陆 红，郑远斌，王义程

● （中交第四航务工程局有限公司，广州 510231）

串接增速器的机械式同步机构在大型起重船上的应用

陆 红，郑远斌，王义程

● （中交第四航务工程局有限公司，广州 510231）

机械式同步机构属传统的机构，由于结构简单、工作可靠和环境适应性强，因此被广泛地应用于各类机械设备、工程船舶中。但是当两个旋转装置轴线为平行布置，且在低速大扭矩工况下，采用常规的带转向齿轮箱的机械式同步机构虽然从原理上分析可行，但往往受到工艺上许多限制。本文介绍一种新颖的“串接增速器的机械式同步机构”，并成功应用于“四航奋进”号2600t起重船的多主钩起升机构中，较好解决了主钩同步问题。

机械式同步机构；增速器；起重船

0 引言

随机械制造业的迅速发展，不论是陆上的工程机械还是海上工程船舶都在向大型化发展[1]。在这些设备中，经常遇到多个旋转装置之间有相互同步的要求，即应用到同步机构[1]。所谓同步机构是指有运动的两个或多个零件之间需要保持有确定速度之间关系的一种装置，如有两个旋转的零件，要求同向、等速旋转，而满足这一功能的就是一个同步机构。由于机械式同步机构的结构简单、同步传递精度高、工作可靠、环境适应性强、故障率低，特别是在低速大扭矩工况下能长期可靠的工作，因此各类机械式同步机构被广泛应用于机械设备、运输机械、起重机械和工程船舶中。

1 问题的提出

“四航奋进”号2600t双臂架固定式起重船是我国于2003年自行设计和建造的该类型的第一艘两千吨级以上的大型工程起重船。该起重船为固定式双臂架结构形式，配置四个按矩形布置的650t主钩，最大起重量为2600t。主钩起升机构为液压驱动的大型绞车，并对应主钩也按矩形布置于船体后甲板上。2600t起重船总布置见图1。

图1 2600t起重船总布置图

由于起重系统采用了双臂四钩的布局，能够适应海上各类起重吊装作业的工况要求，仅吊钩系就可完成对被吊构件3个自由度的调整，吊装作业工艺性好，特别是长梁宽幅结构的重型构件吊装，如大型桥梁箱梁安装、沉船打捞、海上风电整机安装等。但是同样也带来了新的问题，在某些吊装作业工况中，为减小和避免因4个主钩不同步运行产生的载荷转移，该系统对4个主钩的同步运行精度也提出了相当高的要求。

在该起重船的起重控制系统中，原设计了一套采用由电子编码器、液压控制系统、PLC等组成的电子软同步器控制系统。但在实际的使用中，采用软同步的四台起重绞车有跟踪速度慢、动作有明显的延时效应，并有较大的速度损失，同步精度不理想，绞车出绳时常伴有“窜动”的现象，可靠性不高，难以满足起重系统精确同步的要求。因此努力寻求更好的软同步或采用机械式同步机构(俗称：硬同步)的方案来解决。

2 同步方案比选

方案I：在原有软同步控制系统的基础上，选用高精度数字编码器、高精度的电液比例阀作为液压绞车的主控制阀元件，重新编程并采用合适的算法设计新的闭环同步控制系统软件，从硬件(指液压系统阀件)和软件两方面完善整个系统。经过反复的研究和分析，软同步方案虽然仅涉及到少量的液压阀件和编程软件的修改，但对绞车系统的硬件改变较少，如能满足同步精度的要求，当然是最好的。但该方案有许多不确定的因素，当时国内也没有找到同类控制系统的工程案例，虽然作了许多努力，有所改善，但还是达不到同步的精度要求，因此暂时放弃该方案。

方案II：采用机械式同步机构。设计一个长条型的多级齿轮箱，该齿轮箱的输入与输出轴之间的传动比为1∶1、转动方向一致，实际上该齿轮箱起到一个“过桥”的作用，其输入与输出轴分别与前后两台绞车的第一级闭式减速箱的输出轴端联结，达到前后两台绞车同步的目的。但是由于前后绞车轴线间的距离较长（约 8000mm），传递的扭矩较大，初步设计需6级～8级齿轮传动才能完成“过桥”的功能，并涉及到的硬件改造多，实际上是较难实现的。因此也只能放弃。

方案III：采用机械式同步机构。由于四台主钩起升绞车在起重船的后甲板上成矩形布置，左右臂架的前后主钩的绞车轴线成平行布置，需要在同步系统中设置90°转向齿轮箱（传动比为1∶1的圆锥齿轮箱）来实现转向的功能，从原理上分析可行，较容易满足长距离轴线的布置结构。并且国内有过类似采用90°转向齿轮箱进行轴线相互垂直的旋转机构之间同步联结的成功实例。因此，同步机构的研究方向就基本确定以方案III为主要研究方向。同步方案原理见图2。

图2 同步方案III工作原理图

进一步的分析研究表明，作为转向用的齿轮箱结构庞大，初步设计齿轮箱的箱体尺寸(不计外伸轴的尺寸)为：2200×1500×1200mm，单台变速箱质量约 8.6t，且由于实际可提供安装同步器空间有限，即使花费较高完成制造，但在四台起升绞车中的空间位置内较难容纳下这么一套同步机构。因此还得寻求新的技术方案解决。

方案IV：在上述采用转向用的齿轮箱的方案基础上，把仅有90°转向功能的齿轮箱（传动比为1∶1的圆锥齿轮箱）改为“增速箱”，实现既能转向，又有增速、降低扭矩的目的。该方案虽然国内暂没有在大型起重船上应用的工程实例，但经进一步的理论分析和研究，基本确定方案是可行的，因此确定选择该方案。

3 串接增速器的机械式同步机构应用

“四航奋进”号2600t双臂架固定式起重船配置有4个 650t起重能力的主钩，需要满足多种起重工况，主要有：两两同步作业工况（即左臂双钩或右臂双钩分别同步）、四主钩同步工况等等。由于工艺上的某些原因，四台起重机主钩起升绞车按矩形位置布置在起重船的后甲板上。该四台液压绞车规格为2×400kN，动力分别由两台大扭矩的径向柱塞液压马达并联驱动第一级闭式齿轮减速箱（减速比i=7.41），第二级减速由减速箱输出轴上的小齿轮与绞车大卷筒上的大齿圈组成开式齿轮传动减速机构（减速比i=5.26）。第一级减速箱的输出轴端传递的最大扭矩约200kN·m、转速20 r/min～45r/min。

3.1 同步机构的主要设计参数

由于本方案采用一种新颖的理念和设计方案，通过采用增速-降低传递扭矩的方法进行机械能的传递。达到了既满足转向功能，又成倍地减小了作为同步器中起重要作用的变速箱的尺度规格的目的。

同步机构与主绞车的联结点选择了起升绞车的第一级闭式齿轮减速箱输出轴端。经分析和计算同步器在各种使用工况下，可能出现传递的最大扭矩值，确定了增速器的主要参数和规格，并选取了YK系列450型两级圆锥齿轮减速箱为设计原形进行初步设计，在初步设计的基础上，最终确定了以南京高精齿轮厂的 YKL450型齿轮箱的箱体主要参数为基础，设计改进成为增速比i=8.325的增速箱。增速箱的主体尺寸（不计外伸轴部分的尺寸）约为：1300×700×900mm，单台增速箱重约2.8t，仅为方案III的三分一；增速器输出端的高速轴轴径减小到150mm以下，尺度较长的三条传动轴均采用φ150×10的无缝钢管制造而成。

3.2 同步机构的工作原理简介

该同步机构由：4台增速齿轮箱、6个齿合式离合器、3个万向十字联轴节、联轴器、2条纵向传动轴、1条横向传动轴以及其他辅助机构和零部件等组成。

离合器在机构中起到了分、离串接同步器的功能。如图3所示，当各主钩使用独立作业工况时，1号～6号离合器全部分离；当左、右臂架主钩需要采用两两同步工况时，除横向传动轴两端的5号离合器、6号离合器处于分离状态外，1号～4号离合器全部合上；当需要四主钩同步工况，1号～6号离合器全部处于接合状态。

图3 串接增速器的机械式同步机构原理图

4 实船应用效果

本同步器通过在机构中设置了增速器，既满足了变向功能，又通过增加后级转动部件的转速、降低实际传递扭矩的方式，有效减少了系统中各零部件结构尺寸，使机械式同步器在2600t起重船的起升系统中应用成为可能。该装置整体结构紧凑、占用空间少、同步精度高、转动惯量小、起升作业安全可靠，满足起重船各种起重作业工况的要求。且整套同步机构制造和配套成本较低，具有良好的技术经济性。

上述“串接增速器的机械式同步机构”于2005年下半年安装在某公司“奋进”号2600t双臂架固定式起重船上，使用至今，效果理想。起重船安装同步机构后，先后完成了浙江金塘海湾大桥和青岛海湾大桥近千件2000t级的混凝土箱梁、钢箱梁的海上安装任务，使用性能良好。在四个主钩接近满载作业条件下运行时，负荷转移量很小，安全可靠并发挥了起重船的最大能力，完全满足和适用于大型起重船多钩系统的同步要求，同步精度和效果良好。

5 结语

机械式同步机构虽属传统的同步控制装置，即使当今机、电、光和液等控制技术已达到相当高的水平，但机械式同步机构仍然广泛地应用于各类机械、机构之中，形式和功能也多种多样。特别是在一些大型的工程机械和工程船舶中，由于这些设备的特殊作业条件以及恶劣的作业工况，简单的采用电、光、液等闭环同步控制系统也无法替代机械式同步机构。

在旋转机构中通过串接增速器，调整了机械能传递过程中的转速与扭矩这一对参数，使得在传递相同功率的条件下，能有效减小机构的尺度、减小旋转机构的转动惯量、提高传递效率。所谓的“增速器”就如同电路中的“变压器”，与远距离传输电能而采用的升压、降流和降耗的原理类似。因此，这种机构可延伸应用到许多需要较长距离(几米～几十米的距离)传递扭矩的机械装置中，有着较广泛的应用领域。

[1]吴宗泽.机械设计师手册(上、下)[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2]西北工业大学.机械设计（上册）[M].北京:人民教育出版社,1979.

[3]CCS.船舶与海上设施起重设备规范[S].2001.

Concatenated Speeder Mechanical Synchronous Mechanism Used in Large Floating Crane

LU Hong,ZHENG Yuan-bin,WANG Yi-cheng
(CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510231,China)

The mechanical synchronous mechanism is a traditional device.Because of its simple structure,reliable operation and wide adaptability,it is widely used in all kinds of mechanical equipments and engineering ships.Although normal mechanical synchronous mechanism with steering gear box is feasible in theory,two rotating devices are often restricted on technical when arranged in parallel axis with low speed and high torque.This paper presents a new type of accelerator mechanical synchronous mechanism,which is successfully applied in SHI HANG FEN JIN 2600t crane ship for solving the synchronization problem of the main hoisting mechanism.

mechanical synchronous mechanism; accelerator; crane ship

U661

A

陆红（1957-），男，高级工程师。主要从事船机设备专业的研究。