凌有临

● （镇江四洋柴油机制造有限公司，江苏镇江 212003）

一种船舶接岸电缆新型绞车的设计与应用

凌有临

● （镇江四洋柴油机制造有限公司，江苏镇江 212003）

船舶接岸电缆绞车是一种新型甲板机械，其作用是方便接岸电缆的使用和储存，提高电缆使用的安全性。本文根据其使用要求和使用环境，确定了大电流免维护电刷-滑环机构的材料和使用功效，同时应用疏水法解决密封滚筒内凝露积水问题，保证电器绝缘要求。本文设计及研制的新型船舶接岸电缆绞车,在实船使用中，得到用户的认可。

船舶岸电；绞车；电刷；滑环

0 引言

我国有漫长的海岸线和内陆江河，是世界上最大的水运国家，港口货物年吞吐量达70多亿吨，居世界之首。长期以来，在我国船舶靠港岸后通常使用燃油发电来满足用电需求，在燃烧过程中产生大量的硫化物和氮氧化物，及发电机产生的噪声对周围的环境造成污染与危害。20世纪70年代，一些国外先进港口采用岸电系统，国内近几年来，较多单位研究岸电技术，开始推广应用，这方面的文献报道较多。但是，船舶接岸电缆是船舶靠岸以后，使用岸电的输电电缆。对岸电系统所用电缆的移出、岸船连接及用后归位的船舶接岸电缆绞车技术以及应用报道很少[1-2]。本文设计及研制了一种新型船舶接岸电缆绞车，使用岸电电缆时，无需先将电缆从电缆舱移出，将电缆两端分别与船舶和码头岸电箱相连，用完后再将电缆归位至电缆舱，方便接岸电缆的使用和储存，提高接岸电缆使用的安全性，解决了船舶接岸电缆在船舶上的使用和储存中存在的安全性问题。

1 接岸电缆绞车的工作原理和结构

船舶滑环式电缆绞车，其工作原理是将船舶接岸电缆有序缠绕在电缆滚筒上，电缆的一端通过滚筒内接线柱连接到与滚筒相连的绞车滑环上，再通过滑环-电刷-接线柱与船舶岸电箱始终相连接[3]。电缆的另一端在船舶正常行驶时，则放置在滚筒上（接岸电缆在船舶正常行驶时，由于船舶的船岸电互锁作用，因此电缆的裸露端头不会带电）。当船舶靠岸时，将该端电缆从滚筒上拉出，与码头上的供电箱相连接，实现岸电对船舶的供电。

绞车结构主要有机架、滚筒、电刷-滑环机构、和定位机构等四大主要部分组成。滚筒两端分别焊接两根轴，用于支撑在机架上，其中左轴为空心轴，用于电缆穿过，以便于空心轴上的滑环与滚筒内的接线柱通过电缆相连。滑环与滑环之间利用绝缘片隔离，通过机械方式固定在滚筒空心轴上。滑环筒固定在机架上，电刷机构安装在滑环筒内，并与滑环相对应，另外，定位机构是在接岸电缆绞车收、放结束后，用于固定绞车滚筒防止其转动[4-5]。因此，本产品要解决两大核心问题：大电流电刷-滑环设计；密封滚筒内凝露的积水。

2 大电流电刷-滑环设计

2.1 电刷-滑环使用要求

电刷-滑环作为电缆绞车输电的核心部件，必须能够承受大电流，本绞车的电刷-滑环设计容量为200A，根据其结构要求，滑环Φ190mm，单刷电流密度0.5A/mm²，电缆拉出和回收时，绞车滚筒(即滑环)的转动速度为50r/min，电刷压紧力50N，根据产品使用特性，滑环转动时为不带电状态；同时为满足其使用要求，电刷-滑环材料还应具备以下性质：1）磨损系数低，以使传动力矩较小；2）在电力输送过程中接触电阻低，以使触点温升低；3）耐腐蚀性强，保证其使用寿命。

2.2 电刷-滑环材料的选择

滑环材料的选择，绞车借鉴船用电机滑环材料，选择减摩性好耐大气、海水腐蚀极好的锡青铜QSn6.5-0.1作为滑环材料。由于绞车转动速度较低，时间较短，且为带电转动，为避免电刷-滑环的日常维护，绞车电刷材料选用耐海水腐蚀、不产生接触电火花的铝青铜QAl9-4。为验证其可靠性，通过在EMM-1型摩擦磨损试验机上，对电刷-滑环材料进行摩擦系数和接触电阻测试后再进行设计。

2.2.1 电刷-滑环摩擦系数和接触电阻试验与设计

首先，用电刷材料制成栓，Φ5mm，长度为15mm，用滑环材料制成盘，直径45mm，厚度为10mm，其表面粗糙度小于3.2，按要求安装在EMM-1试验机上，进行磨合试验，试验负荷为50N，速度为0.5m/s，磨合时间1h。

其次，保持速度0.5m/s，电流15A不变，负荷从5N变化到50N时，其摩擦系数的变化，见图1。由图1可看出，随着负载的增大，电刷和滑环之间的摩擦系数呈下降趋势；材料的摩擦系数最大为0.35，在最大压力为50N作用下，其产生的扭矩单环为1.7N·m，总扭矩为5.1N·m，因此材料的摩擦阻力能满足产品要求。

图1 电刷-滑环材料压力与摩擦系数曲线

再次，保持速度0.5m/s、负荷50N不变，电流从3A变化到15A时，其接触电阻的变化，见图2。由图2可看出，随电流增大，电刷-滑环材料之间的接触电阻无明显变化。此试验表明，绞车在通电工作状态，即使转动了滚筒对输电也无明显影响。以上试验测得的摩擦系数和接触电阻为3次试验测定结果的算术平均值。

图2 电刷-滑环材料电流和接触电阻曲线

2.2.2 电刷-滑环温升试验与设计

以电刷-滑环自身为试验样本，电刷-滑环之间压力保持50N，电流200A，试验设备：升流变压器，点温计；其时间-温度曲线见图3。可见，其温升约为40℃，温度平衡时间约需1h，符合产品设计要求。通过试验表明，电刷-滑环之间的材料匹配合理，性能优良，能够满足产品使用要求[6-7]。

3 凝露积水清除设计

本产品为输电设备，因此需保持其滚筒和滑环筒内部电气部件的绝缘。由于产品安装在船舶主甲板上，由于海上空气湿度较高，昼夜温差变化较大，在滚筒和滑环筒内易产生凝露。因此，依靠密封方式无法避免其内部的凝露积水，保持滚筒内部干燥，需对产品进行特殊设计以满足产品需求。

图3 电刷-滑环时间温度曲线

本产品设计思路是通过疏水方法解决滚筒内部的凝露，因绞车滚筒（如图4所示）仅在收放电缆时，作旋转运动，其它时间通过前文所述定位销使滚筒都处于静止状态，为保证滚筒内凝露积水能够及时排出，在滚筒体上设计出一定数量的均匀排布的几组导水口，同时在滚筒端面设置与导水口组数相同的定位销孔，并保证当定位销插入销孔后，总有一组排水口在滚筒的最下方。采用疏水函将导水口罩在里面，疏水函形状为 U形，疏水函的作用：其一，让滚筒内的积水通过导水口排出滚筒；其二为架空滚筒上的电线，解决电缆与滚筒之间的含水和散热问题。在疏水函两端分别设置一块倾斜的挡水板，其作用是最大限度阻挡外部雨水和海浪进入疏水函，同时让其内部积水可顺利排出。对于滑环筒，由于其固定在机架上，因此仅需在滑环筒的最下方加工一个小排水孔即可，从而满足绞车内部电器的绝缘性要求。根据上述试验与设计,船舶接岸电缆绞车总体结构如图5所示。

图4 滚筒的结构示意图

图5 绞车的结构示意图

4 结论

1）本产品是原创型船用甲板机械，采用大电流免维护电刷-滑环机构，具有较低的摩擦系数和接触电阻，被成功应用到船舶岸电输电系统。

2）开放式导水系统不仅解决了滚筒内积水，满足电缆接头的绝缘性要求，同时也解决了缠绕在滚筒外电缆的散热和疏水。经试验和各类船舶5年以上使用验证，性能优良,受到用户的赞誉。

参考资料:

[1]曾胜华,徐大可,王文强,等.智能岸电系统整体方案实施[J].华电技术,2011,33(11):57-60.

[2]卢明超,刘汝梅,石强,等.国内外港口岸电技术的发展和应用现状[J].港工技术,2012,49(3):41-44.

[3]刘雅兰,陈建飞.10万励磁机试验滑环装置的研制[J].机械工程师,2012(7):130-133.

[4]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004．

[5]孙宝民.俄罗斯TBB-320-2发电机励磁电刷、滑环烧损原因的分析[J].山西电力,2003,10(1):21-23.

[6]郑冀,欧阳锦林,朱家佩.真空长寿命自润滑电刷-滑环材料的研究[J].摩擦学学报,1997,17(2):129-131.

[7]杨莉红.导电滑环技术的研究[J].科技传播,2012(6):45-48.

Design and Application of a New Ship to Shore Cable Winch

LING You-lin
(Zhenjiang Siyang Diesel Engine Manufacturing Co.,Ltd.,Zhenjiang 212003,China)

Ship to shore cable winch is a new type of deck machinery.It can be used to make the use and storage of cable easier and to improve the using security of cable.According to the requirements and using conditions,the ring material of maintenance-free brush-slip is selected.For the electric insulation requirements,hydrophobic way is used to solve the problem of condensation water in the sealing rotary drum.The new type of the cable winch which is introduced in this paper is approved by the practice.

shore power;winch;electric brush;slip-ring

TM50

A

凌有临（1964-），男，安徽合肥人，工程师。主要从事船舶柴油机机电设计与制造工作。