摘要：本文以常用的磁滞联轴器卷缆装置为例，论述了一种卷缆装置故障自动检测与自动保护线路设计的思路，希望能给大型耙吸式挖泥船甲板行走吊的设计人员、监造人员、维保使用人员提供一个参考。
关键词：挖泥船甲板行走吊；吊机；磁滞联轴器；卷缆装置
一、概述
甲板行走吊在现代化的大型耙吸式挖泥船上使用广泛。大型耙吸挖泥船船体巨大，设备众多，部件单体质量大，使用环境恶劣，维保工作量繁重。甲板行走吊安装于泥舱甲板，作业范围覆盖船体的大部分区域，在船舶设备应急抢修、日常维保、月度航修、年度大修以及船舶物资供给搬运中，具有不可替代的作用。保证甲板行走吊的正常运转，才能保证维保工作的正常开展，节约维修时间，从而保证船舶有效运行时间，提高船舶产量和经济效益。甲板行走吊的卷缆装置是吊机的重要组成部分，是舱内电源输入甲板吊的门户，保障卷缆装置的安全、可靠，是甲板吊维保工作的重点之一。卷缆装置随吊机一起安装于泥舱甲板面，长期经受着风吹日晒，海水侵蚀，故障率较高。在甲板行走吊运行时，往往由于卷缆装置出现故障而不能正常卷缆，故障没有被及时发现，电源电缆堆积在甲板面，被吊机车轮压断或者被异物损伤，导致甲板吊断电而停止工作，给船舶设备维修进度和吊装安全带来严重影响。本文以我司耙吸式挖泥船所使用的一种磁滞联轴器卷缆装置为基础，论述一个卷缆装置故障的自动检测与自动保护方案。
二、磁滞联轴器的工作原理及卷缆装置的构成
磁滞联轴器的工作原理是：在一个由数块永久磁铁组成的磁盘的对面，放置一个由强磁材料制成的感应盘，中间留有空气隙，磁盘上有一个多极交替的磁场。当两个盘之间出现转速差时，磁盘将交替磁化对面的感应盘，产生一个抗拒滑差的扭矩，实现了两盘之间的磁联接从而达到了既能传递一个基本恒定的扭矩又能允许滑差的目的。磁滞联轴器可根据需要安装一个单向轴承。当输出端反转时，磁滞联轴器可起到能耗制动的作用；当输入端停转时，磁滞联轴器能始终在一个旋转方向保持恒定的制动力矩。磁滞联轴器的输出力矩与磁滞联轴器内磁盘和感应盘的间隙大小有关，间隙愈小力矩愈大。磁滞联轴器的力矩可通过调节磁盘间隙来调整。
由磁滞联轴器作为核心部件的卷缆装置主要包括驱动马达、单向轴承、磁滞联轴器、减速齿轮箱、电缆卷盘、导缆架、滑环箱等，其结构原理如图1所示：
1、三相异步电动机2、单向轴承3、
间隙4、感应盘5、磁盘6、减速齿轮箱7、电缆卷盘
图1 磁滞联轴器卷缆装置结构原理图
磁滞联轴器卷缆装置由多个部件组成，每个部件的故障都能导致电缆卷收失败，如果设计一个方案去一一去检测、识别各个部件的故障，将是极其困难的。但是，所有部件的故障最终都是指向卷缆失败，只要能检测出卷缆失败，就能及时采取自动保护措施，使电缆免受伤害。然后再由相关人员到现场找出故障点并排除故障，或者采取手动卷缆的方式保证吊机继续运行。为此，需要分析卷缆装置的运行规律。
三、卷缆装置的运行规律
由三相异步电动机和磁滞联轴器组成卷缆装置的动力调速系统。甲板吊驶向电缆锚位时，电动机通电工作，通过减速齿轮箱放大力矩后驱动卷盘旋转收卷电缆，保证收缆过程与甲板吊运行同步；设备驶离电缆锚位时，甲板吊运行时拖拽电缆，使卷盘产生大于磁滞联轴器磁扭矩的力矩，同步释放出电缆。三相异步电动机在任何情况下都不改变相序，即旋转方向保持恒定。
图2 甲板吊行走过程中收放电缆示意图
四、卷缆装置故障自动检测与保护原理
甲板吊放缆控制是吊机由电缆锚位向左（船艏）、右（船艉）行走时，依靠电缆拉力带动卷盘放缆，此时卷缆电机不转，电缆张紧于“八”字形导缆架（见图3）的一侧，电缆从卷盘上被拉出。当吊机由左位或者右位向电缆锚位行走时，导缆架内电缆由张紧于导缆架一侧逐渐开始松弛，电缆有从导缆架的一侧运动到另一侧的趋势。此时起动卷盘电机收缆，使电缆始终张紧于导缆架一侧。不论卷缆还是放缆，电缆始终位于导缆架的一侧，通过锚位时，才运动到另外一侧，那么，当吊机不过锚位时，电缆卷盘由于故障无法收缆，电缆必从导缆架一侧运动到另外一侧，此时即可判断卷缆装置故障，停止吊机前后行走。当甲板吊通过电缆锚位时，电缆从导缆架的一侧运动到另外一侧是正常的切换，此时不可判断为卷缆装置故障。
图3 电缆卷盘及导缆架
基于以上故障判断原理，做出以下设计：
1、导缆架上安装3只接近开关，分别检测导缆架内电缆的三个位置：左侧、中位、右侧。安装凸轮轴1只，电缆在导缆架内运动时带动凸轮轴旋转，分别触发接近开关检测出电缆的三个位置。
2、在吊机钢架靠近导轨处加装撞杆式行程开关1只，并在锚位正上方的轨道上焊接一条约1.2米长，3厘米高的扁铁。当吊机经过锚位时，行程开关接触扁铁动作，切断马达的起动电路，切断卷缆装置故障检测电路，避免甲板吊经过电缆锚位时，电缆从导缆架的一侧运动到另外一侧被误判为故障。另外，压缆检测电路的设计也需要使用该撞杆式行程开关作为切换条件。
3、设计电气控制原理图并接线。电气原理图见图6和图7。
正常情况下，不论卷缆还是放缆，电缆始终位于导缆架的一侧。导缆架的左侧（右侧）接近开关动作，R4继电器动作并自锁，持续判定位置信号。若不经过锚位，卷缆装置故障时电缆从导缆架左（右）侧运动到右（左）侧，R4和R3继电器先后动作，控制电路中故障继电器R0动作，通过R8送至主起动控制箱（主起动箱在吊机出厂时已经安装，此处限于篇幅就不列出主起动箱原理图），使前走限制电磁阀SV4和后走限制电磁阀SV5得电，停止吊机的前后行走。R8和R9为中间继电器，R8由R0的常闭触点控制，正常情况下R8一直得电吸合，卷缆装置故障或者电源失电情况下R8的常开触点保持断开，既可以送出卷缆装置的故障信号，在卷盘控制箱失电时还可以送出失电故障信号。R8的常开触点、甲板吊前走限位开关和后走限位开关共同控制R9。甲板吊前走限位开关和后走限位开关在吊机运行至轨道的两端极限位置时被触发断开，正常情况下一直处于闭合状态。前走限位开关和后走限位开关为吊机出厂时已经安装，并且已经接入厂家设计的安全线路，此处做特别说明是为了表示卷缆装置故障信号是串联入吊机安全线路，并对原来的安全线路做了改进。所做的改进就是SV4和SV5电磁阀控制线路串联主液压泵电机接触器KM2的常开辅助触点，使主液压泵运行时（也就是吊机工作时）安全线路才有效，才能使SV4和SV5电磁阀得电，防止SV4和SV5电磁阀在吊机停止时由于前端线路故障、传感器故障或者其他故障使安全线路误动作而长时间得电烧毁线圈。加装的撞杆开关在吊机经过电缆锚位时通过焊接在轨道上的扁铁触发，使继电器R6得电吸合，切断卷缆装置故障检测电路，避免甲板吊经过电缆锚位时，电缆从导缆架的一侧运动到另外一侧被误判为故障。如果发生卷缆故障吊机停止运行，在排除故障后，需把导缆架内电缆摆
放到正确位置（电缆紧贴在“八”字形导缆架的一侧），然后拨动一次锚位撞杆开关，完成复位，吊机方可正常运行。
图4 撞杆开关扁铁与电缆锚位
图5 撞杆开关
以上设计改进措施需配合甲板吊出厂时已经安装的控制系统来使用，例如卷缆电机起停电路，主液压泵控制电路以及其他辅助电路等。由于各种型号的甲板吊控制系统不尽相同，也由于篇幅的限制，此处不列出甲板吊原装的控制系统原理图。导缆架安装了3个接近开关，左侧、右侧接近开关用于控制R4和R3继电器，中间的接近开关作用是控制卷缆电机的起停。当由于吊机行走电缆运动到导缆架中间位置时，中间接近开关触发，控制卷缆电机起动卷缆。当电缆张紧于导缆架一侧时，中间接近开关断开，停止卷缆电机。吊机继续行走，电缆又运动到导缆架中间位置使中间接近开关触发，起动卷缆电机卷缆......如此往复，持续卷缆。
图7 卷缆装置故障自动保护原理图
五、结语
卷缆装置故障自动检测与自动保护线路设计合理，简单实用。经过现场验证，完全满足使用需求。只要传感器正常动作，各线路正常工作，就可以准确判断卷缆装置故障并停止甲板吊前后行走，避免电缆堆积在甲板面被吊机车轮压断或者被异物损伤，对保证设备安全和船舶效益起到了很大作用，同时也节约了大量的人力物力。根据驱动方式的不同，卷缆装置除了磁滞联轴器式，还有磁耦合式、力矩电机式和变频控制式等。不同类型的卷缆装置或者不同厂家的卷缆装置需要进行针对性的故障自动检测与自动保护线路设计。本次设计以常用的磁滞联轴器卷缆装置为例，论述了一种卷缆装置故障自动检测与自动保护线路设计的思路，希望能够给大型耙吸式挖泥船甲板行走吊的设计人员、监造人员、维保使用人员提供一个参考。另外，优化卷缆装置及吊机的设计，加强保护措施减少风雨接触，尽量使用坚固耐用材质（如不锈钢）建造，加强维护保养等方式，也可以很大程度上避免卷缆装置故障，从源头上降低风险。而不是等到故障发生了才来进行检测与保护。当然，故障发生后进行检测与保护是卷缆装置安全可靠的最后一道防线，也是不可缺少的。除了本次设计的方法，还有其他的检测与保护的方法。这些都是需要继续思考和研究的问题。
论文作者:唐开强,张策
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第8期
论文发表时间:2019/10/18
标签：联轴器论文; 甲板论文; 电缆论文; 锚位论文; 装置论文; 故障论文; 吊机论文; 《建筑细部》2019年第8期论文;