科考船絞車系統研究現狀及發展趨勢

葛楊元，楊 宇，李文華，林珊穎，潘瑞祥，婁興建

（1. 南通力威機械有限公司，江蘇南通 226500；2. 上海彩虹魚海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧大連 116026）

0 引言

認識海洋、經略海洋，需要具備對海洋觀測、探測及預測的能力。海洋綜合科考船是在傳統海洋學科領域趨于逐步融合的背景下，配備技術先進的船舶操控裝備和科考調查設備，具有多學科、多功能、多技術手段的綜合科學考察能力，能在海洋上為各類學科提供同步調查和科考活動的船舶平臺。科考絞車系統是海洋科考船的基本配置設備，科考船上配備有各種類型的絞車，來完成不同船載探測儀器的轉運、投放和回收等作業，從而為海洋調查研究工作，特別是水文、生物和地質研究等的開展提供強有力的保障[1]。

1 科考船絞車系統的作用

科考絞車設備是指用于存儲和收放科考作業用纜繩的各種類型絞車的總稱。隨著海洋調查裝備技術的不斷發展，如潛水器、水下機器人和水下作業儀器等調查儀器，需要有專門的絞車設備把調查儀器放入指定位置并進行回收。這些調查儀器大多數需要通過在科考船舶上設置的各種類型的絞車實現其升降和位置的定位與平衡[2]。如萬米鹽溫深（Conductivity, Temperature, Depth，CTD）儀器絞車配合CTD收放裝置，組成CTD收放系統，用于萬米深海CTD取樣器的收放及相關科考作業；全海深地質絞車用于全海深條件下海底地質取樣及相關科考作業，可在最大海深區域內開展地質取樣；光電纜絞車用于使用深海光電復合纜的科考作業，可以布放回收與光電纜適配的各型遙控無人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）等。

2 科考船絞車系統的分類

出于不同的科學考查目的，科考船上安裝的絞車也有各種不同的類型，按照不同的分類方法，科考絞車可分為如下類型，見圖1[3]。

圖1 科考船絞車系統分類

按裝船形式的不同，可分為固定安裝式絞車和移動安裝式絞車；移動式絞車方便安裝、更換，切換成本較低。

按纜繩種類的不同，可分為鋼纜絞車、合成纜絞車、同軸纜絞車、光纜絞車等；不同纜繩功能特性不同，鋼纜耐磨，合成纜水下質量輕，光纜可進行信號傳輸，用于可視抓斗、光學拖體、深海鉆機等可視設備，而同軸纜一般用于深拖等。

按照工作功能的不同，可分為儲纜絞車和牽引絞車；牽引絞車依靠輪槽間的摩擦力能大大減小纜繩上張力，儲纜絞車則用于儲存纜繩。

按作業類型的不同，可分為地質絞車、深拖絞車、電視取樣絞車、水文生物絞車、CTD絞車、痕量金屬絞車、ROV絞車、地震炮纜絞車、地震電纜絞車等；地質絞車用于投放海底地質取樣設備，CTD絞車用于投放溫深鹽剖面儀及采水等，深拖絞車一般用于拖曳船后的地球物理觀測儀器，水文絞車用于收放水文測量儀器，地震電纜絞車則用于收放地震電纜進行地質調查。

按結構形式的不同，可分為組合絞車（儲纜＋牽引）和直拉絞車；直拉絞車一般用于淺海，采用儲纜滾筒作為牽引機構牽引纜繩，纜繩回收之后直接纏繞在儲纜滾筒上，一般載荷較小[4]，組合絞車包括牽引絞車和儲纜絞車，通過牽引絞車減張力后，儲纜絞車上能維持一個較小的張力，組合絞車可以承受更大負荷，容繩量更大。

按驅動形式的不同，可分為液壓絞車和電動絞車；液壓絞車具有優良的調速性能，可實現大范圍的無極調速，而電動絞車操作簡便，易于實現自動化。

3 國內外研究現狀及應用

國外研發科考船絞車系統已有100多年歷史，研發機構主要集中在歐美國家，如挪威RAPP Marine （ 被MacGreror 收 購）、 美 國Markey Machinery 、 丹 麥 MacArtney Underwater Technology、加拿大Hawboldt Industries、法國Kley france、英國Rolls-Royce、西班牙Ibercisa、芬蘭MacGreror等。

國內南通力威機械有限公司于2015年先后為俄羅斯3艘科考船配備6套載荷分別為5 t/12 t/20 t的電動絞車，容繩量達8 000 m，并通過中國船級社（China Classification Society，CCS）認證，目前運行效果良好。2018年，大連海事大學聯合南通力威機械有限公司等單位承擔國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項“全海深地質絞車系統研制”項目，成功研發國產全海深地質絞車系統“海威DJ11000”，見圖1，容繩量達13 000 m，工作載荷≥20 t，系統性能及技術指標全面達到并部分超過國外同類主流產品水平，關鍵核心部件國產化率達100%，完全實現自主可控。2021年10月，“海威DJ11000”隨自然資源部北海局“向陽紅06”船在公海海域完成了首個航次的深海調查任務，獲得多站位的深海樣品。

圖1 國產全海深地質絞車系統“海威DJ11000”

中國船舶集團有限公司第七〇四研究所研發的萬米科考絞車，安裝在“探索二號”科考船上[5]。無錫德林防務裝備股份有限公司研制完成萬米級光電復合纜深海科考絞車樣機。江蘇射陽遠洋船舶機械科技有限公司研制完成DSWS-10000型萬米鋼纜深海絞車樣機。湖南科技大學研制了電驅動主動升沉海洋絞車樣機。

國外最近建造的艘科考船配置的絞車參數[6]：

1）新“太陽”號（Sonne）是德國聯邦教研部新建的一艘全球級海洋綜合科考船，該船的科考絞車系統為電動型，并埋艙安裝，詳細絞車系統情況見表1。

表1 新“太陽”號（Sonne）科考絞車系統

2）英國新“發現”號（Discovery）是一艘全球級的海洋綜合科考船，該船科考絞車系統見表2。

表2 新“發現”號（Discovery）科考絞車系統

3）“Investigator”號是澳大利亞新建的1艘全球級的科學調查船，該船科考絞車系統見表3。

表3 “Investigator”號科考絞車系統

4 科考船絞車系統發展趨勢

從目前國內外科考絞車的裝備情況以及發展狀況來看，未來科考船絞車系統將朝著以下6個方向發展：

1）控制自動化和智能化。隨著信息技術的快速發展，未來絞車系統自動化程度會進一步提高，對絞車的運行能實現更智能的控制，實現更精準的纜繩收放及高精度的排纜。

2）深海化。隨著海洋科考調查逐步邁入深水以及超深水領域，對于科考絞車設備也必然要滿足深海化的需求，超過10 000 m的深海絞車的研制與應用將是發展趨勢，更輕質、強度更高的纖維纜將得到廣泛應用，同時帶有牽引的恒張力絞車將會越來越多。

3）集成化。由于科考船甲板作業面積有限，而且科考船一般都要配備多臺不同類型的絞車設備以滿足不同的科考研究需要，科考絞車系統必然要趨于小型化，集成化，使得科考船作業甲板得到最大程度的利用。

4）波浪補償功能。在高海況條件下進行科學考察時，由于船舶在波浪作用下不停的運動，使得科考儀器的收放困難，并且一些科考儀器需要固定在海底某個深度進行考查，船體的運動帶動儀器上下運動無法滿足科考需求，嚴重時還會損壞纜繩或科考設備，因此，將來科考絞車系統增加波浪補償功能是必不可少的。

5）高適應、高可靠性。在海洋環境中工作的科考船絞車設備，由于洋流、海風等影響，需要對各種工作條件有更好的適應性，在海上惡劣的工作環境中要能保持系統的可靠運行。

6）信息化。絞車系統上設置大量故障報警點，通過信息采集技術，可以在線、實時地監控絞車的運行狀況，通過遠程接入端口，可以允許陸上接入，共同解決絞車系統運行中出現的問題。

5 結論

科考船絞車作為在海洋調查中投放科考儀器的設備，在海洋科學調查中起著決定科考作業是否成功的重要作用。本文介紹了科考絞車的作用，按照不同的分類方式對科考船絞車進行了系統的劃分，分析了國外以及國內現階段科考絞車系統的發展現狀，并基于目前國內外整體研究情況，提出了未來科考船絞車系統的發展趨勢，為我國深海和極地科考絞車技術發展提供參考。