載人潛水器浮標(biāo)收放絞車設(shè)計(jì)

姚晨佼,羅升

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫,214082)

0 引言

深潛、深鉆及深網(wǎng)是目前探索深海奧秘的重要手段,而載人潛水器是深潛探索的主要手段之一?，F(xiàn)如今,美國、法國、日本的載人潛水器以及我國的“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)及“奮斗者”號(hào)均已進(jìn)入深海進(jìn)行科學(xué)考察[1-2]。目前,我國載人潛水器在深海中的定位以及與岸基之間的通信主要依賴于水面母船,但隨著水下作業(yè)能力的加強(qiáng),載人潛水器需具備更強(qiáng)的自主能力,而不必局限于母船的支持。因此,為實(shí)現(xiàn)載人潛水器在水下自主長時(shí)間作業(yè)時(shí)的高精度定位,以及與外界的信息交互,國內(nèi)外相繼研發(fā)了多種多功能浮標(biāo)裝備,其中有纜中繼浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸可靠,可實(shí)時(shí)傳輸,并可多次釋放回收利用[3],但有纜中繼浮標(biāo)需通過水下浮標(biāo)絞車進(jìn)行控制收放[4],因此,研制水下浮標(biāo)絞車是實(shí)現(xiàn)有纜中繼浮標(biāo)多次成功釋放和回收利用的重要保證。

目前,國外水下絞車已演化出多種系列,包括日本NKG OCEAN 公司的ASE 系列水下絞車,美國InterOcean System 公司的VPS 系列水下絞車,以及全球海洋公司的水下絞車[5]。國內(nèi)則仍處于發(fā)展階段,產(chǎn)品主要有中國船舶集團(tuán)有限公司第710 研究所設(shè)計(jì)的可控制通信浮標(biāo)升降的水下絞車[6],以及無人值守的實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)水下絞車[7]。2019 年,研究人員搭載青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室“問海計(jì)劃”航次,在南海成功完成了基于水下絞車的水下實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn),包括水下絞車水下運(yùn)行測試和水下通信電纜數(shù)據(jù)傳輸鏈路測試[8]。水下絞車通常應(yīng)用在潛標(biāo)等海洋環(huán)境監(jiān)測中,通過錨系固定在特定位置,數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性差。其控制系統(tǒng)一般為外置式,通過水密電纜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接,根據(jù)預(yù)制的程序進(jìn)行絞車控制[9]。載人潛水器浮標(biāo)絞車通過纜繩可進(jìn)行信息實(shí)時(shí)傳輸,執(zhí)行機(jī)構(gòu)與纜繩通常先與絞車配置的水下電子罐連接,電子罐通過傳輸總線與載人艙中的控制臺(tái)相連,通過艙內(nèi)上位機(jī)對絞車進(jìn)行智能控制。我國在水下絞車的研制上雖取得了一定成果,但目前由于載人潛水器水下作業(yè)時(shí)間較短,用于載人潛水器的浮標(biāo)絞車研制較少,因此,文中針對未來深海長時(shí)間科研考察的大型作業(yè)型載人潛水器有纜中繼浮標(biāo)的定位及通信需求,提出了一種用于釋放及回收中繼浮標(biāo)的水下浮標(biāo)收放絞車的技術(shù)方案,為實(shí)現(xiàn)載人潛水器深海長時(shí)間作業(yè)時(shí)高精度定位及遠(yuǎn)距離通信提供保證。

1 原理、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

1.1 原理和工作過程

浮標(biāo)主要通過搭載于載人潛水器上的浮標(biāo)絞車來進(jìn)行多次釋放或回收,圖1 為其工作示意圖。根據(jù)浮標(biāo)收放要求,浮標(biāo)絞車應(yīng)具有主動(dòng)放纜功能、被動(dòng)放纜功能、自動(dòng)有序排纜功能、主動(dòng)回收纜功能、應(yīng)急切纜、浮標(biāo)鎖緊功能及纜長纜速檢測顯示功能。浮標(biāo)絞車安裝于載人潛水器作業(yè)艙中,承擔(dān)著浮標(biāo)的收放工作,同時(shí)具有輸送動(dòng)力和傳輸信號(hào)的功能。

圖1 浮標(biāo)絞車工作示意圖Fig.1 Working diagram of buoy winch

載人潛水器水下長時(shí)間作業(yè)對通信和導(dǎo)航定位均有需求。操作人員可在載人艙內(nèi)操控臺(tái)控制浮標(biāo)絞車釋放鎖緊機(jī)構(gòu)并控制絞車卷筒放纜,從而釋放有纜中繼浮標(biāo),由絞車控制浮標(biāo)到達(dá)指定高度后,打開浮標(biāo)上搭載的通信設(shè)備,執(zhí)行通信任務(wù)。各通信設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)電纜實(shí)時(shí)傳遞至載人潛水器本體,并在顯控系統(tǒng)顯示。回收浮標(biāo)時(shí),操控臺(tái)控制絞車卷筒反向轉(zhuǎn)動(dòng)收纜,排纜機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)可實(shí)現(xiàn)電纜的有序排纜;浮標(biāo)進(jìn)入導(dǎo)向基座后,控制鎖緊機(jī)構(gòu)可鎖緊浮標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的回收。浮標(biāo)搭載的設(shè)備經(jīng)由電纜供電,并接受控制指令。

1.2 參數(shù)及結(jié)構(gòu)組成

有纜中繼浮標(biāo)主體為球形浮力材料,在浮力材料上安裝有聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler,ADCP)、多參數(shù)水質(zhì)儀等水下傳感器及通信設(shè)備,在浮力材料的內(nèi)部安裝有耐壓電子艙。浮標(biāo)尺寸為Ф1100 mm×1050 mm,浮力約4000 N。電纜主要用于連接絞車和浮標(biāo)以實(shí)現(xiàn)水下收放,并進(jìn)行信號(hào)傳輸;電纜為中性浮力纜,直徑為20 mm,彎曲半徑為300 mm,長度約為1800 m,絞車收放速度為0～0.5 m/s。浮標(biāo)回收狀態(tài)下,通過下方承重頭與絞車鎖緊固定。

浮標(biāo)絞車主要由卷筒組件、排纜機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、液壓閥箱及電子罐等部件組成(見圖2)。浮標(biāo)電纜預(yù)先有序纏繞在卷筒上,排纜機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)可實(shí)現(xiàn)電纜的有序排纜,浮標(biāo)通過承重頭鎖緊固定安放在導(dǎo)向基座中。

圖2 浮標(biāo)絞車組成示意圖Fig.2 Diagram of buoy winch composition

2 設(shè)計(jì)和分析

2.1 卷筒布置及絞車動(dòng)力計(jì)算

卷筒組件示意圖如圖3 所示。電纜預(yù)先有序纏繞在浮標(biāo)絞車的卷筒上,浮標(biāo)通過卷筒一端安裝的光電滑環(huán)進(jìn)行與載人艙的光電信號(hào)傳輸,另一端則安裝測速傳感器,用于測量電纜釋放的長度或速度,控制浮標(biāo)釋放的高度。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與卷筒安裝在同一側(cè)板上,通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)。由于絞車的工作環(huán)境在水下,卷筒材料可以選擇不銹鋼。

圖3 卷筒組件Fig.3 Drum mechanism

根據(jù)電纜彎曲半徑300 mm,設(shè)計(jì)浮標(biāo)絞車卷筒底徑D0=600 mm,卷筒有效纏纜部分長度L=1100 mm,則第n層纜可卷繞的圈數(shù)

式中:Δ為同一層相鄰2 圈聲陣電纜之間的橫向間隙,Δ=0.3 mm;d為電纜直徑,d=20 mm。對z的計(jì)算結(jié)果取整,即z=54。

卷筒電纜按照三角形形式排列,如圖4 所示,則第n層纜的卷繞直徑為

圖4 電纜排列示意圖Fig.4 Diagram of cable arrangement

式中,n為纜層數(shù),則電纜第n層容繩長度為

卷筒上的容纜長度為L,當(dāng)n=13 時(shí)

此時(shí)卷筒容纜量滿足使用要求,表層直徑D13=1034 mm。

浮標(biāo)絞車要求在速度為2 kn 的垂直海流下可以正?；厥崭?biāo),由于浮標(biāo)浮力為4000 N,電纜為中性浮力纜,因此纜上拉力為

式中:F浮=4000 N;F阻=1/2ρv2SCd[10],其中,海水密度ρ=1.027×103kg/m3,浮標(biāo)迎流面積S=0.95 m2,Cd為阻力系數(shù),由于浮標(biāo)為球形,取0.5,v為電纜回收時(shí)相對海流速度1.525 m/s。由此可得F阻=567 N,則拉力F=4567 N。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)比i=z2/z1=57/17,z2和z1為鏈輪齒數(shù),則卷筒最大工作扭矩

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出扭矩

式中,η機(jī)為機(jī)械傳動(dòng)總效率,取0.85。

馬達(dá)壓力

式中:馬達(dá)排量V排=375 ml/r;馬達(dá)機(jī)械效率ηmh=0.85?？紤]各閥組的壓力損失,取p=17 MPa。

則馬達(dá)流量

式中:卷筒轉(zhuǎn)速n=9.3 r/min;馬達(dá)容積效率ηmv=0.95。

2.2 排纜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

排纜機(jī)構(gòu)的作用主要是保證浮標(biāo)回收時(shí),電纜能被有序纏繞在卷筒上,實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)多次釋放及回收。浮標(biāo)絞車采用擺動(dòng)式絲杠排纜結(jié)構(gòu),導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)一端與擺動(dòng)支座相連,導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)中間安裝有與其相對滑動(dòng)的滑塊,通過轉(zhuǎn)軸與排纜滑塊相連,排纜馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)排纜滑塊在絲杠上移動(dòng),從而帶動(dòng)導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)繞擺動(dòng)支座固定軸做往復(fù)擺動(dòng),如圖5 所示。該排纜方式可保證電纜出纜口固定,電纜出纜方向始終垂直向下。

圖5 排纜機(jī)構(gòu)Fig.5 Mechanism of cable arrangement

2.3 導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)及剪切機(jī)構(gòu)

導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)安裝于排纜機(jī)構(gòu)出纜口下方,用于纜繩導(dǎo)向,主要由滾輪和支撐架組成(見圖6)。

圖6 導(dǎo)纜機(jī)構(gòu)Fig.6 Guide mechanism

應(yīng)急切纜機(jī)構(gòu)的主要作用是在緊急情況下切斷電纜,該機(jī)構(gòu)主要由支架、切纜油缸、切刀等部件組成(見圖7),安裝在鎖緊機(jī)構(gòu)下方,可通過操作油缸伸出切刀及時(shí)切斷電纜。

圖7 切纜機(jī)構(gòu)Fig.7 Cable cutter

2.4 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)末端安裝有承重頭,浮標(biāo)在回收狀態(tài)下,浮標(biāo)絞車通過鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊承重頭將浮標(biāo)固定。鎖緊機(jī)構(gòu)主要由殼體基座、3 組承重塊及導(dǎo)向桿、轉(zhuǎn)動(dòng)盤及油缸等組成,如圖8 所示。承重塊主要用于限定承重頭位置并承受浮標(biāo)浮力,油缸伸縮帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng),3 組導(dǎo)向桿下均固連有限位柱,轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,可帶動(dòng)限位柱在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上的弧形槽中滑動(dòng),弧形槽兩端距離轉(zhuǎn)動(dòng)盤中心具有位移差,從而使得導(dǎo)向桿前后移動(dòng),該位移差即為導(dǎo)向桿的行程。導(dǎo)向桿帶動(dòng)承重塊前后移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)承重頭的鎖緊與釋放。

圖8 鎖緊機(jī)構(gòu)Fig.8 Locking mechanism

當(dāng)釋放浮標(biāo)時(shí),首先啟動(dòng)浮標(biāo)收放絞車將承重頭向下拉伸一小段距離后,控制單元向液壓單元發(fā)出電信號(hào),油缸在壓力油的作用下收縮,直至承重塊被拉伸出來,轉(zhuǎn)動(dòng)盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)且位置傳感器發(fā)出電信號(hào),絞車即可釋放電纜。在浮標(biāo)的拉力下,承重頭將完全脫離鎖緊機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的釋放。當(dāng)回收浮標(biāo)時(shí),浮標(biāo)絞車首先回收電纜,承重頭進(jìn)入鎖緊機(jī)構(gòu)殼體基座,絞車?yán)^續(xù)回收電纜,當(dāng)承重頭下降至極限位置時(shí),豎直方向上安裝的位置傳感器發(fā)出電信號(hào),傳送到控制單元,絞車停止回收電纜,同時(shí)驅(qū)動(dòng)油缸伸出,直至承重塊完全收縮進(jìn)殼體基座內(nèi),承重頭最終停靠在承重塊上,對其進(jìn)行限位,從而限制浮標(biāo)被拉出。

2.5 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)絞車采用水下液壓閥箱,閥體采用鋁合金材料,表面硬質(zhì)氧化處理,并將油液充滿閥箱內(nèi)部,使用壓力補(bǔ)償器保證箱體內(nèi)壓力與外界海水壓力始終保持一定范圍內(nèi)的壓差,這樣可以解決深海工作時(shí)閥箱的耐壓和密封問題。閥塊選用螺紋插裝式閥組,各液壓閥采用疊加式閥組,將閥芯集成在一起,可以使閥組結(jié)構(gòu)更緊湊從而減少管路連接。絞車液壓系統(tǒng)原理如圖9 所示,該系統(tǒng)主要由卷筒控制回路、排纜馬達(dá)回路及鎖緊油缸回路組成。比例換向閥SV1 兼具電磁換向閥和比例調(diào)速閥的功能,用于無級(jí)調(diào)節(jié)卷筒驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的收/放纜速度,其中位機(jī)能為Y 型,用于被動(dòng)放纜時(shí)向低壓腔補(bǔ)油以防止吸空,以及將油箱的補(bǔ)償壓力傳遞到馬達(dá)兩腔,以平衡馬達(dá)內(nèi)外壓力。溢流閥TS1 用于收纜時(shí)張力保護(hù),當(dāng)馬達(dá)兩腔壓力差達(dá)到設(shè)定值,即卷筒上的負(fù)載扭矩超過一定值時(shí),溢流閥開啟,卷筒堵轉(zhuǎn),防止電纜所受張力持續(xù)增大導(dǎo)致電纜斷裂。平衡閥CBV1 用于放纜過程中的被動(dòng)放纜等超越工況,防止馬達(dá)失控。電磁閥SV2 用于卷筒驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的制動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對卷筒的制動(dòng)。排纜馬達(dá)通過SV4 電磁比例換向閥按照與卷筒轉(zhuǎn)速一定的比例控制絲杠轉(zhuǎn)速和換向,實(shí)現(xiàn)電纜的有序釋放或回收。鎖緊油缸通過SV5 換向閥控制油缸的伸縮,帶動(dòng)承重塊的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)鎖緊或釋放,當(dāng)油缸到位后換向至中位,由液壓鎖保持油缸狀態(tài)。

圖9 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.9 Schematic diagram of hydraulic system

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合載人潛水器艙內(nèi)控制的工作特點(diǎn),根據(jù)浮標(biāo)絞車的功能需求,其控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖10 所示,主要包括監(jiān)控主機(jī)、小型工業(yè)交換機(jī)、控制器(含電源板、主控板以及擴(kuò)展板)、罐載安全傳感器(包括溫度、濕度和漏水傳感器)、攝像機(jī)以及相關(guān)的傳感器和執(zhí)行器件。監(jiān)控主機(jī)用于系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和操控輸入,艙內(nèi)計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與電子罐內(nèi)設(shè)備進(jìn)行雙向通信。硬盤錄像機(jī)(digital video recorder,DVR)用于視頻信息的存儲(chǔ),視頻服務(wù)器可將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。電子罐用于提供控制系統(tǒng)中可集中布置的空間,采用耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？刂破髦饕獙?shí)現(xiàn)裝置的速度、油壓和限位保護(hù)等功能;控制器由電源板、主控板和擴(kuò)展板組成,主控板用于裝置的數(shù)據(jù)分析和控制計(jì)算,擴(kuò)展板通過DI(數(shù)字量輸入),DO(數(shù)字量輸出),AI(模擬量輸入),AO(模擬量輸出)以及串口等與傳感器和執(zhí)行設(shè)備連接。工業(yè)交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。

圖10 控制系統(tǒng)Fig.10 Control system

3 結(jié)束語

水下浮標(biāo)收放絞車功能完整,搭載于載人潛水器,可實(shí)現(xiàn)有纜中繼浮標(biāo)的多次釋放及回收利用,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,為載人潛水器深海長時(shí)間作業(yè)所要求的高精度定位及遠(yuǎn)距離通信提供了保障,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于絞車需在水下長時(shí)間執(zhí)行多次收放纜工作,同時(shí)絞車為自動(dòng)化智能控制,人為無法直接干預(yù),因此絞車的可靠性非常重要,后期應(yīng)對絞車進(jìn)行長時(shí)間收放纜可靠性試驗(yàn),同時(shí)在試驗(yàn)中獲取絞車的排纜誤差數(shù)據(jù),通過控制卷筒及排纜馬達(dá)減小誤差的積累,提高絞車的可靠性。