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动态海洋船舶辅助和护航绞车
克劳利海事服务护航拖轮响应的不对称渲染恢复电绞车系统
巴里·格里芬，格里芬联合公司，美国。
概要:介绍了克劳利海事服务护航拖轮响应的不对称渲染恢复电绞车系统
的概念、设计工程和第一年的运作。在克劳利海上服务的护航拖轮上不对称放出回收(ARR)电动绞车系统。摘要简要概述了北美系缆绞车的定义、工程、施工、试验和运行情况的历史。并详细介绍了在油轮停船演习中，一台全电动绞车，能够恢复超过液货船停泊操纵中护送拖船的最大间接系柱拉力的操作。说明了引起ARR性能需求的操作问题。包括绞车和拖轮油船作业的施工照片和视频。
介绍
北美港口和近岸辅助拖轮的线处理系统在过去30年中已经发展了三个阶段。在此期间，商船变得更大、更快、更专业化。协助拖轮增加其尺寸，功率和性能以跟上新的机动要求。油轮护航和间接牵引的发展促成了对专用拖船，吊索和甲板机械的单独需求。
传统上，船舶辅助线是用手拉下拖轮的船头和船尾的缆绳，在一定程度上，今天仍在继续。随着新造的拖轮尺寸和马力(HP)的增加，一条具有足够的断裂强度的船舶辅助线变得太大而又沉重，以至于人的手无法有效抓握。这个尺寸通常被认为是直径75mm。绳索技术的同步发展导致了纤维强度和耐磨性的显著提高，并降低了标准辅助线的重量和尺寸。相比之下，考虑到40年代的直径80mm的棕绳，其断裂强度为38吨，现在可以用一种超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)替换，其直径相同，重量较轻，断裂强度为427吨。
改进的绞车线允许更高马力的拖船继续在绞盘和缆桩上工作。在卑尔根附近，现在也能见到6艘一群或者更多2000—4000马力的拖轮去拖动一艘大型集装箱船。
转过头来看纽约港，通常用直径75mm和100mm的绞车线在弓缆桩上徒手工作。对于6000马力以上拖船的另一种常见策略是并行布置两条绞车线以实现所需的断裂强度。
第二阶段开始于以协助拖轮的Voith和ASD推进系统的应用。现在能达到的操纵性和力量水平创造了人们对于直接和即时在驾驶室控制拖轮绞车线的欲望。两艘拥有较少船员的高功率敏捷拖船现在可以完成四艘或更多传统拖船的作业。
与此同时，船员的成本和安全成为新拖轮设计中的重要问题。现在人们手动处理绞车线太慢并且太危险。在所有类型的拖轮上都安装了弓绞车来处理电线和软线。必要时，传统的电拖绞车也会安装合成拖缆。这种做法一直延续到今天。
作为对缆绳尺寸的附加说明，应该提到的是，目前的绞缆机几乎完全安装了超高分子量聚乙烯软线，其初始断裂强度在拖轮的静态系柱拉力的5 - 7倍。这些大型的安全因素对于处理高导引角的工作船时产生的大量重力载荷(与拖轮位移成正比) 以及在间接拖曳模式下工作时所遇到的载荷（如果存在）是必需的。在达到寿命无法工作之前，绞车线通常会疲劳到初始断裂强度的一半。因此，最初的五比一安全系数在整个绳索使用寿命期间保持至少二又二分之一的安全系数，这更符合商业钢丝绳牵引实践。
目前和第三阶段的绞车设计，解决了在埃克森瓦尔迪兹号事件后发展的油轮护航的特殊需要。目前在瓦尔迪兹和北普吉特海峡的拖船的马力通常是上一代的两倍。以下文章讨论了在这次服役中一个特殊绞车的开发。
第一类协助绞车
直到最近, 用于美国国旗护送和协助服务拖船的绞车和绳索自1970年以来变化不大。尽管拖轮操作、推进系统和船体形式发生了重大变化，但基本的绞车满足了大部分需求。标准的缆绳绞车是从普通的牵引和系泊绞车的设计中得到，其特别重点如下：
＊光谱/等离子体（UHWM-PE）软线的电缆卷筒。
＊绞车车架坚固设计, 用于吸收高冲击载荷。
＊以高静态功率制动的鼓式制动器。
＊用于提供高速“即时”缆绳放出的逃生功能。
＊绞车线复原速度接近三节。
在讨论它们的能力时，将这些基本绞车分组到第一类是很有用的，如插图1所示。典型的绞车性能提供了等于拖轮静态系柱拉力的20％至40％的线拉力，并且线放出和回收速度接近拖轮自由运行速度的20％。远程驾驶室控制装置除了可以自动和手动控制大型鼓式摩擦制动器外，还可以实现简单而直接的比例放出和回收拖船缆绳。按下大而明显的“逃生”按钮，即使在满载情况下，制动器也能立即释放，并释放鼓式制动器以高速放出缆绳。
插图1
大多数辅助拖船配备600到1200英尺的缆绳。因此可以理解，在快速逃生时，在到达“绳索末端”之前你的时间已经所剩无几了。出于这个原因，我们提供了一个单独的制动控制杆，希望在发生这种情况之前停住鼓式制动器。不幸的是，随着制动器的设置和缆绳的拉紧，拖轮和船之间的任何后续速度之差都会产生显着的冲击载荷。例如，我曾看到一艘以6节的间接拖曳速度的4400马力的港口拖轮上产生了峰值超过300吨的拉力，它拖的船速度为2节
减弱这些和其他无意的负载致使了第二类绞车的发展。
第二类协助绞车
克劳利海运公司构想了最初的第二类绞车，或着说是“放出-恢复”操作概念，用于克鲁利的油轮护航和协助拖船。他们的想法是开发一种绞车，以提高拖船护航的性能，速度和安全性，并通过自动化某些绞车功能来协助操作。主要目标是允许绞车在延长缆绳过渡期间自动放出和收回连接拖船和辅助船舶的软线，从而减少操作员的疲劳以及拖船和牵引索的磨损（如图1）。他们很清楚地区分未来对于超越传统的“恒定张力”绞车的需求，因此设想了一种具有潜在的更高延迟放出的“放出-恢复”绞车的概念。“放出-恢复”术语意味着不对称性，而不是对称放出和恒张力机器的回拖，比如熟悉的船舶系泊绞车。
VMS要求马基机械公司开发和改进他们的概念，使用传统的第一类绞车在两个现有的拖船上进行改造。该系统的运行情况比预期的要好，并且已经成为现在配备马基系统的20多艘美国拖船的标准配置。
如插图1所示，第2类绞车提供了可调的自动“恒张力”，以达到绞盘驱动器的固有功率极限。重要的是要注意，没有恒定张力绞车可以在动态制动或负载衰减方面提供比它能提供的负荷更大的功率，除非提供一些其他手段来增加制动功率。这种限制致使第三类，或者说是不对称放出回收绞车的开发。
第三类ARR绞车
克罗利海事和船舶管理服务公司，格里芬合作伙伴以及马基机械公司最近完成了在克罗利海上的7200马力福伊特拖轮对北普吉特海峡的任务的开发和部署。
如插图1所示，不对称放出回收绞车系统比以前的绞车系统有显着的性能改进，其中包括：
＊拖缆在间接拖曳时“放出与回收”。
绞盘拉力从静态系柱拉力的50％增加到250％。（如图2）
＊提高操作速度。
＊绞车速度从自由运行速度的20％提高到50％。
＊改善冲击负荷控制。
1600马力的系统能量快速而精确的耗散。
＊改进了卷扬机卷筒上绕线系统的控制。
控制滚筒缠绕到140万磅的侧面负载。
＊高整体系统效率和冗余。
总功率为250马力，采用两台电机和VFD-AC变频器。
＊每绞车马力低成本。
十倍的线拉力，五倍的线速度，三倍的总成本。
基本原理
克劳利海事希望在北普吉湾经常遇到的动态海况中，大幅提高油轮护航拖轮性能和船舶安全。相对较浅的内陆海域与100公里的太平洋西风带相连，形成陡峭达三米的短海，时间为六至八秒。几个油码头大致与天气垂直，因此在海上航行时，协助问题更加复杂。在标准超高分子量聚乙烯船上中途添加尼龙突波三角旗被简单地视为一种减少在全柱形船舶拉海时的头部海域的拖船发生的极端冲击载荷的手段。尼龙方法已成功地在护航模式下使用。然而，克罗利正在寻找一个更普遍的解决方案。
在这些海域，为了本讨论的目的，出现了一些运营方面的挑战：
＊在长达一小时的拴系护航下，连接和维护缆索。
＊从非理想位置快速应用转向和制动机动。
＊随着天气的恶化，将一艘油轮从码头驶到海上。
＊在高能机动中同时控制航向，推进和绞车。
＊不确定的系缆张力和部署长度。
＊重新建立锚链控制之后的牵引绳索中止事件。
＊防止“下拉”并将绞车放在绞车鼓上。
克劳利提出了以下问题：
“现有的放出回收系统概念能否改进以满足预期的操作要求，包括完全间接拖曳至系杆拉力的300％？”
这是我的任务作为绞车和缆索系统工程师来回答这个问题，并最终致使该建，安装和调试绞车及控制系统项目组。
对现有绞车的审查揭示了以下问题，并直接导致了最终的设计决定。
电动绞车提供最高的整体系统效率
当要求提供动力和速度时，现有和拟议的液压绞车可以提供高拉力和高速度，但功率减少20％。辅助马力通常在这种类型的拖轮上受到限制，因此效率是一个重要问题。早期决定专注于具有冗余辅助发电机和绞车电机的全电动系统，能够从驾驶室进行远程和平行控制。
经过一年的工作服役后，电动驱动器已证明比我们以前的最佳液压系统更强大，更安静，并且控制更精确。
另外，与电动机系统相关的控制计算机与绞盘的整个计算机控制很好地集成在一起。这种整体控制允许绞车电机，三速自动齿轮传动装置，扭矩测量传感器和独立动态制动器提供比以前的系统高近十倍的功率和运行范围。
电动驱动器将再生制动能量耗散到电阻网格组中，足以在使缆车处于全驱动性能时消耗完整的绞车功率。
高负荷时合成舷窗很难卷绕
现有的高拉力软线绞车似乎没有解决这样的问题:在如此高的负荷下，线轴会如何绕线、铺设或埋在绞盘上，尤其是在绞盘边法兰上，目前使用的是典型的12股高分子量聚乙烯缆索。
我们已经取得了一些成功，被称为“开放式编织假脱机”，其中绳索绕组以专有模式相互交叉。虽然这些鼓可以兼容容量或鼓的完整性能，但是没有缠绕齿轮的窄鼓是另一种选择。
决定提供独立控制的滚筒卷绕系统，以允许船长通过将正常的绞车控制杆移动到左舷或右舷以创建卷绕头的类似运动来覆盖自动卷绕。该系统工作得非常好，即使在全面护卫间接拖曳力的作用下，也能完全控制滚筒上的索道。
典型的绞盘制动器不适合动态条件
传统的带式或卡钳式鼓式制动器缺乏足够的控制和热容量来连续响应预期的高速和长时间冲击载荷。
决定依靠低惯性和水冷式动力制动系统，而不是典型的静态带式制动器。我们在锚泊处理拖船之前使用了动态刹车，以便消除锚下降载荷。在作出最终决定之前，我们还调查了他们在海上起重机上的使用情况。
最终的设计采用了冗余的淡水冷却盘式制动器，能够持续消耗1600马力（如图3）。每个制动器都包含一系列塑料和铜摩擦盘元件。这些碟片的特殊之处在于它们的静摩擦系数低于它们的动态系数，或者与普通绞车制动材料和鼓表面相反。这种差异消除了当试图单独使用制动器来支付重负载线路时典型绞车制动器的粘滑冲击现象。
这种静态/动态系数关系和盘式制动器的内在线性特性使得总制动力与用于将盘片压缩在一起的气压成正比。在不对称放出回收绞车中，来自操舵室或绞车计算机的电气指令信号直接控制安装在制动器附近的气压致动器，这又产生所需量的制动力。产生的热量被多个淡水冷却夹套带走并消散在海水热交换器中。
当系缆张力超过电动绞车驱动电网组的功率容量时，会产生“不对称”功能。在几毫秒内，动态制动器施加与电力驱动能力相等的限制负载，释放电力驱动，并继续施加制动，直到负载降低到电驱动可安全且自动接合的水平。
为了最大限度的安全，制动器的电气和气动控制源自拖轮24伏直流电池组服务和船舶发动机启动空气供应，此外还通过直接铜线连接与驾驶室控制系统连接。 这提供了在所有可能条件下释放缆索的能力的高度确定性。
拖船船员的反馈表明，动态制动是最重要的先进设计，原因有两个：
1.动态俯仰条件下产生的冲击载荷可以更平稳地吸收，因为动态制动器可以更精确和可靠地设置到已知水平。
2.制动器允许绞车在高强度水平间接牵引时放出缆索，减少在先前产生的冲击载荷条件下逃生和恢复的需要。在中止回收的情况下，刹车可以顺利进行，同时允许拖轮缓慢“追上”油轮。
现有的系缆张力监测不足
对于护航拖轮操作，尤其是在间接模式下牵引时，有关缆索张力的知识日益成为重要的信息。现有的缆索张力监测器依靠制动销测力传感器，或电机电流或压力的解释。这两个系统都容易受到震动损坏，校准和环境错误。
决定将绞车系统负荷传感器放置在绞盘鼓和驱动制动系统之间的齿轮系中。因此，负荷传感器连续地并且直接地测量驱动扭矩，该扭矩既用于控制不对称放出回收绞车功能又用于显示从独立确定的输出管线量计算出的系缆张力。
操作员控制对于高功率绞车来说并不足
任何在夜间或在其他苛刻条件下在驾驶室工作的人都知道，拉错控制杆是多么容易。这个决定是为了明确分离和定义不对称放出回收绞车控制功能以减少这些潜在的错误。操作人员的错误对绞车具有特殊的重要性，它可以拉动拖轮的静态系缆拉力的三倍(见图4和图5)。
决定将控制器分为“手动”或“主要”组，所有位于操作员权限的组，以及“电气驱动”或“次要”组留给剩下的操作员。“手动”组控制所有故障安全，“逃生”和动态制动功能，所有这些功能均由主船电源供电，并直接连接至绞车上相应的执行器。
“电气”组控制绞盘电气驱动系统，拖轮发电机的并联，绞车的速度和方向，缆索缠绕系统的
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