托管架调整绞车设计

托管架是海底管道 s形铺设中的重要装备之-， 悬挂在铺管船的船尾，起到管道在下水过程中控制管道在托管架上的曲率的作用，从而防止管道因为在上弯段的弯矩过大而导致的屈服或破裂。目前，利用托管架的深水 S形铺设方法已经可以将海底管道铺设到水深2 500 m的海底，而且铺设速度远高于其他如J形铺管法，在未来的海洋管道铺设中具有广阔应用前景。当前，托管架作为海洋工程领域施工的特种装备，国内多以国外设计、国内制造为主，本文以深水铺管船托管架的调整绞车为研究对象，从总体、液压系统、电控系统等方面进行了探讨。

1 绞车总体设计方案1.1 托管架技术参数深水铺管船采用 S形铺管方式，施工操作环境为无遮挡海洋性条件，铺管最大水深 3 000 m，管径 6”～60”，最大日铺管速度为 5 km/d。主要技术参数如下：最大环境温度为 45 c，最蟹境温度为 -15。(，相对湿度为 90%，结构设计温度为 -15℃，最大海水温度为 32℃，最校水温度为 -2℃，滚筒容绳约 600 m，最大线速度为 15m/min时钢丝绳最大拉力 600 kN (外层)，最大线《起重运输机械》 2013(9)速度为 5 m/min时钢丝绳最大拉力 900 kN (外层)，绞车制动力不小于2 695 kN。

1.2 绞车总体设计鉴于海洋环境条件下进行铺管作业，对铺管设备的要求高，因此，托管架调整绞车应该从以下几方面考虑：1)调整绞车的协调性 考虑到铺管船左右舷的对称性，本设计方案设计的调整绞车共 4台(两两成对)，绞车总体布置 (见图 1)于船体尾部，调整绞车安装于托管架操作架 (SHF)上，每对绞车通过钢丝绳绕过安装于托管架上的动滑轮组互相连接。同时，每对绞车依靠液压系统和机械连接保持刚性同步，测量传感器采取冗余设计，即对绞车的绳速 (或长度)检测和张力检测，实时测量比较托管架两侧钢丝绳绳速 (或长度)和张力变化，同时调整设备保证绞车同步。

2)调整绞车的可靠性 考虑到在铺管过程中可能发生的系统故障，本设计为当某-舷的-个绞车失效，整个设备能够继续工作，因此，设计2套液压动力装置。这样，可实现当某-舷的液压动力装置失效，另-舷的液压动力装置具备驱动4台绞车同时工作的能力。液压动力装置的数台主泵集中供油，互为备用，只要有-台主泵能够正常工作，设备就能够实现所需功能。

3)调整绞车的操控性 本方案设计了现池- 31 - 1.调整绞车 2.托管架操作架3.托管架 4.动滑轮组图 1 托管架调整绞车总体布置图制盘加远程控制系统的操控模式，即将现池制盘安装托管架操作架上，位于调整绞车旁。远程控制系统的控制盘和控制柜位于托管架控制室内。

考虑到与船体其他部分间的通信，本方案采用以Profibus-DP现场总线技术为基础，通过工业以太网实现各站点 PLC数据交换的分布式控制系统。

2 绞车机械结构设计根据调整绞车的总体设计，绞车安装于托管架操作架上，共 4台，两两成对。每对绞车用-根钢丝绳绕过安装在托管架上的动滑轮连接，同时做收绳或放绳动作。本方案设计每台绞车的传动方式采用4套油马达加减速器组合，通过大型开式齿轮传动机构驱动滚筒转动。油马达直接连接到行星减速器上，配置平衡 阀和二次溢流阀；行星减速器通过法兰连接在支架上，输出端连接小齿轮；小齿轮与大齿轮采用外啮合方式传动。

每台绞车的制动设计为带式制动器、棘爪式制动器2种制动形式结合，当需要绞车工作时 (放出或收回钢丝绳)，首先打开绞车的棘爪式制动器，再打开绞车的带式制动器；2套制动器都通过液压缸驱动∈车滚筒表面开绳槽，通过滑动轴承安装在主轴上；主轴采用芯轴结构，只承受弯矩，不传递扭矩，有效减嗅构尺寸。

3 调整绞车液控系统设计3.1 绞车液压系统的设计为实现闭式液压驱动调整绞车的控制，应先从液压驱动系统的设计开始。液压动力装置共 2套，左右舷的每对绞车各配置 1套。液压动力装- 32 - 置采用变量泵控液压系统，通过换向阀驱动油马达双向转动。同时每台绞车控制主回路通过比例变量泵和液控变量泵构成动力源驱动变量马达，实现2种工况下不同扭矩和速度的输出，从而满足最大线速度为 15 m/min时钢丝绳最大拉力 600kN (外层)，最大线速度为5 m/min时钢丝绳最大拉力 900 kN (外层)的要求。调整绞车结构见图2。

图2 调整绞车结构示意图每套液压动力装置包括主泵机组、辅泵机组、主控制阀组、辅控制阀组以及油箱等配套部件。

液压动力装置的出口管路均配置截止阀，以便于拆卸和维修。主泵选择轴向柱塞变量泵，控制方式为电控变排量控制，可以有效调节流量，柔性控制绞车转速，减少冲击。主泵的流量通过 1套换向阀组，分别供给 8台油马达。换向阀组采用集成设计，除集成主换向阀外，其他电磁阀、截止阀、单向阀等都安装在换向阀组上使结构紧凑。

每台绞车的连接油管均配置截止阀，以便于维修拆卸。辅油泵采用双联轴向柱塞泵，1台供制动器控制用，另 1台专门做循环过滤泵使用。油箱采用大油箱设计，增加系统的散热能力。

3.2 调整绞车液控系统的工作原理为了保证海上铺管作业的可靠性，调整绞车的作业模式需设置为手动作业模式和 自动作业模式。其中手动作业模式是通过比例手柄控制泵的输出流量大型方向，以实现滚筒的放出或收回钢丝绳。自动控制模式主要控制同侧 2台绞车为同步运转，设置为恒张力状态。其张力主要通过绞车上的张力传感器获得信号后闭环控制变量泵的比例伺服阀，在获取张力信号的同时，在绞车也需设计速度测量单元，同时采取绳速和马达输出转速的信号。从而保证 4台绞车同步工作以及《起重运输机械》 2013(9)张力基本-致。

在液控单元工作时，首先启动辅泵机组，循环过滤泵开始工作。此时辅泵系统控制制动器的电磁阀不通电，制动器处于制动状态。然后启动主泵机组。每套液压动力装置配置的主泵机组按顺序启动，采用软启动方式，减少对电网的冲击。

主泵控制方式采用 EDC比例变排量控制，当主泵机组启动时泵在最小排量，主回路安全阀的先导电磁阀断电，安全阀处于卸荷状态；主换 向阀为大通径插装式换向阀，处于中位卸荷机能。

在调整绞车使用时，由于某种原因 (故障或误操作等)使-台绞车变成不可操作性 (无法收放钢丝绳)，那么可以手动关闭液压管路上的截止阀，切断驱动这台绞车的油路，使液压动力装置单独驱动另-台绞车继续工作，但速度降低。当某-液压动力装置由于某种原因失效时，可以通过关闭液压管路上的截止阀隔离这-液压动力装置，然后打开通 向另-液压动力装置的截止阀，通过降低速度使另-液压动力装置能够驱动4台绞车实现所需功能。

4 绞车电气控制系统设计在设计中，4台绞车分别以2台绞车为 1套，控制系统设计应考虑现池制系统加远程控制系统的模式，即远程及现池制台实现对 4台绞车的全功能操作，并且能够监测调整绞车、液压动力装置的运行情况。远程控制台和现池制盘具有互锁功能，当-个控制盘工作时，其他控制盘处于锁定及监控状态。

每套现池制系统利用带有 DP接 口的西门子s7-300PLC作为每套绞车的单独控制主设备，配以电源拈、通讯拈、数字量输 输出拈、模拟量输入/输出拈、高速计数拈等功能模块。每台液压动力站现池制柜里设有 PLC主站和 I/0拈 ，以采集动力站的传感器信号、控制动力站的泵电机、电磁阀和变量泵。并通过 Profi-bus-DP现场总线与调整绞车控制单元里的 HMI和DP拈ET200通信，通过控制绞车控制单元里的HMI和主令开关 ，实现每台绞车运转的控制和绞车状态参数的收集。同时在液压动力站现池制柜的 PLC主站和托管架的现嘲远程控制系统的PLC主站配置以太网拈，通过工业以太网连接托管架控制室内的交换机，实现 PLC主站之间的数据交换。

5 结论针对海洋铺管作业环境的复杂性，考虑深海铺管设备的协调、可靠及操控性能要求，从总体、液压及电控系统对深水铺管船托管架的调整绞车的设计技术展开了探讨，为今后类似的工程项 目提供设计经验。