輪強度，最初鏈窩設計齒厚為100mm，結果經(jīng)試驗驗證，強度僅與厚度60mm相當，說明一味增加厚度反而不能起到提供強度的作用，而且會增加錨鏈輪的重量，所以要優(yōu)化鏈窩齒形內(nèi)部結構，因此在鏈窩內(nèi)側增加工藝孔，一是便于鏈輪澆鑄滿足鑄造工藝，避免錨鏈輪澆鑄過程中產(chǎn)生縮孔等不利因素，二是利用該孔起到了錨鏈輪與齒輪、制動輪之間的連接作用；所以經(jīng)過研究和試制，鏈輪鏈窩厚度設計為90mm，最終也經(jīng)試驗得到了驗證，滿足使用要求。鏈窩處結構如圖2所示。

圖2 鏈窩結構

3 鏈窩嚙合處耐磨考慮

在與錨鏈嚙合的鏈窩處焊有一塊硬度較高的襯墊，襯墊采用選用20CrMnMoB或Q960D，不僅僅是因為考慮材料硬度要高、耐磨性要好等特性，還要考慮材料的下料切割時的工藝性和可實施性，還要與之相嚙合的錨鏈材料硬度相匹配，并且與錨鏈輪本體材料焊接性等一系列問題。首先材料的焊接性要好，能與錨鏈輪本體易焊，因此只能選擇含碳量較低的鋼板；其次，由于系泊鏈硬度較高，R5系泊鏈表面硬度一般都大于 HB345（實測都是 HB360左右），因此襯墊不能選用一般的低碳鋼板，材料要具備較高的硬度，至少HB280以上，否則錨鏈輪需要經(jīng)常更換或修理；再次，根據(jù)錨機系泊設備配置的特性，錨鏈輪在嚙合處的硬度必須要低于錨鏈硬度（一般為 20HB～50HB），否則會錨鏈磨損很快，需要經(jīng)常更換錨鏈，代價和成本高，最初選用耐磨鋼（NM360，硬度比R5錨鏈還高）明顯不合理。所以綜合以上諸多因素，最終選用這兩種材料的襯墊經(jīng)處理后表面硬度可以達到 HB320左右。這樣鏈輪不會很快被磨損，即使長期使用后被磨損后，也可以重新焊接。由于該材料主要是起到耐磨的作用，因此厚度不宜太厚，一般為10mm。

由于錨鏈輪與錨鏈的嚙合是帶滑移的，為了防止襯墊受力后掉落，因此襯墊與錨鏈輪本體實施焊接方式，也非采用一般的周邊焊，而是采用塞焊+周邊焊的方式，塞焊更能保證襯墊與錨鏈輪本體焊接后牢牢貼服在一起；當與錨鏈嚙合時，襯墊是承受擠壓和滑移的，所以在襯套上加工有3個Φ3mm的排氣孔，這樣便于排氣，否則氣體受擠壓容易引起焊縫爆裂導致襯墊的剝落。同時，為了不改變鏈窩處的齒形，錨鏈輪在焊接襯墊處特加工有凹槽，形狀與襯墊一致，待襯墊焊接修配后，齒面與原先成設計形狀一致，這樣既能達到提高嚙合處硬度的目的，又達到不改變齒形的效果。鏈窩處襯墊結構圖如圖3所示。

圖3 鏈窩處襯墊結構

齒形優(yōu)化設計后的錨鏈輪三維建模圖和實物加工如圖4所示，鏈輪嚙合處襯墊與鏈輪本體完成焊接并已打磨光滑。

4 結語

本文對深水定位錨機用的五齒鏈輪齒形進行分析和研究，并對齒輪材料進行選型，得到以下結論：

1）鏈輪本體上的節(jié)圓為錨鏈輪中心線形成的正五邊形外接圓，為增加齒窩厚度，從而改變五齒錨鏈輪本體上齒側面的圓弧半徑R2和位置關系，使五齒錨鏈輪與錨鏈嚙合時，錨鏈形成的正五邊形的相鄰二個頂點 O1，O2與錨鏈鏈環(huán)中心 O3在一直線上，保證錨鏈輪在起拋錨時與錨鏈正常嚙合；

2）錨鏈輪本體鏈窩處齒形厚度H=90mm，同時增加工藝孔，以增加齒形部分的強度，并能滿足定位錨機負載大的要求；

3）錨鏈嚙合處增加有耐磨材料，能降低錨鏈輪磨損量，有效延長錨鏈輪使用壽命，最終進行了試驗驗證。

圖4 錨鏈輪建模與實物圖

[1] 常仲明, 周玉華, 等. CB/T 3179-1996, 錨鏈輪. 中華人民共和國船舶行業(yè)標準, 1996.

[2] 張慶普, 張海燕. 錨鏈輪齒形改進的實踐與研究.江蘇造船, 1999(5): 10-12.

[3] 顧炳, 張海燕等. CB/T 3663-2013,移動式海洋平臺錨泊定位裝置. 中華人民共和國船舶行業(yè)標準,2013.

Research on Structure and Tooth Form of Sprocket Wheel Using on Deepwater Positioning Windlass

GU Bing, YU Zhi-gang, FU Wan-li, LIU He
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

Compared with the anchor windlass used on general vessels, the sprocket wheel, as the key component of deepwater positioning windlass, must have characteristic such as supporting higher load and wear resistance. The satisfying sprocket wheel (diameter: Φ84) has been designed by optimizing tooth profile, analyzing force and choosing the machining materials. The sprocket wheel has many advantages such as high load capacity, fast speed in hauling in or paying out, low wearing and long using life.

deepwater positioning windlass; sprocket wheel

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.003

顧炳（1980-），男，工程師，碩士，主要從事甲板機械及海洋工程特種絞車設計。