潛水器布放回放系統發展現狀

張浩立，鄧智勇，羅友高

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

潛水器布放回放系統發展現狀

張浩立，鄧智勇，羅友高

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

布放回收系統是潛水器的重要配套裝備，先進可靠的布放回收系統能直接提高潛水器海洋作業安全性和作業效率。本文簡要分析了在潛水器布放回收系統設計中存在的緩沖保護、自動對接、風浪補償及恒張力排纜等關鍵技術難點，并綜述了當前國內外研制應用的幾種典型潛水器布放回收系統。隨著潛水器技術的飛速發展，其布放回收技術也將得到進一步的重視和發展。

潛水器;門形架;單臂式;集成式;滑道式，船舯月池;布放回收系統

0 引言

隨著各國經濟的飛速發展和世界人口的不斷增加，為了生存和發展，人類越來越重視對海洋開發與利用，于是將目光集中到了潛水器身上，各式各樣的潛水器得到了飛速發展。目前，潛水器可分為有纜遙控機器人(ROV)和無纜自治機器人(AUV)2種基本類型，主要用于深海打撈救生、水下軍事偵察、海洋調查與勘察、電纜管線鋪設及維護、水下定位考古等海洋作業。2010年7月，我國自主研制的“蛟龍號”載人潛水器深潛試驗取得成功，標志著我國潛水器技術取得了跨越式發展。

21 世紀是海洋的世紀，潛水器是開發利用海洋必不可少的作業裝備。潛水器作為水下設備，主要由潛水器本體、中繼器、臍帶纜、收放系統、控制系統及動力系統等部分組成，其作業能力很大程度上受到海域海況的影響，而海況的影響主要反映在其布放和回收過程中，安全、可靠、快速的布放和回收系統(簡稱收放系統)，是潛水器適應海洋作業必備配套裝備之一。

1 收放系統關鍵技術

隨著潛水器技術的應用越來越廣泛，其科技含量及制造成本越來越高，所配帶的精密儀器越來越多，特別是水下載人機器人的發展應用，單一對其進行起吊和釋放的模式已經不能滿足使用要求。為了提高潛水器深海作業效率和作業安全性，方便各操作崗位之間的協同作業能力，防止機器人在收放過程中發生激烈擺蕩或遭受撞擊，越來越多的先進技術在潛水器收放系統上得到了應用和發展。

1.1 收放系統總體技術方案

潛水器在海洋作業時，除了其機器人本體以外，還常常配有臍帶纜、控制系統、動力系統等組成設備搭載在母船上，因此在設計潛水器收放系統時，須充分考慮其所有組成設備的結構特點和功能原理，運用集成化設計思想，確保所有設備布置緊湊合理，方便安裝固定，增強各操作崗位之間的協同能力，提高潛水器的作業安全性和作業效率［1］。

1.2 機械式自動釋放回收技術

當潛水器下水作業時，需要通過收放系統將其吊放到水面進行釋放;當完成深海作業升至水面后，收放系統必須能與機器人進行對接，并回收至母船上。在上述過程中，要求收放系統有1套專用釋放回收裝置，針對潛水器自身結構特點，盡可能設計1套可靠性和作業效率更高的純機械式自動釋放回收裝置，使裝置與機器人自動釋放、對接，避免依靠潛水員下水輔助作業的傳統且相對較危險的模式。

1.3 緩沖對接保護技術

在收放潛水器的過程中，由于搭載母船縱橫搖晃的影響，使得被聯接在收放系統吊臂上的機器人發生擺蕩，甚至會與船體或吊臂發生碰撞，對設備和人員的安全構成威脅。因此，有必要在收放系統吊臂頂部設計一種專用帶緩沖保護功能的對接裝置，要求該裝置能自動停止起吊鋼纜絞車運行，能通過緩沖阻尼器施加反力固定住潛水器，能控制潛水器在吊臂擺動過程中始終保持同一朝向，避免需要操作人員輔助控制機器人擺蕩。

1.4 風浪補償技術

系統在進行潛水器收放作業時，由于海面波浪起伏的作用，機器人和母船均會以各自不同的周期隨波浪做升沉運動，特別是在機器人入水和出水過程中，極有可能導致母船和機器人隨波浪朝相反方向做升沉運動，使起吊鋼纜交替循環地由松弛狀態突然變成張緊狀態，從而產生較大的沖擊，對鋼纜或對接裝置造成損壞，嚴重影響設備和人員安全。因此，需要在液壓系統中加入風浪補償環節，對鋼纜進行恒張力控制，即當鋼纜松弛時，主動拉緊鋼纜;當鋼纜突然張緊時，主動釋放鋼纜，緩解鋼纜及受力構件所受的沖擊，以提高潛水器收放系統的可靠性、安全性和使用壽命［2］。

2 典型收放系統

我國早在20世紀70年代就開始了潛水器布放回收系統的研究工作，隨著潛水器技術和成本不斷提高，人們對其收放作業效率、作業安全性、作業協同性的要求也越來越高，因此各式各樣的潛水器收放系統得到了飛速發展和廣泛應用。下面列舉幾種典型的收放系統模式。

2.1 單臂收放系統

單臂收放系統是最簡易的一種潛水器收放系統，可針對潛水器的結構特征設計專用起吊臂，也可直接利用母船上已有的克令吊作為吊臂。該形式收放系統結構簡單，成本較低，且占用母船空間少，目前廣泛應用于各類中小型潛水器收放作業(見圖1和圖2所示)。但單臂收放系統功能單一，只能單純對潛水器進行起吊和釋放，作業時需要操作人員進行配合保護機器人的安全。

2.2 門形架收放系統

門形架式收放系統是最具代表性的潛水器收放系統。該系統技術較成熟，可廣泛用于各種類型潛水器收放作業。通常情況下，系統主要由門形架、緩沖對接保護裝置、釋放回收裝置、鋼纜絞車、液壓系統、操作控制系統等部分組成。該系統具有結構合理、結構強度高、可靠性高、操作簡便等優點，可安裝在母船尾部(如圖3所示)，也可安裝在母船舷側(如圖4所示)。門形架收放系統還具有通用性，不僅可用于收放潛水器，還可用于其他水下作業設備的收放［4］。

2.3 集成式收放系統

針對小型有纜潛水器(ROV)配套設備多、存放分散等特點，設計了一種新型的集成式收放系統，有效解決了潛水器系統的運輸、吊裝、存放、機器人的自動釋放回收、機器人的緩沖對接保護、臍帶纜的恒張力保護及自動收放排纜等問題。集成式收放系統可存放在陸上車間內，待需要海洋作業時可臨時整體吊裝到搭載母船甲板上，避免了純門架式收放系統對母船的永久依賴性。且該系統運用集成化設計思想，充分考慮人性化操作要求，各組成設備布置緊湊合理，結構強度安全可靠，整體安裝運輸方便［1］。

新型集成式潛水器收放系統主要由集成結構平臺、控制間、門架及變幅油缸、鋼纜絞車、機器人機械式自動釋放回收裝置、全回轉式緩沖對接保護裝置、臍帶纜恒張力自動收放及排纜裝置、液壓系統及控制系統等部分組成，見圖5和圖6所示。該系統設計了1套全自動、純機械式釋放對接裝置，利用磨擦角度的變化對滑移力大小的控制，設計出雙錐面結構形式的釋放軸環，可靠實現了對潛水器的自動釋放與對接;巧妙采用兩半式對稱結構使裝置能適用于不同設備，且安裝使用方便，動作靈活可靠［5］。且設計了1套新型恒張力收放及自動排纜的臍帶纜絞車裝置，利用兩端帶錐度的壓緊輪結構，保證臍帶纜在卷筒上自動換向及整齊排布，結構簡單可靠，適合于大長度、多層級臍帶纜的自動排纜;通過控制磁粉耦合力，實現了小載荷、高精度、多級的臍帶纜恒張力保護［6］。巧妙利用潛水器結構形式，設計了一種全回轉式緩沖對接保護裝置，可保證機器人在門架運動過程中，實現任意角度下的自動導向對接，且通過阻尼緩沖反力卡緊機器人本體，防止其在波浪影響下擺蕩，有效避免探測器與其他設備發生碰撞。

該系統已成功完成了多次海洋作業任務，其總體設計合理、性能穩定可靠、集成化程度高、操作維護方便，且能臨時在母船上安裝，極大地提高了潛水器布放和回收時的作業效率和作業安全性。該系統的集成化思想還可廣泛應用于各種海洋作業裝備的布放回收作業。

2.4 滑道式收放系統

滑道式收放系統主要應用于需要連續釋放多個設備的水下作業機器人收放作業，例如有一種水下測量機器人的水下部分，由臍帶纜、測量機器人、中間纜及壓載鉛等部分依次連接組成，且臍帶纜在釋放的同時還要間隔一定距離綁定浮球，如果采用吊放的形式進行布放回收，則操作極其不便，且易損壞設備，因此需要設計一種專用滑道式收放系統。該系統主要由集成平臺、臍帶纜絞車、線陣轉盤、液壓系統、操作平臺、移動滑道、控制系統等部分組成，如圖7和圖8所示。

該收放系統在準備作業前，可將測量機器人放在操作平臺上，壓載鉛魚放在翻轉滑道水平段上，將鉛魚與中間纜陣連接(見圖7);在布放作業時，翻轉滑道翻轉至垂直狀態，中間纜另一端通過1根系纜繩連接。當中間纜在鉛魚重力作用下放出后，再將其與測量機器人連接，并解開系纜繩，再將操作平臺翻至傾斜狀態布放測量機器人(見圖8)，利用其自身重力作用，依次沿滑道滑入水中;回收作業時，在絞車拉動力下，各設備沿滑道依次回收至母船上。

針對各種特殊潛水器的結構形式，有圖9所示的2種滑道式釋放系統。這種系統針對性太強，主要用于機器人的布放作業。

圖9 特殊滑道式收放系統Fig.9 Special chute type launch＆recovery system

2.5 船舯月池式收放系統

船舯月池式收放系統是在船體中部對潛水器進行釋放回收作業。該形式系統需要安裝在專用母船上，制造成本高，潛水器通過母船上吊臂吊至船舯月池上方，可直接從中央月池內吊放入水中(見圖10左側)，也可根據機器人的結構形式，在船舯月池內設置垂直軌道，機器人沿軌道直接滑入水中(見圖10右側)，該軌道式船舯月池收放系統在布放時可有效保護潛水器安全。

圖10 船舯月池式收放系統Fig.10 Midship moon-pool launch and recovery system

3 結語

收放系統作為潛水器的重要配套裝備，對潛水器海洋作業效率起著至關重要的作用。隨著開發利用海洋進程的加速，潛水器技術得到了飛速發展，各式各樣的潛水器不斷出現，因此潛水器收放系統的需求也迅速增加，這也為潛水器收放技術的不斷發展提供了機遇和挑戰。

通過對當前國內外幾種典型收放系統的介紹，對各型潛水器的布放與回收具有廣泛的參考意義，也可進一步推廣應用于其他海洋水下作業裝備的布放與回收。

［1］張浩立，鄧智勇.一種新型集成式潛水器吊放回收系統的研制［J］.艦船科學技術，2010，32(7):117 －120.

ZHANG Hao-li，DENG Zhi-yong.The design of a new integration submarine lift-recovery system［J］.Ship Science and Technology，2010，32(7):117 －120.

［2］胡火焰，鄧智勇，張浩立.潛水器吊放回收裝置液壓系統設計［J］.液壓與氣動，2009，(8):57－59.

HU Huo-yan，DENG Zhi-yong，ZHANG Hao-li.The design of hydraulic system for submarine lift-recovery equipment［J］.Chinese Hydraulic ＆ Pneumatics，2009，(8):57 －59.

［3］鄧智勇，曾釹釙，張浩立.一種新型張力保護自動收放臍帶纜絞車裝置［J］.海洋工程，2010，28(3):107 －111.

DENG Zhi-yong，ZENG Nv-po，ZHANG Hao-li.A new type of automatic retractable and tensile protective cord cable winch［J］.The Ocean Engineering，2010，28(3):107 －111.

［4］劉相春.A形架式潛水器收放系統設計研究［J］.船舶，2007，(5):52 －57.

LIU Xiang-chun.Design of A-frame submarine launch ＆recovery system［J］.Ship ＆ Boat，2007，(5):52 －57.

［5］鄧智勇，張浩立，等.機械式自動對接釋放裝置［P］.中國專利:ZL200910061102.3，2009－03－13.

DENG Zhi-yong，ZHANG Hao-li，et al.Mechanism auto connect-release device ［P］. China Patent:ZL200910061102.3，2009 －03 －13.

［6］張浩立，鄧智勇，等.恒張力自動收放和排纜的臍帶纜絞車裝置［P］.中國專利:ZL200920085244.9，2009－04－24.

ZHANG Hao-li，DENG Zhi-yong，et al.Invariable tension auto gather-release and arrange-cable cord cable winch device［P］.China Patent:ZL200920085244.9，2009 －04 －24.

Development actuality of submarine launch and recovery system

ZHANG Hao-li，DENG Zhi-yong，LUO You-gao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

The launch and recovery system is an important accessory equipment of the submarine.Advanced and reliable launch and recovery system can directly improve the marine operations safety and efficiency of the underwater robot.This paper brief analyzes the key technologies of the buffer protection，automatic connecting，wind compensation，and the constant tension cable arrange on designning the submarine launch and recovery system，and summarizes several different typical submarine launch and recovery system.With the rapid development of submarine，its launch and recovery technology will also be further attention and development.

submarine;door-shaped frame;single-arm type;integration type;chute type;midship moon-pool;launch and recovery system

U674.76

A

1672－7649(2012)04－0003－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.001

2011－06－23;

2011－08－02

張浩立(1980－)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為機械制造及其自動化。