بررسی جنبه های کلیدی در طراحی و تست دوارهای لنگر (Anchor Windlasses)

مقدمه

ماشین آلات مختلفی در عملیات معمول یک شناور، بر روی عرشه آن نصب می شوند. هر کدام نیز برای عملیات خاصی مانند جابجایی بارها، پهلوگیری و لنگر اندازی به کار می روند. دوار (Windlass) لنگر نیز یکی از پرکاربردترین ماشین آلات روی عرشه است که سهم بزرگی از عملیات یک کشتی را بر عهده دارد.

طراحی و تست

دوار های لنگر که برای به آب اندازی و بیرون کشیدن لنگر از آب دریا به کار می روند، باید مطابق با قوانین موسسات رده بندی، طراحی، ساخته و نصب شوند. این فرآیند باید مطابق با معیارهای مشخص شده موسسات، اجرا گردد. در این مقاله اجمالاً به این موضوع می پردازیم.

به عنوان مثال، می توان به استاندارد های زیر در خصوص طراحی و ساخت دوارهای لنگر، اشاره نمود:

• SNAME T & R Bulletin 3-15:2018 - Guide to the Design and Testing of Anchor Windlasses for Merchant Ships
• ISO 7825:2017 Deck machinery general requirements
• ISO 4568:2006 Shipbuilding - Sea-going vessels - Windlasses and anchor capstans
• JIS F6714:1995 Windlasses

طراحی مکانیکی

تست بارگزاری

سازه دوار لنگر باید بر اساس الزامات، تحت باری معادل 80 درصد حداقل استحکام شکست کابل یا زنجیر لنگر بارگزاری شود (یک لنگر متصل، ترمز کاملاً درگیر و دوار کاملاً جدا شده (Declutched) از نیروی بالابری آن)، به گونه ای که حداکثر تنش در هر جزء دوار از استحکام تسلیم ماده تشکیل دهنده آن یا 0.2 درصد استحکام نهایی آن، تجاوز ننماید. برای دوارهای مجهز به متوقف کننده (Stopper)، می توان از باری معادل 45 درصد حداقل استحکام شکست کابل یا زنجیر لنگر استفاده نمود. لازم به ذکر است که حداقل استحکام شکست زنجیر لنگر از جداولی در قوانین موسسات رده بندی استخراج می شود.

بار اینرسی

طراحی و ساخت موتور محرک اصلی، چرخ دنده های کاهشی، یاتاقان ها، کلاچ ها، شفت ها و دیگر اجزای دوار مانند پیچ و مهره ها باید با در نظر گرفتن اثرات دینامیکی توقف ناگهانی دوار و راه اندازی مجدد آن، انجام بگیرد. بدین منظور از روشهای تحلیلی مانند اجزای محدود برای طراحی قسمت های مختلف سیستم استفاده می شود.

کشش مداوم دوار (Continuous Duty Pull)

دوار لنگر باید بتواند به مدت حداقل 30 دقیقه نیروی کشش مداوم ایجاد کند. مقدار کشش مداوم (Zcont) بر اساس حداکثر عمقی که در آن لنگر اندازی می شود، تعیین می گردد. به عنوان مثال، از جدول زیر برای گرید های مختلف لنگر از نوع بدون میله (Stockless) در لنگرگاه هایی با عمق حداکثر 82.5 متر استفاده می شود. (d  قطر زنجیر یا کابل)

برای عمق لنگرگاه بیشتر از 82.5 متر، کشش مداوم Zcont2 برابر است با:

Zcont2[N] = Zcont1[N] + (D – 82.5) x 0.27d2

or

Zcont2[kgf] = Zcont1[kgf] + (D – 82.5) x 0.0275d2

where

D is the anchor depth, in meters

جرم هر لنگر با استفاده از قوانین موسسات رده بندی به دقت قابل محاسبه است. کشش مداوم محاسبه شده فوق، برای حالتی تعیین گردیده است که یک لنگر در حال بالا کشیدن بوده و اثرات شناوری لنگر و بازدهی 70 درصدی لوله عبوردهنده زنجیر لنگر، نیز در آن اعمال شده است. به طور کلی، در این حالت، تنش ها در هر جزء سیستم انتقال دهنده گشتاور نباید از 40 درصد استحکام تسلیم یا 0.2 درصد استحکام نهایی شان، تجاوز کند.

قابلیت تحمل بار بیش از حد (Overload Capability)

موتور محرک اصلی دوار باید به گونه ای طراحی و ساخته شود که بتواند موقتاً بار اضافی وارد بر آن را تحمل کند. بر این اساس، دوار باید توانایی تحمل بار موقت اضافی یا اصطلاحاً " کشش موقت" را به مدت 2 دقیقه داشته باشد. کشش موقت معادل با 1.5 برابر کشش مداوم محاسبه شده در بخش قبلی، در نظر گرفته می شود. سرعت دوار را در این حالت می توان در مقداری کمتر از حد معمول آن، اعمال کرد.

سرعت بالا کشیدن (Hoisting Speed)

سرعت متوسط کابل یا زنجیر لنگر در هنگام بالا کشیدن (Hoisting) آن باید حداقل 0.15 متر بر ثانیه باشد. در تست های برنامه ریزی شده، این سرعت باید روی طولی به اندازه دو برابر زنجیر لنگر اندازه گیری شود. در خصوص تست های اولیه این سرعت بر روی طولی به اندازه حداقل سه برابر طول زنجیر (طول 82.5 متر یا 45 فتوم) اندازه گیری می گردد به گونه ای که طی آن لنگر کاملاً در آب فرو رفته و مجدداً آزادانه آویزان شود.

ظرفیت ترمز گیری (Brake Capacity)

سیستم ترمز دوار باید به گونه ای طراحی و ساخته شود که به تنهایی برای متوقف کردن لنگر و زنجیر آن، کافی باشد. در مواردی که دوار به متوقف کننده (Stopper) مجهز نشده باشد، گشتاور تولیدی سیستم ترمز باید بتواند معادل 80 درصد حداقل استحکام شکست زنجیر لنگر را بدون تغییر شکل دائمی اجزای سیستم یا هرگونه لغزشی در آنها تحمل کند. این مقدار گشتاور در سیستم های مجهز به متوقف کننده می تواند تا 45 درصد حداقل استحکام شکست زنجیر لنگر، کاهش یابد.

متوقف کننده زنجیر لنگر (Chain Stopper)

در صورت نصب متوقف کننده زنجیر لنگر، این سیستم و تمامی ملحقات آن باید به گونه ای طراحی و ساخته شوند که بتوانند در مقابل باری معادل با 80 درصد حداقل استحکام شکست زنجیر لنگر، مقاومت کنند.

سیستم های الکتریکی

موتور های الکتریکی

موتورهای الکتریکی دوار های لنگر باید بر اساس الزامات موسسات رده بندی طراحی و ساخته شوند. بدین ترتیب، برای آن دسته از دوارهایی که در آنها از موتورهای الکتریکی با توان 100 کیلووات یا بیشتر استفاده می شود، دریافت گواهینامه تأییدیه موتورهای الکتریکی ضروری است. موتور های الکتریکی که در فضای آزاد روی عرشه نصب می شوند باید الزامات خاصی برای محافظت از خود بر اساس قوانین موسسات، رعایت نمایند. علاوه بر این، دریافت گواهی تأیید موسسات رده بندی برای محل نصب ادوات مرتبط با موتورهای الکتریکی 100 کیلووات و بیشتر نیز الزامی است. 

مدارهای الکتریکی

مدارهای انشعاب موتورهای الکتریکی باید مطابق با الزامات موسسات رده بندی محافظت شوند. طول کابل های به کار رفته در این سیستم ها نیز باید با قوانین رده بندی تطابق کامل داشته باشد. تعبیه حفاظت مکانیکی موثر برای کابل های نصب شده در فضای آزاد در معرض آب و هوای روی عرشه نیز از اقداماتی است که باید به دقت رعایت شود.

حفاظت از اجزای مکانیکی

به منظور حفاظت از اجزای مکانیکی از جمله محفظه آن (Housing)، دوار لنگر باید به سیستمی حفاظتی برای محدود کردن سرعت و گشتاور در موتور محرک اصلی مجهز گردد. همچنین به دلیل ماهیت عملکردی این سیستم، باید تجهیزاتی برای مقابله با قطعات ریز ناشی از شکستگی های احتمالی سیستم محرک اصلی دوار نیز پیش بینی شود. این نکته در حالتی که دوار از موتور هیدرولیک پیستونی محوری استفاده می کند، اهمیت بیشتری خواهد داشت.

کوپلینگ ها

دوار های لنگر باید دارای کوپلینگ هایی باشند که بتوان محرک اصلی و بالابر زنجیر لنگر را از یکدیگر جدا کرد. کوپلینگ های هیدرولیکی یا الکتریکی را باید بتوان به صورت دستی نیز جداسازی نمود.

بازرسی ها و تست های کارگاهی

دوارهای لنگر باید در زمان ساخت توسط بازرسان موسسات رده بندی به منظور کنترل انطباق با مدارک و نقشه های تأیید شده، بازرسی شوند. تست های پذیرش حداقل شامل موارد زیر خواهد بود:

• عملکرد بدون بارگزاری: بدین منظور، دوار باید با سرعت اسمی خود در هر دو جهت به مدت 30 دقیقه و بدون بارگزاری عمل کند. اگر دوار دارای جعبه دنده باشد، هر دنده مجزا باید در هر دو جهت به مدت 5 دقیقه عمل کند.
• عملکرد با بارگزاری: دوارهای لنگر باید با بارگزاری متناسب با مقدار کشش مداوم، ظرفیت اضافه بار و سرعت بالابری، تست شود. در صورتی که کارگاه ساخت امکانات کافی را بدین منظور نداشته باشد، می توان تست های بالا را بر روی کشتی انجام داد. در این موارد تست های عملکرد سیستم در کارگاه بدون بارگزاری انجام می شود.
• تست ترمزگیری: ترمزگیری دوار لنگر باید از طریق تست یا محاسبه، صحه گزاری شود.

سیستم دوار لنگر، بعد از تکمیل فرآیند نصب باید به صورت واقعی آزمایش شود. هر کدام از سیستم ها باید به صورت مستقل از منظر ترمزگیری، عملکرد کلاچ، بالا و پایین رفتن زنجیر و لنگر، سوار شدن صحیح زنجیر بر روی دوار، عبور مناسب زنجیر از مسیر طراحی شده و قرارگرفتن صحیح در چاهک زنجیر، بررسی شوند. به همین صورت اگر متوقف کننده زنجیر نیز نصب شده باشد، عملکرد صحیح آن نیز تأیید می شود.

ظرفیت ترمزگیری باید به صورت متناوب و واقعی با توقف کامل زنجیر لنگر آزمایش شود. در مواردی که عمق آب در محل ناکافی باشد، روش معادل و ویژه ای می تواند در نظر گرفته شود.

علامت گذاری

موارد زیر باید به صورت دائمی بر روی دوار لنگر به شیوه ی مناسب، علامت گذاری گردد:

• اندازه اسمی دوار ( به عنوان نمونه، 100/3/45 برای دواری با قطر زنجیر یا کابل 100 میلی متری، گرید 3، توانایی تحمل بارگزاری تا 45 درصد استحکام شکست زنجیر لنگر)
• حداکثر عمق لنگرگاه، بر حسب متر