Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячные передачи и червячные колеса для морских лебедок и швартовного оборудования.
Балкер водоизмещением 50 000 тонн, пришвартованный в приливном порту, удерживается на причале против течения и ветра с помощью 8 швартовных тросов, каждый из которых натянут швартовной лебедкой с усилием от 15 до 30 тонн. Червячная передача внутри каждой лебедки поддерживает это натяжение за счет самоблокировки — непрерывно, бесшумно, без использования двигателя — в то время как соленые брызги, выхлопные газы дизельных двигателей и тропическое солнце воздействуют на каждую открытую поверхность палубы. Если самоблокировка на одном из тросов выйдет из строя, судно сдвинется с причала, и оставшиеся 7 тросов будут поглощать асимметричную нагрузку, которая может привести к их последовательному обрыву.
Морские лебедки — швартовочные, якорные, грузовые и траловые — используют червячные передачи, поскольку самоблокировка удерживает натяжение троса без отдельного тормоза (что критически важно для безопасности швартовки), высокое передаточное число обеспечивает механическое преимущество для натяжения тяжелых швартовочных тросов с помощью компактного палубного двигателя, а геометрия червячной передачи позволяет использовать лебедку в условиях ограниченного пространства на баках и кормовых палубах судов. Протокол защиты от коррозии ISO 12944 C5-M представляет собой основу спецификации, которая сопоставляет морскую атмосферную коррозионную активность с материалом червячной передачи, системой покрытия и спецификацией уплотнений. C5-M (очень высокая морская коррозионная активность) требует использования червяка из нержавеющей стали 316L или дуплексной стали, колеса из никель-алюминиевой бронзы, трехслойного покрытия (грунтовка с высоким содержанием цинка плюс эпоксидная смола плюс полиуретан) и уплотнений из FKM — что обеспечивает целевой срок службы в 25 лет в наиболее агрессивной атмосферной коррозионной среде, определенной стандартом. Для всех компонентов лебедок на коммерческих судах требуется одобрение классификационного общества (DNV, Lloyd's, BV, ABS).
Почему в морских лебедках используются червячные передачи?
Швартовочная лебедка должна выполнять две функции: подтягивать швартовочный трос во время швартовки (активная, с электроприводом, от 2 до 5 минут на трос) и удерживать натяжение троса в течение всего времени стоянки в порту (пассивная, с выключенным двигателем, от нескольких часов до нескольких недель). Червячная передача внутри лебедки обеспечивает обе функции: высокое снижение крутящего момента для подтягивания и самоблокирующееся удержание натяжения в течение всего времени стоянки в порту. Отдельный тормозной барабан или храповой механизм не требуются — самоблокирующаяся конструкция удерживает полное натяжение швартовочного троса неограниченно долго.
Благодаря своей двойной функции червячная передача является стандартом для морских лебедок всех типов судов — от прибрежных рыболовных судов водоизмещением 500 тонн до сверхбольших танкеров водоизмещением 300 000 тонн.
Самоблокирующаяся система удерживает натяжение швартовного троса от 15 до 30 тонн на лебедке без использования электродвигателя. Натяжение изменяется в зависимости от прилива, течения и ветра — червячная передача бесшумно поглощает эти динамические колебания. Если судно дергается на волне, кратковременный скачок натяжения (до 2 раз превышающий статическое) поглощается самоблокирующим трением, а не передается на двигатель.
Пространство на палубе судна является одним из самых ограниченных в любой отрасли. Конструкция червячной передачи с углом 90 градусов размещает двигатель вертикально под барабаном лебедки, умещаясь в палубном пространстве размером 600 × 800 мм, чего не удалось бы достичь с помощью линейного редуктора аналогичной мощности. Каждый квадратный метр палубы занят грузовыми люками, вентиляторами и доступом для экипажа.
Для коммерческих судов все палубные механизмы должны иметь сертификат соответствия требованиям классификационных обществ (DNV GL, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS). Червячная передача должна быть спроектирована, изготовлена и испытана в соответствии с применимыми правилами классификации, включая сертификацию материалов, испытания на нагрузку, в 1,5 раза превышающую номинальную, и документированное управление качеством.
ISO 12944 C5-M защита от коррозии — спецификация для червячной передачи в морской атмосфере
Стандарт ISO 12944 классифицирует атмосферную коррозионную активность по категориям от C1 (очень низкая — отапливаемые помещения) до CX (экстремальная — морские платформы с прямым контактом с соленой водой). Червячные передачи морских лебедок работают в диапазоне от C4 до C5-M в зависимости от типа судна и района эксплуатации. Протокол сопоставляет каждую категорию с требуемыми характеристиками материала, покрытия и уплотнения для целевого срока службы от 15 до 25 лет.
Увеличение стоимости при переходе от класса C4 к классу CX составляет приблизительно от 3 до 5 раз — в основном из-за материала (от 316L до дуплексной/монельной стали), сложности покрытия (от двухслойного до термонапыления с эпоксидной смолой) и документации, необходимой для классификации морских судов (испытания на нагрузку, независимая инспекция покрытия, отслеживаемость материала в соответствии с EN 10204 3.1). Стоимость лебедки для речных паромов класса C4 составляет примерно 1200 долларов США за пару червячных передач; стоимость швартовной лебедки для морских платформ класса CX составляет от 4000 до 6000 долларов США при эквивалентной крутящей способности.
Воздействие солевых брызг и вибрация на палубе корабля
Солевой туман как непрерывное коррозионное воздействие. На океанских судах постоянно происходит осаждение солевых брызг на палубное оборудование — концентрация соли в воздухе на уровне палубы составляет от 50 до 300 мг/м²/день (измеряется по стандарту ISO 9225 «скорость осаждения хлоридов»). Эта солевая пленка в сочетании с высокой влажностью (от 80 до 100 процентов относительной влажности в море) создает электролитный слой на каждой открытой металлической поверхности, что приводит к непрерывной электрохимической коррозии. Стандартная углеродистая сталь корродирует со скоростью от 0,4 до 0,8 мм в год в условиях C5-M, разрушая толщину стенки стандартного корпуса червячной передачи за 5–8 лет. Система покрытия ISO 12944 создает барьер между солевым электролитом и стальной подложкой, но покрытие необходимо поддерживать (подкрашивать любые повреждения во время регулярного технического обслуживания судна), чтобы сохранить барьер в течение целевого срока службы в 20–25 лет.
Вибрация на палубе корабля. Морские червячные передачи подвергаются непрерывной вибрации от главного двигателя судна (10–25 Гц при 0,5–3 мм/с), вспомогательных генераторов (25–50 Гц) и изгиба корпуса, вызванного волнами (0,1–1 Гц при низкой амплитуде, но большом водоизмещении). Эта вибрация не вызывает резких переходных процессов, характерных для дробилок в горнодобывающей промышленности (статья А26), но является непрерывной — 24 часа в сутки в море. Воздействие на червячную передачу заключается в фреттинг-коррозии на контактных поверхностях зубьев в течение длительных периодов простоя лебедки (удержание швартовного натяжения или хранение в море). Применение антифреттинговой смазки или периодическое ручное вращение (один полный оборот барабана в неделю во время океанских переходов) предотвращает фреттинг-повреждения в течение длительных периодов простоя.
Корейская верфь, строящая серию из 8 прибрежных балкеров (12 000 тонн дедвейта), указала червячные передачи для носовых швартовных лебедок — по 4 лебедки на судно, всего 32 пары. Первоначальная спецификация предусматривала использование червяков из нержавеющей стали 304 с колесами из алюминиевой бронзы и двухслойным эпоксидно-полиуретановым покрытием толщиной 200 мкм — что соответствовало условиям C4 (защищенная гавань), но было недостаточно для реальных условий эксплуатации (корейские прибрежные воды, C5-M). После 5 лет эксплуатации на третьем судне во время сезона тайфунов произошел отказ самоблокировки швартовной лебедки — червячная передача подверглась коррозии до такой степени, что изменился коэффициент трения (точечная коррозия на резьбе червяка изменила геометрию контакта), снизив надежность самоблокировки при высоких нагрузках натяжения. В ходе проверки всех 32 пар червячных передач во всем флоте было обнаружено 9 пар с измеримой точечной коррозией на резьбе червяка — у всех 9 наблюдалось разрушение покрытия в месте контакта с уплотнением вала (самое слабое место с точки зрения проникновения соли). Меры по устранению проблемы во всем флоте: замена всех 32 пар червячных передач на червяки из стали 316L, колеса NAB и обновление покрытия до трехслойного покрытия из цинкосодержащей эпоксидной смолы и полиуретана толщиной 320 мкм (спецификация C5-M). Замена всех уплотнений вала на двухкромочные из FKM. Стоимость замены одной пары: 1850 долларов США (против первоначальных 980 долларов США). Общая стоимость модернизации флота: 59 200 долларов США. Разница в 870 долларов США за пару между спецификациями C4 и C5-M — 27 840 долларов США по всему флоту — позволила бы избежать замены на сумму 59 200 долларов США плюс примерно 120 000 долларов США на аварийное докование. Урок: прибрежные суда, работающие в открытом море, относятся к классу C5-M, а не C4 — даже если они преимущественно швартуются в защищенных гаванях. Характеристики червячной передачи определяются воздействием коррозии в море, а не местом швартовки.
Технические характеристики трех червячных передач для морских лебедок
Пример 1 — Корейская верфь: швартовочные лебедки для балкеров водоизмещением 50 000 тонн, классификация C5-M, одобрены классификационным обществом.
Корейская верфь заказала червячные передачи для 8 швартовных лебедок (4 носовых, 4 кормовых) на балкере водоизмещением 50 000 тонн, предназначенных для международных торговых маршрутов. Тяговое усилие швартовной линии: 15 тонн на лебедку. Скорость вращения барабана: 8 м/мин. Двигатель: 30 кВт, 1450 об/мин. Передаточное отношение червячной передачи: 35:1. Выходной крутящий момент на валу барабана: 8500 Н·м. Самоблокирующаяся удерживающая способность: 12750 Н·м (1,5 × номинальная по правилам DNV). Классификация: одобрено DNV GL. Материал: червяк из нержавеющей стали 316L (C5-M, океанский), колесо из никель-алюминиевой бронзы NAB. Покрытие: цинкосодержащая грунтовка 80 мкм + эпоксидная промежуточная прослойка 120 мкм + полиуретановое верхнее покрытие 120 мкм = общая толщина сухого слоя 320 мкм. Уплотнение: двухкромочное из FKM, степень защиты IP66, с лабиринтным уплотнением, заполненным смазкой. Масло: минеральное противозадирное масло ISO VG 460 морского класса с ингибитором коррозии. Стоимость одной пары червячных передач: 2400 долларов США. Итого за 8 лебедок: 19200 долларов США. Расчетный срок службы судна составляет 25 лет, поэтому требуется одна замена червячного колеса в середине срока службы (на 12-15 год в сухом доке) и двукратное ежегодное обновление покрытия в местах соприкосновения уплотнений.
Случай 2 — Японский глубоководный траулер: траловая лебедка, высокая интенсивность работы, риск погружения в соленую воду.
Японский производитель рыболовных судов заказал червячные редукторы для двух траловых лебедок на глубоководном траулере водоизмещением 500 тонн. Траловые лебедки отличаются от швартовных лебедок по режиму работы: траловая лебедка поднимает рыболовную сеть (от 5 до 15 тонн) от 8 до 12 раз за 24 часа промысла — гораздо активнее, чем швартовная лебедка, которая работает один раз за заход в порт. Тяговое усилие на барабане: 12 тонн. Скорость намотки троса: 30 м/мин (быстрее, чем у швартовной лебедки — время, проведенное на промысловом участке, считается производственным временем). Двигатель: гидравлический 45 кВт. Передаточное отношение червячной передачи: 25:1. Выходной крутящий момент: 6200 Н·м. Траловая лебедка располагалась на кормовой рабочей палубе — непосредственно подвергаясь воздействию разбивающихся волн, рыбных отходов, брызг морской воды и капель мазута. Класс коррозии: C5-M с защитой от брызг (периодическое погружение в морскую воду во время сильного шторма). Материал: червяк 316L, колесо NAB. Уплотнение: IP67 с лабиринтным уплотнением под давлением (положительное давление смазки предотвращает попадание морской воды при ударах волн о палубу). Стоимость за пару: 2800 долларов США (доплата за защиту от брызг по сравнению со стандартным C5-M). Просмотреть червячный редуктор морского класса варианты применения для лебедок, якорных лебедок и палубного оборудования.
Пример 3 — Вьетнамский паром по внутренним водным путям: швартовочная лебедка, C4, оптимизированная по стоимости конструкция.
Вьетнамский оператор паромов заказал червячные передачи для 4 швартовных лебедок на речном пароме вместимостью 200 пассажиров, работающем на внутренних водных путях дельты Меконга. Тяговое усилие швартовного троса: 3 тонны (паром стоял на якоре в спокойном речном течении без приливов и отливов). Двигатель: электрический 5,5 кВт. Передаточное отношение червячной передачи: 30:1. Выходной крутящий момент: 1800 Н·м. Внутренняя пресноводная среда соответствовала классу C4 (высокая, но не морская — без солевых брызг, умеренная влажность). Материал: червяк с горячим цинкованием (подходит для пресной воды класса C4), колесо из фосфористой бронзы (отсутствует риск обесцинкования в пресной воде). Покрытие: двухслойное эпоксидно-полиуретановое покрытие толщиной 200 мкм. Уплотнение: EPDM с двойной кромкой, IP55. Стоимость за пару: 420 долларов США. Итого за 4 лебедки: 1680 долларов США. Спецификация C4 позволила сэкономить примерно 1400 долларов США на каждой паре колес по сравнению со спецификацией C5-M для океанских судов — это оправдано тем, что паром никогда не заходил в соленую воду. Расчетный срок службы парома в 15 лет не требовал замены колес в середине срока эксплуатации в условиях легкой эксплуатации и благоприятной пресноводной среды.
Часто задаваемые вопросы
В: Требуется ли одобрение классификационного общества для червячной передачи морской швартовной лебедки?
Для коммерческих судов, подпадающих под действие конвенции SOLAS и классификационных правил (все грузовые суда, пассажирские суда и суда для работы на шельфе): да — червячная передача должна быть типово одобрена или индивидуально сертифицирована соответствующим классификационным обществом. Одобрение включает сертификацию материалов, проверку конструкции (анализ напряжений), качество изготовления (сварка, механическая обработка, термообработка) и испытание на нагрузку (в 1,5 раза превышающую номинальную грузоподъемность). Для малых судов, не подлежащих классификационному освидетельствованию (рыболовные суда длиной менее 24 метров, прогулочные суда), одобрение классификационного общества не является юридически обязательным, но рекомендуется по соображениям страхования и безопасности. Стоимость документации для получения одобрения классификационного общества составляет от 300 до 800 долларов США за пару — эта сумма включена в цену для судов морского класса.
В: Как фреттинг-коррозия влияет на морские червячные передачи?
Фреттинг возникает, когда поверхности зубьев червяка и колеса подвергаются микроперемещениям (амплитуда от 0,01 до 0,1 мм) из-за вибрации судна под статической нагрузкой (натяжение швартовки). Микроперемещения нарушают смазочную пленку, обнажают оголенный металл и образуют оксидные частицы, которые действуют как абразив, ускоряя локальный износ в точке контакта зубьев. За несколько месяцев швартовки у причала с вибрацией, передаваемой от двигателя, фреттинг может привести к появлению видимых точечных повреждений в зоне контакта. Профилактика: используйте смазку с противофреттинговой добавкой (дисульфид молибдена или графит); поворачивайте барабан лебедки на один полный оборот еженедельно во время длительных стоянок в порту; и запланируйте осмотр пары червячных передач во время ежегодного осмотра классификационным обществом, чтобы обнаружить фреттинг до того, как он нарушит геометрию самоблокирующегося контакта.
В: Можно ли использовать двухзаходный червячный механизм в морской швартовной лебедке?
Нет — червячные передачи швартовных лебедок должны быть однозаходными для самоблокировки. Двухзаходная пара будет создавать обратный ход под натяжением швартова, что позволит швартовному тросу бесконтрольно разматываться — критическая угроза безопасности. Грузовые лебедки (которые используют отдельный тормоз для удержания груза, а не полагаются на самоблокировку) могут использовать двухзаходные пары для повышения эффективности при подъеме груза. Якорные лебедки используют однозаходные по той же причине, что и швартовные лебедки — якорь не должен разматываться при остановке двигателя. Требование самоблокировки является абсолютным и не подлежит обсуждению для всех морских лебедок, предназначенных для удержания троса.
В: Каков ожидаемый срок службы червячной передачи морской лебедки?
Расчетный срок службы судна: от 20 до 25 лет с заменой червячного колеса в середине срока службы на 12-15 году (совпадающей со вторым специальным осмотром в сухом доке). Стальной червяк (316L или дуплексная сталь) служит весь срок службы судна при условии поддержания покрытия в исправном состоянии. Износостойким элементом является червяк из алюминиевой бронзы (NAB) — обычно от 200 до 500 часов работы в год (только при швартовке), поэтому механический износ невелик. Фактором, ограничивающим срок службы, является коррозия — как внешняя (отслоение покрытия, обнажающее корпус), так и внутренняя (нарушение герметичности, приводящее к попаданию солевых брызг в масло). При соответствии спецификации C5-M и ежегодном техническом обслуживании покрытия целевой срок службы в 25 лет достижим.
В: Какая смазка используется в червячных передачах морских лебедок?
В стандартной комплектации используется минеральное противоизносное масло морского класса ISO VG 460 или 680 с ингибитором коррозии и противофрикционной присадкой. Синтетическое масло PAG используется для экстремальных температур (Арктика, тропики), когда диапазон температур превышает рабочую зону минерального масла. Интервал замены масла: ежегодно во время классификационного осмотра или когда анализ масла показывает содержание воды выше 0,5% (что указывает на деградацию уплотнений, допускающую проникновение солевых брызг) или кислотное число выше 2,0 мгКОН/г. В некоторых лебедках небольших рыболовных судов для упрощения конструкции используется смазка морского класса вместо масла — это допустимо для лебедок с тяговым усилием менее 5 тонн, где тепловыделение во время подъема достаточно низкое, чтобы смазка могла справиться с нагрузкой.
Червячные передачи морских лебедок работают в самых агрессивных условиях атмосферной коррозии, которые только можно встретить в промышленности: в условиях солевого тумана ISO 12944 C5-M с интенсивностью от 50 до 300 мг/м²/день, при постоянной влажности выше 80% и воздействии ультрафиолетового излучения на открытых палубах в течение 20-25 лет. Протокол защиты от коррозии C5-M описывает эти условия для червяка из нержавеющей стали 316L или дуплексной стали, колеса NAB, трехслойного покрытия с минимальной толщиной слоя 320 мкм и уплотнений из FKM — уровень спецификации, который в 2-5 раз дороже, чем стандарт C4 для внутренних водных путей, но является обязательным для любого судна, работающего в открытых прибрежных или океанских водах. Самоблокировка удерживает натяжение швартовки без питания двигателя — функция безопасности, отказ которой во время шторма может привести к дрейфу судна и повреждению конструкции. Одобрение классификационного общества гарантирует, что червячная передача соответствует проверенным стандартам проектирования, материалов и испытаний на нагрузку, которые требуются в морской безопасности.
Для верфей, производителей морского оборудования и операторов судов наш инженерный отдел классифицирует коррозионную среду и рекомендует уровень защиты по стандарту ISO 12944. Стандартный каталог комплекты червячных передач морского класса Подходит для лебедок с межосевым расстоянием от 80 до 250 мм, изготовленных из материалов и с покрытием C4-C5-M. Предоставьте заявку. Технические характеристики привода морской лебедки с учетом типа судна, натяжения швартовного троса, акватории эксплуатации и требований классификационного общества.
Выбираете червячные передачи для морских лебедок или палубного оборудования?
Укажите тип судна, тяговое усилие швартовного троса или вес якоря, акваторию эксплуатации (внутренние воды, прибрежные воды, океан, шельф), классификационное общество и расчетный срок службы судна. Мы определим категорию коррозии и порекомендуем материалы, покрытие и герметик.
Редактор: Cxm
