水下絞車及其在實時傳輸潛標的應用

徐良波

(中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

水下絞車及其在實時傳輸潛標的應用

徐良波

(中國船舶重工集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

為了實現海洋環境要素的實時傳輸，設計一種水下絞車控制通信浮標升降。實時傳輸潛標利用測量儀器測量海洋環境要素，水下絞車將通信浮標升至海面通過衛星通信將海洋環境要素數據傳輸到岸站。本文主要講述水下絞車的工作原理和工作流程，試驗結果表明系統突破了水下絞車自動排纜的關鍵技術，實現了海洋環境要素無人值守情況下的數據實時傳輸。

水下絞車；實時傳輸；潛標

0 引 言

水下絞車是一種安裝在水下主浮體或海底平臺上的無人值守機電一體化裝置，內置電機驅動實現電纜收放，從而控制通信浮標的升降。其主要功能是使通信浮標藏匿于水中不受人為、臺風、海浪等的破壞，并且在完成信息收集或測量后將通信浮標升至海面。在海洋環境監測和資源調查中，經常需要對海洋環境的海水溫度、海水電導率和壓力等海洋環境要素進行長期、定點、實時、立體監測，實時傳輸潛標利用水下平臺所攜帶的設備完成海洋環境要素測量后，采用水下絞車放索將通信浮標放出水面，通信浮標通過衛星通信方式將海洋環境要素數據發送到岸站。完成數據發送后，水下絞車通過收索將通信浮標收回水下。

1 水下絞車設計

水下絞車主要由安裝架、驅動裝置、傳動機構、導索裝置、索筒、系留通信纜及水下電滑環等組成，水下絞車總體結構圖如圖 1 所示。驅動裝置主要包括直流電機、減速器及制動器等，其輸出動力通過安裝在齒輪箱內部的傳動機構分別驅動排索機構和索筒，從而帶動系留通信電纜左右移動纏繞在索筒上。水下絞車、雙向絲杠等均通過安裝接口與安裝架相連。減速器輸出與雙向絲杠、索筒間采用齒輪傳動方式。電纜與外部控制間采用油壓補償式水下電滑環連接。系留通訊纜采用直徑不大于 8 mm 的承力電纜，系留通訊纜用于信號傳輸、采集通信浮標深度信號等。系留通訊纜安裝在轉動的索筒上，通過油壓補償式水下電滑環將系留通訊纜上的通信浮標信號與控制電路連接。為保證系統長時間水下工作，系統主體結構采用耐腐蝕不銹鋼材料。系統各運動結構、軸承等運動部位均進行密封處理。

1.1 驅動裝置設備選型及參數計算

根據總體結構，動力傳動用電機參數：額定工作電壓 24 V，額定工作電流 9.4 A，額定轉速：3 710 r/min，額定轉矩 485 N·m，效率：83%。減速器參數：傳動比308:1，最大輸出扭矩 120 N·m，傳遞效率：70%。制動器參數：最大摩擦扭矩 0.4 N·m（制動直流電機）。

根據設備選型對系統設計參數，以收索來進行計算，假定收索平均速度 5 m/min，假設水下絞車出索端直徑 200 mm，出索端索上的最大張力 Fmax= 1 000 N，則收（放）索時所需最大扭矩為（取索筒最大外徑200 mm）：

水下絞車出索端有效輸出最大功率要求為（按收索計算，不考慮傳動效率及其他系統阻力）：

減速器輸出端額定轉速：

則系統所需功率：

減速器輸出端額定轉矩：

按卷索筒與減速器輸出端傳動比為 1:1 計算，那么電纜收放最小速度：

電纜收放最大速度：

1.2 傳動機構

傳動機構采用齒輪傳動方式，齒輪傳動機構安裝密封結構內，防止海水腐蝕。驅動裝置通過傳動機構同步實現排索和收、放索動作。傳動結構中，驅動齒輪齒數 Z1= 20，卷索筒繞索齒輪齒數 Z2= 20 ，導索機構排索齒輪 Z3= 60。卷索筒和導索機構之間的傳動關系為 1:3，從而實現繞索、排索同步進行。

1.3 導索裝置

排索機構采用雙向絲杠方式，實現雙向排索。其主要工作原理為：在絲杠轉動的同時驅動索筒轉動，同時絲杠帶動導索機構移動，其移動速度與索筒轉速相匹配。當導索機構到達絲桿一側時，導索機構自動實現換向，實現反向排索。

1.4 水下絞車控制電路設計

水下絞車控制電路主要包括單片機、I/O 電路、隔離電路、串口通信接口、穩壓模塊、深度傳感器、電流傳感器、穩壓模塊、IPM 模塊、驅動電路等部分組成。串口用于接收上位機指令，讀取 FLASH 存儲器中的內記數據。電流傳感器用來測量水下絞車驅動回路中的電流，當電流超出正常的工作電流時，控制系統切斷驅動回路，確保驅動電路和控制電機的安全。FLASH 存儲器用于存放浮標升降運動過程中的深度數據。深度傳感器用來測量通訊浮標所處的深度，作為水下絞車控制的依據。水下絞車控制系統框圖如圖 2所示。單片機選用 ATmega128 單片機，該單片機是一款基于 AVR 單片機增強型 RISC 結構的低功耗 CMOS八位微控制器。IPM 模塊用來驅動電機，實現電機的正反轉控制，IPM 模塊具有如下特點：內置驅動電路、過流保護、短路保護、控制電源欠壓保護、過熱保護及外部輸出的警報。單片機輸出的控制信號經光耦送到IPM模塊的輸入端，6 路輸入信號的電路結構均相同，光耦起隔離 IPM 驅動電路與控制電路的作用。

2 水下絞車在實時傳輸潛標中的應用

潛標如圖 3 所示，主要包括衛星通信系統、CTD測量系統、溫鹽鏈、水下絞車、主浮體、錨泊系統等。系統布放入水到達預定深度后，系統上電初始化，啟動海洋環境要素測量，測量一段時間后，啟動水下絞車放索將通信浮標釋放到水面，通信浮標露出水面后水下絞車停止放索并通過衛星通信系統將海洋環境要素數據傳送到岸站，數據發送完成后，水下絞車開始收索，當通信浮標到達設定水深后停止收索，系統進入下一個工作周期，如此循環往復直到工作結束。系統工作流程如圖 4 所示。

3 結 語

隨著社會的發展，科學技術的提高，海洋開發、海洋利用以及海洋調查工作將越來越重要。而海洋開發和海洋工程的發展，都需要海洋調查和海洋監測的支持，因此對水下絞車及其實時傳輸潛標的研究，實現無人值守條件下的海洋要素測量，以獲取海域海洋環境要素動態狀況，具有重要的理論和實際應用價值。

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[8]Excell 2" Low Power CTD Operation Manual, Version 1.5, Falmouth Scientific.

Underwater winch and the application to the real-time transmission latent buoyage

XU Liang-bo
(The 710 Research Institute of CSIC, Yichang 443003 China)

In order to transmit the ocean environment parameter which is measured by the instrument in the real-time transmission latent buoyage, the underwater winch is designed to control the communication buoy which is used to transmit data by the satellite communications. The work principle and flow of the underwater winch is narrated emphatically. The result of the experimentation shows the communication cable is coiled automatically and the ocean environment parameter is transmitted in due course.

the underwater winch；the real-time transmission；latent buoyage

TB565

A

1672–7619(2017)05–0132–03

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.026

2016–06–12；

2016–07–25

徐良波(1973–)，男，高級工程師，主要從事海洋工程裝備技術研究。