鼓輪式布撈纜系統關鍵技術

晏 慶，劉 冰，崔浩貴

（91001部隊，北京 100841）

0 引 言

隨著海底通信光纜在海洋開發活動中的作用越來越突出，人們對海底光纜施工設備的要求越來越高。鼓輪式布撈纜系統是海纜船進行海底光纜施工時所采用的重要專用設備，主要用于完成海纜的打撈、回收、布放和繩索收放等任務。對鼓輪式布撈纜系統關鍵技術進行分析研究，有助于提高我國海纜作業專用設備的研制水平，促進我國海底光纜的建設和發展。

1 概 述

現代化海纜船及其海纜施工專用設備是海底光纜工程建設、維護和搶修不可缺少的大型作業裝備。海纜船上一般配備有直線式布纜系統、鼓輪式布撈纜系統和海纜埋設系統等海纜施工專用設備，其中直線式布纜系統和鼓輪式布撈纜系統具有不同的特點和應用場景。

1) 直線式布纜系統利用多組上下分布的2只輪胎壓緊夾持海纜，由液壓馬達直接驅動輪胎運轉，從而實現手動調速、定張力和定余量布放海纜，同時可手動調速回收海纜。與鼓輪式布撈纜系統相比，直線式布纜系統采用的是直線布纜方式，多組輪胎機可分別控制，更利于接頭盒、分支器和中繼器等設備安全通過。

2) 鼓輪式布撈纜系統的鼓輪直徑通常為3～4m，牽引力通常為250～400kN，具有占地空間小、牽引力大和運行穩定等特點。與直線式布纜系統相比，鼓輪式布撈纜系統具有較大的牽引力和圓鼓形結構，更適于打撈回收海纜和各種線路設備，同時可用于短距離布放無接頭盒或中繼器海纜。

鼓輪式布撈纜系統主要依靠液壓驅動的鼓輪機和輔助牽引機進行收放纜作業，是海纜船海纜作業系統的重要組成部分，主要用于完成以下任務：

1) 單獨完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的打撈回收任務；

2) 單獨完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的敷設任務；

3) 與埋設機系統協作完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的布放及埋設任務。

2 總體設計

2.1 基本原理

鼓輪式布撈纜系統可用于手動調速布纜、定張力布纜、定余量布纜和手動調速收纜，核心設備為鼓輪機，采用摩擦鼓輪的方式，在液壓能的驅動下提供布纜、收纜所需的控制力和牽引力，在輔助牽引機的配合下達到布放和回收海纜的目的。

布放海纜時會遇到2種情況，即：海纜在水中由自身重量產生的拉力不足以克服其從出艙至入水期間產生的阻力，因而不能使其勻速入水；海纜在水中由自身重量產生的拉力大于其從出艙至入水期間產生的阻力，進而失去控制自由入水。由此，該系統的基本工作原理是：在鼓輪上排列纏繞、牽拉海纜克服摩擦阻力，“推送”海纜勻速入水；反之，制動海纜克服過大的拉力，“牽送”海纜入水。

輔助牽引機的作用是保證鼓輪在收纜或放纜時始終提供一定的預拉力，使纏繞在鼓輪面上的海纜始終具有一定的摩擦力，避免海纜因打滑而失控。

系統控制通過作業控制臺或機側控制臺上的控制面板完成，既可實現手動調速、定張力布放海纜、定余量布放海纜和手動調速回收海纜，又可根據實際需要對海纜的收放速度和張力進行控制。系統的液壓動力來自液壓泵站。

2.2 總體結構

鼓輪式布撈纜系統主要由鼓輪機、排纜裝置、輔助牽引機、測力計長裝置、液壓動力系統、電氣控制設備、設備控制箱、信息中心、作業控制臺和機側控制臺等組成，其總體結構見圖1。

圖1 系統總體結構

1) 鼓輪機主體由鼓輪和減速器2部分組成，其中：

(1) 作業時，將海纜纏繞在鼓輪上，由6臺液壓馬達驅動，通過減速器帶動主軸轉動，進而使鼓輪轉動，產生扭轉力，實現對海纜收放作業的控制。鼓輪由結構鋼焊接成圓鼓形，通過其內部6道梯形加強幅板與軸套焊接成一體。鼓輪和大齒輪安裝在主軸上，輪轂與主軸之間由雙鍵傳遞扭矩，大齒輪與6個小齒輪嚙合，每個小齒輪都由1個與之直接相連的液壓馬達驅動。

(2) 減速器安裝在鼓輪機左側機殼內，采用星形多點驅動、單級變速和配無級變速液壓馬達的形式。

由于減速器與鼓輪主軸是按固定減速比例關系設計的，沒有機械變速檔位和手動變速檔位，因此通過調整主泵的排量改變鼓輪的速度。

2) 輔助牽引機由2對液壓驅動的輪胎和牽引泵機組構成，安裝在鼓輪機前方的海纜通道上，由作業控制臺或機側控制臺統一操控。輔助牽引機用于輔助鼓輪機完成收放海纜作業，為海纜提供預拉力（即：鼓輪機收纜時，跟蹤控制輔助牽引機的收纜速度略快于鼓輪機的收纜速度；鼓輪機放纜時，跟蹤控制輔助牽引機的放纜速度略慢于鼓輪機的放纜速度），使海纜在鼓輪工作面上的摩擦力始終大于張力，輔助鼓輪機正常進行收纜和放纜作業。

3) 測力計長裝置可同時實現對海纜張力和長度的檢測，當海纜承受張力時，會產生向下的分力，支承在轉軸上的橋槽將該分力作用到剪切式傳感器上，可通過測量分力計算出海纜實際的張力。海纜通過時，可帶動測力計長裝置的測量筒隨海纜轉動，從而測量已收放的海纜的長度和瞬時收放速度。

4) 排纜裝置由2部排纜器和控制盒組成，安裝在鼓輪機的前部和后部，由控制泵供油工作。當鼓輪作業旋轉時，排纜刀推動纏繞在鼓輪工作面上的海纜沿軸向移動，使新進入鼓輪的纜線不會與已纏繞在鼓輪上的纜線發生疊壓。

5) 整套系統（包括主油路液壓系統、先導泵液壓系統、控制油路液壓系統和輔助牽引機油路液壓系統）由液壓動力系統驅動，其中：主油路液壓系統用于驅動液壓馬達，使鼓輪機旋轉；輔助牽引機油路液壓動力系統用于驅動輔助牽引機液壓馬達。

6) 綜合監控系統主要由作業控制臺、機側控制臺、信息中心服務器和設備控制箱等組成，主要功能是向布纜指揮人員和操縱人員實時顯示收放纜情況和設備運轉情況，在駕駛室遙控或在機側就近控制海纜的收放，并全程實時存儲和打印布纜的各項主要參數。

3 關鍵技術

3.1 鼓輪機減速器

鼓輪機減速器是動力傳動的關鍵組成部分，實現由高速到低速、由小力量到大力量的轉換，對受力、傳動比和材料都有嚴格要求。傳統的減速器一般由多級組成，有的還為減小兩端的傳動比加裝有換檔裝置，或根據需要加裝剎車裝置，因此結構比較復雜，維護比較困難。對此，設計星形多點驅動、單級變速和配無級變速液壓馬達的方案。采用六星形齒與主齒輪軸結構的減速器，使鼓輪機在有限的功率內實現大范圍的轉速變化和對大收放纜張力的控制。采用該方案能使主驅動大齒輪上的輪齒受力大大減小，六點驅動情況下的受力只有單點驅動情況下受力的1/6；同時，能大大簡化減速結構，降低材料要求，減少造價，提升維護的便利性。

3.2 鼓輪機剎車裝置

老式鼓輪機一般采用氣缸驅動水冷剎車帶，對鼓輪機進行制動，結構比較復雜，對剎車帶進行調試非常麻煩，不易達到最佳的工作狀態。對此，結合新型減速器的設計，采用帶自鎖機械剎車結構的液壓馬達，使鼓輪剎車與制動機械在傳動形式上相同，剎車制動力超過350kN，剎車力量由液壓馬達自行產生，6臺液壓馬達每臺只需產生1/6的剎車力即可滿足要求，同時只需通過1條控制油路控制液壓馬達工作與制動的轉換，從而大大簡化鼓輪機剎車系統的結構，具有使用簡單、調試方便等優點。在大負荷收纜時，若出現停電等應急情況，會立即自動剎車，防止海纜滑入海中，避免對海纜和人員造成傷害，性能穩定、可靠。

3.3 主油路液壓動力系統

主油路液壓動力系統的功能是為鼓輪機提供收纜和布纜的驅動力。主油路先通過管路與鼓輪機上的插裝閥體連接，再由插裝閥體通往6臺液壓馬達。這6臺液壓馬達分為2組：對稱的2臺液壓馬達組成一組；另外4臺組成一組。設計一個安裝有8個插裝電磁換向閥閥芯的大型插裝閥體，實現液壓變檔的功能。通過控制插裝閥體可實現收纜、放纜和停車等3種換向功能。通過改變6臺液壓馬達ABPT口（A和B為2個工作油口；P為壓力油口；T為回油箱油口）的連通方式，使鼓輪機具有1:1、1:2和1:3等3個液壓變檔，根據需要選擇2臺、4臺或6臺液壓馬達參與工作，不參與工作的液壓馬達處于隨動狀態。當有2臺液壓馬達驅動鼓輪機時，鼓輪機的速度最大、牽引力最小；當6臺液壓馬達全部驅動鼓輪機時，鼓輪機的牽引力最大、速度最小，這樣能使鼓輪機提供不同的速度和扭力，使鼓輪機在大工作負荷狀態下具有在低速大扭矩與高速小扭矩2種工況之間快速轉換的能力，轉換過程簡單、快捷、安全。主泵液壓系統工作原理圖見圖2。

圖2 主泵液壓系統工作原理圖

3.4 系統控制設計

為實現精確智能控制，提出設備控制箱的概念。老式海纜船設備采用硬件電路加實線控制的方式控制，這種控制方式造成機側控制臺或主控制臺控制線纜復雜、零亂，控制功能單一，智能化程度不高，設備可維修性差和升級困難。采用以內嵌式單片機系統為核心的設備控制箱之后，可對設備進行就近控制，為控制臺提供標準通信接口，使控制方式配置十分靈活，設備信息和動作由單片機統一處理、控制，并能在遠端控制臺的控制下工作，大大提高設備的智能化程度，方便對維修數據進行記錄和檢查，通過軟件升級就可提升設備的功能。內嵌式單片機智能設備控制箱的使用使得全系統綜合監控成為可能，使系統能更有機地聯系成為一個整體，協調工作。

系統結構原理框圖見圖3。

圖3 系統結構原理框圖

3.5 基于信息中心的綜合監視控制系統

設計基于信息中心的綜合監視控制系統，通過采集各設備的信息，并進行綜合處理，實現自動控制，簡化控制操作，并有效監測設備的運行狀態，進行告警提示和故障規避。該綜合監視控制系統原理圖見圖4，其中：信息中心由一臺服務器搭載信息中心軟件實現，作為監視控制系統的核心；信息中心連接作業控制臺、機側控制臺、鼓輪機設備控制箱和泵站設備控制箱等設備。信息中心解析控制臺的命令并將其下發給各控制箱，同時收集控制箱數據，更新設備的狀態信息，并與船上其他設備的信息交互，發送控制臺顯示信息，保存數據至數據庫。

圖4 綜合監視控制系統原理圖

3.6 “速度跟蹤+距離修正”定余量模型

定余量布纜是海纜敷設的主要手段，是目前國內外通行的深海布纜方法。根據海底地形變化給定恰當的海纜余量是開展定余量布纜工程的關鍵，可確保海纜在海底緊貼海底地形，不出現懸掛、打扭等現象。在施工完成之后，海纜余量通常會隨海底坡度的變化而在1%～5%區間內變動，在海底比較平坦、坡度不大的海域，有1%～2%的余量就足夠保證海纜敷貼在海底。建立了“速度跟蹤+距離修正”定余量模型，當選擇定余量模式布纜時，鼓輪機進行定余量布纜。該模型將速度控制方法與距離控制方法相結合，既能滿足實時定余量要求，又能克服速度定余量在精度控制、平穩性控制和適應氣象條件的能力等方面的不足，實現高精度實時定余量。該模型同時適用于直行和航向轉變2種情況，填補了國內航向轉變時基于導航系統定余量的空白，能不間斷工作，顯著提高布纜效率。該算法的通用性較強，可方便地移植到其他布纜作業系統中。

4 結 語

鼓輪式布撈纜系統是海纜船配套的重要專用設備，是海纜維修作業必不可少的設備，本文主要介紹了該系統的基本原理和總體結構，對鼓輪機減速器、鼓輪機剎車裝置、主油路液壓動力系統、系統控制設計、基于信息中心的綜合監視控制系統和“速度跟蹤+距離修正”定余量模型等關鍵技術進行了分析研究，給出了鼓輪式布撈纜系統設計模型。設計的鼓輪式布撈纜系統的牽引力和制動力較大，具有定張力和定余量布纜的功能，自動化智能化程度較高；在大工作負荷狀態下具有在低速大扭矩與高速小扭矩2種工況之間快速轉換的能力，轉換過程簡單、快捷、安全；主要性能達到了國際同類產品的先進水平，整體提升了海纜專用設備的自動化程度、穩定性和可靠性。提出的系統設計模型可供我國海纜建設維修專用設備的設計參考。