深海測量儀器收放系統的設計研究

姜海雨，張定華，王鴻飛

（上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 200120）

0 引言

深海收放系統決定著海洋設備運作的穩定性與安全性，是海洋測量儀器穩定工作的前提技術條件。深海收放系統朝著集成化方向發展，就是將作為儀器收放的鋼纜和作為信號和能量傳輸合成到一條通訊電纜上。目前深海收放系統中與采水器設備相連的是鎧裝同軸電纜。深海收放系統工作在船舶甲板上，不同海況下設備上下起伏，會對纜繩上的張力帶來急劇變化，張力過大會使纜繩上的張力超出工作拉力范圍，造成纜繩損壞。為了解決以上的問題，采用牽引絞車和儲纜絞車相分離的收放系統設計結構，牽引絞車只負責引導纜繩和吸收纜繩上的張力，使纜繩在牽引絞車的出繩端張力減小到預期值，儲纜絞車只負責存儲纜繩，把纜繩規則的排放在儲纜卷筒上，防止纜繩排列不均造成的纜繩損傷。這種功能分離式的結構設計能夠有效的避免因為纜繩排列不均造成的纜繩損傷和因張力突變造成的纜繩斷裂，同時降低了設備使用成本，提高了作業效率[1]。

1 收放系統的設計及分析

萬米鎧裝通訊電纜收放系統是為海洋環境設計的、一體式、可變速收放纜系統，適用于海洋測量儀器的投放和回收。包括A型門架、緩沖架、對接頭、儲纜絞車、牽引絞車、補償直角排纜器、液壓單元、控制單元及標準20尺集裝箱底座等，各內部機構采用模塊化安裝的形式，可通過簡單拆卸進行替換。

牽引絞車收放系統的優化設計包括：設計具有懸臂式滾筒的牽引絞車滿足更高張力等級。懸臂式滾筒允許牽引滾筒頂部和底部的通訊電纜順暢過渡。懸臂設計允許更大的自由配置牽引絞車收放系統，可在水平到垂直的位置范圍內布置，以優化可用的甲板空間；通過使滾筒相互傾斜，每個滾筒的位置便于在兩個滾筒的繩槽之間順利傳輸電纜，這種相對定位消除了電纜的扭曲和摩擦；使用較軟的材料和獨立的滾筒速度，可大大提高通訊電纜的使用壽命，允許一定的溝槽磨損。

1.1 牽引絞車的結構特性

電纜的最小彎曲直徑決定滾筒直徑，最小彎曲直徑隨著負載接近電纜破斷強度而增加。大直徑牽引絞車的滾筒允許電纜被纏繞在單層中，可避免承受過大的彎曲直徑。牽引絞車系統通過電纜在要求的最小彎曲直徑的纜槽中工作來吸收電纜的高張力。在傳統單卷筒絞車中，電纜多層纏繞而自行工作。牽引絞車的單層效應與傳統單卷筒絞車相比優勢是顯著的[2]。傳統單卷筒絞車，通訊電纜在交叉點將受到與實際電纜直徑相等的彎曲直徑，導致電纜受到破壞。此外，在非常高的張力下，通訊電纜也可能以足夠大的力量向下拉，導致通訊電纜嵌入到下一層。

多槽、單電纜層和動力牽引滾筒施加的扭矩共同作用來吸收通訊電纜的高張力，電纜在內側牽引滾筒出口處轉化為低張力。接下來通訊電纜以低張力存儲在多層單卷筒儲纜絞車中，在全部卷纜過程中，通訊電纜處于大約最大工作負載的10%～15%的張力范圍內。基本不變的低存儲張力也提高了絞車排纜的準確性和重復性。傳統的卷筒絞車的存儲張力在不同的電纜層之間會隨著動態牽引載荷的變化而變化。

1.2 儲纜絞車恒張力設計

為了確保收放系統的儲纜絞車提供連續的恒張力，采用丹佛斯的90系列液壓泵連接外部壓力限制器閥塊,實現閉式液壓回路儲纜絞車的張力恒定。液壓原理圖如圖1所示。

圖1 儲纜絞車恒張力液壓原理圖

在儲纜絞車的恒張力應用中，借助恒張力閥塊④來維持纜繩α的張力恒定，同時排量控制使泵以全排量全速驅動纜繩卷起。在絞車下放工況中，恒張力閥塊④可以驅動泵的斜盤反向，此工況適合儲纜絞車應用，設定泵的排量，儲纜絞車以一定的速度卷起纜繩，若纜繩張力增加到恒張力閥塊④中的收纜溢流閥設定值，泵的排量將減小，直到維持設定壓力；如牽引絞車出纜端張力足夠大將驅動閉式泵斜盤反向，從而使纜繩下放。儲纜絞車下放時，馬達將會驅動泵,并通過泵驅動電動機做功來吸收負載所產生的能量，所以必須考慮電機吸收負載的能力，若超出其吸收能力，則必須增加制動泵系統[3-4]。

1.3 系統關鍵參數分析

在回收測量儀器的過程中，牽引絞車提供提升力。牽引絞車和同軸電纜作為特殊的傳動帶，可以使用歐拉公式來計算牽引絞車的驅動力。同軸電纜纏繞在絞盤上，當絞盤轉動時，同軸電纜在絞盤有滑動的趨勢，絞盤每一圈纜的松邊力F2與緊邊力F1將有一差值ΔF，即絞盤摩擦力[5]。

式中（1），α為纜繩在絞盤上的包角；μ為纜繩與絞盤槽的摩擦系數。

纜繩對絞盤2的作用力：

纜繩作用在牽引絞車上的力為：

纜繩作用在儲纜絞車上的力為：

設計儲纜絞車恒張力為500kgf-1000kgf滿足負載需求。

2 減張力試驗

采用控制液壓系統驅動牽引絞車收放纜的形式，控制牽引絞車旋轉的速度，以實現與儲纜絞車的聯動[6-7]。設定試驗組，以4噸負載進行試驗測試，對不同包角組進行測試，并且每組都進行了多次實驗和分析，通過張力傳感器將張力大小傳輸到數據采集面板中，其中讀取的一組數據，如表1所示。

表1 相關實驗數據

3 結語

通訊電纜通過牽引絞車模塊后，出纜端張力可控制到入纜端(負重端)張力的10%～15%之內；當收放系統的工作張力接近通訊電纜破斷力的50%或制動力接近通訊電纜的破斷力時，可將牽引絞車作為一種經濟可行的收放系統；正確設計的牽引絞車系統可使通訊電纜保持一致的工作性能，而不受通訊電纜長度的限制。