侯 彬，曾釹釙，高 劍，朱 剛

（1.中國人民解放軍92267部隊，山東 青島266102；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430064）

0 引言

根據(jù)建造的東遠01穿浪雙體工作船的使用要求，進行信號浮標布放回收裝置研制，其主要功能是對浮出水面的信號浮標進行隱蔽性布放與回收。結(jié)合穿浪雙體船的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計一套動態(tài)機械式自動布放回收信號浮標裝置，將傳統(tǒng)依靠潛水員下水回收浮標的人工操作方式，改變?yōu)榇诤叫兄凶詣硬蹲交厥崭说膭討B(tài)方式。同時整套裝置利用雙體船艉部片體進行安裝，很好地保證了信號浮標動態(tài)回收工作的隱蔽性。V型結(jié)構(gòu)打撈架的設(shè)計實現(xiàn)了浮標的自動回收，保證了信號浮標的回收效率，并提高了整個信號浮標回收的作業(yè)效率及安全性與可靠性。

1 總體設(shè)計

1.1 裝置組成

1.1.1 V型結(jié)構(gòu)打撈架

為保證信號浮標從船底片體間通過后順利的回收，導(dǎo)向架的寬度和深度應(yīng)與雙體船尾部的形狀以及浮標在水中的浮標相適應(yīng)。導(dǎo)向架長為10.7m，高為3m，最大寬度為1.2m，導(dǎo)向架兩側(cè)邊緣能盡量靠近雙體船尾部片體的邊緣，保證信號浮標不會從導(dǎo)向架與船體間的空隙處穿過。導(dǎo)向架在工作狀態(tài)下入水深度為1m，能保證在有一定波浪升沉條件下順利打撈信號浮標［1］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)

1.1.2 螺旋絲桿升降裝置

螺旋絲桿升降裝置共2套，安裝在雙體船的艉部兩側(cè)，可進行拆卸。螺旋升降裝置主要由軌道裝置、螺旋絲桿、絲桿螺母、安裝基座、渦輪變速裝置和驅(qū)動電機等部分組成［2］。絲桿采用直徑為63.5 mm的梯形螺紋絲桿，升距為20mm，螺旋提升裝置的提升速度為40mm／s。參數(shù)的選定主要考慮絲桿本身失穩(wěn)及抗彎的要求。

1.1.3 信號浮標起吊裝置

起吊裝置設(shè)置在雙體船艉部主甲板的左舷，主體是旋臂起重機，起吊重量為1t，升降速度為4m／min，回轉(zhuǎn)速度為0.8r／min，整體高度為2.2 m，旋臂長4.2m。在起吊裝置的吊鉤處設(shè)置有機械手，通過軟軸控制裝置進行控制，在打撈信號浮標時，控制機械手的開啟對信號浮標進行抓放。該裝置完全布置于上甲板與主甲板之間，即使工作時也很難在船外看見，很好地保證了回收作業(yè)的隱蔽性。

1.2 工作原理

1.2.1 工作狀態(tài)準備

a.根據(jù)浮標形式，更換起吊裝置吊具。

b.接通電源，下放導(dǎo)向架至水中指定位置，調(diào)整導(dǎo)向架至攔截浮標位置。

c.浮標起吊裝置吊點是否在浮標預(yù)定位起吊點上方位置。

d.各操作點人員是否到齊。

1.2.2 工作流程

整個布放過程的工作順序極其簡潔，該船在信號浮標回收裝置前的中線上，從上到下在船主甲板與濕甲板同一處開有帶蓋自動投放圓口，船在行駛過程中，打開艙蓋并準備好信號浮標，根據(jù)船速與信號浮標間隔要求，直接人工拋送或使用浮標起吊裝置進行吊裝拋送。

整個回收過程的工作順序主要由以下幾個步驟完成。

a.導(dǎo)向架降落到預(yù)定位置。先合上主電源空開，然后合上斷路器給變頻器上電，變頻器此時將進行初次上電后的自檢，自檢時間大約幾秒鐘。在確認電氣和機械上沒有任何故障出現(xiàn)的情況下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向架升降電機按鈕，導(dǎo)向架降落到打撈浮標的預(yù)定高度，停止升降電機轉(zhuǎn)動。

b.浮標攔截及導(dǎo)向架提升。浮標通過雙體船片體中部進入導(dǎo)向架，因V型結(jié)構(gòu)打撈架的導(dǎo)向作用，浮標被攔截到導(dǎo)向架并進行定位，確認浮標被攔截定位后，反向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向架升降電機按鈕，提升導(dǎo)向架脫離水面至濕甲板附近。

c.起吊裝置吊放浮標。浮標被導(dǎo)向架提升起來以后，操作起吊裝置，讓吊點在被定位浮標的正上方，放下吊具，此時人工用一個帶鎖頭的長竿輔助吊具抓住浮標，然后操作起吊裝置提升浮標，旋轉(zhuǎn)平移到船體主甲板內(nèi)，放下浮標。與此同時，可以操作導(dǎo)向架降落到浮標攔截位置，進行下一個浮標回收。

整個回收過程需要3人對此裝置進行操作，其中一人操作螺旋升降裝置，一人使用遙控按鈕盒操作吊具，另一人則人工輔助吊具抓放信號浮標。根據(jù)以上控制步驟，調(diào)整導(dǎo)向架到適當位置，當信號浮標進入導(dǎo)向架并被攔截時，控制導(dǎo)向架升降電機提升導(dǎo)向架及架內(nèi)浮標，待浮標脫離水面用人工輔助吊具抓住浮標，然后控制起吊電機提升浮標，并控制起吊平移電機與起吊回轉(zhuǎn)電機，把浮標收放到船體主甲板適當位置。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

2.1 裝置的總體優(yōu)化設(shè)計

東遠01穿浪雙體工作船為全鋁合金高速雙體船，對重量配置平衡的要求非常高，總體上如何減輕裝置重量避免對船體產(chǎn)生過大影響，如何在盡可能輕的前提下保證裝置的強度，如何避免材料不同及海水鹽霧環(huán)境造成的腐蝕，以及在布置和安裝空間有限的條件下做到信號浮標回收的隱蔽性，這些都給裝置的總體設(shè)計帶來了一定難度。

為了解決這一情況，在裝置的設(shè)計中，主材選擇與船體同質(zhì)的高強度鋁合金（5083）材料，避免材料的不同性造成的腐蝕性問題。通過仿真技術(shù)對V型結(jié)構(gòu)打撈架及軌道裝置進行數(shù)據(jù)模型分析，根據(jù)模擬分析的結(jié)果，在控制重量與保證強度的前提下進行總體優(yōu)化設(shè)計。充分利用雙體船艉部片體的有限空間安裝雙螺旋絲桿裝置，用于提升安裝在片體之間的V型結(jié)構(gòu)打撈架，整個作業(yè)空間處于上甲板與主甲板之間，實現(xiàn)了裝置的空間合理利用及隱蔽性要求。

2.2 V型結(jié)構(gòu)打撈架的設(shè)計

為保證信號浮標從船底片體間通過后順利的回收，設(shè)計的打撈架成V字型，寬度、深度與雙體船尾部的形狀以及浮標在水中的漂浮狀態(tài)相適應(yīng)，具有較好的導(dǎo)流作用。同時V型結(jié)構(gòu)打撈架水下部分進行了局部硫化，對信號浮標在回收過程的碰撞起到了緩沖作用，進一步保證了信號浮標回收的可靠性與安全性。

2.3 動態(tài)捕捉、定位及回收

傳統(tǒng)信號浮標回收一般需停船通過潛水員下水回收，其回收效率低且安全性低。另外信號浮標外形多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶磁帶電，回收方式選擇不好將有可能導(dǎo)致其損壞。因此，關(guān)鍵是如何設(shè)計出一種適應(yīng)在航行條件下對信號浮標進行捕捉、定位及回收的可靠裝置。

在裝置的設(shè)計中，對雙體船結(jié)構(gòu)及各種信號浮標進行綜合分析比較，利用雙體船片體在行駛過程中自然形成的水流，設(shè)計出的V型結(jié)構(gòu)打撈架可實現(xiàn)信號浮標的捕捉與定位，提升V型結(jié)構(gòu)打撈架，即實現(xiàn)航行中對信號浮標的動態(tài)捕捉、定位及回收。

2.4 大跨度升降裝置的同步控制

雙螺旋絲桿布置在雙體船艉部片體兩側(cè)，跨度為12m左右，V型結(jié)構(gòu)打撈架的升降通過電機帶動雙螺旋絲桿實現(xiàn)，電機轉(zhuǎn)速的細微差別將直接放大左、右舷絲杠的直線距離誤差。同時回收作業(yè)中V型結(jié)構(gòu)打撈架重復(fù)進行入水、出水的動作，也會導(dǎo)致負載的變化，使得左、右舷絲桿的同步升降存在諸多困難與不安全因素。

在實際應(yīng)用中，通過編碼器記錄行程，在極限位進行誤差校正清零。同時采用主從控制技術(shù)，通過設(shè)置左舷電機為主動電機，右舷電機為從動電機，其速度根據(jù)閉環(huán)控制反饋進行動態(tài)調(diào)節(jié)，確保高度差始終保持在規(guī)定范圍以內(nèi)，最終達到左、右舷螺旋絲杠的精密同步升降，從而可靠地保護了V型結(jié)構(gòu)打撈架，避免因左、右舷升降誤差過大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。

2.5 船體片體變形對裝置的影響

由于雙體工作船的結(jié)構(gòu)特殊，在不同運行狀態(tài)下左右舷片體會產(chǎn)生變形，使得片體艉部基礎(chǔ)上進行信號浮標回收裝置的安裝存在諸多困難，因此，設(shè)計的關(guān)鍵是如何減少船體左右舷片體變形對裝置的影響。

針對這種情況，設(shè)計中在螺旋絲桿外部全程加裝了軌道，軌道與絲桿間安裝直線滑軌，很好地控制了絲桿的變形。另外絲桿滑塊與V型結(jié)構(gòu)打撈架的連接采用柔性與固定連接相結(jié)合的方式，即船體左舷絲桿滑塊與V型結(jié)構(gòu)打撈架固定連接，而船體右舷絲桿滑塊與導(dǎo)向架通過銅滑塊活動連接，從而很好地減少了船體左右舷片體變形對裝置安裝及運行帶來的不利影響。

3 安裝調(diào)試

在確保產(chǎn)品所有零部件和外購件檢驗合格后，對各零部件進行了防腐蝕預(yù)先處理，然后才開始產(chǎn)品的組裝工作。在組裝過程中，嚴格按照工序進行組裝。所有部件組裝完成后，開始各部件陸上調(diào)試，調(diào)試無誤后的部件方可進行系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)試驗；為了避免信號干擾，所有電纜均采用鎧裝船用電纜，布線時還將強電和弱電分開走線。

根據(jù)《信號浮標布放回收裝置試驗大綱》和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求，對該系統(tǒng)進行了分項調(diào)試和整機調(diào)試試驗，試驗過程中專門設(shè)計了模擬試驗臺架，按照雙體船片體結(jié)構(gòu)及基座情況進行安裝。還配備了模擬重物，對裝置的提升能力和同步性進行了反復(fù)試驗。對安裝過程中出現(xiàn)的問題及時進行總結(jié)，并為后續(xù)裝船順序及工藝提供了很好的參考。

3.1 功能試驗

功能試驗的目的是檢驗該裝置的各部件單獨運行情況，以及協(xié)同運行情況。

在模擬試驗臺架上對絲桿裝置通電運行，檢驗起動、停止、上升、下降以及急停等功能。檢驗絲桿全程運行是否通暢，絲桿螺母滑塊在軌道裝置中運行是否有摩擦卡滯現(xiàn)象；試驗過程中各功能均滿足設(shè)計要求，并無摩擦卡滯情況出現(xiàn)。

3.2 同步性試驗

同步性試驗?zāi)康氖菣z驗螺旋絲桿的同步性，該性能是整套裝置的關(guān)鍵。

在模擬試驗臺架上對絲桿裝置通電運行，該裝置設(shè)有高、中、低速及點動。同步性試驗是在不同速度模式下進行起停、上升與下降操作，通過裝在絲桿端部的旋轉(zhuǎn)編碼器對其同步性進行檢測。試驗過程中出現(xiàn)的同步性誤差（實時顯示于控制柜上）均在設(shè)計允許范圍以內(nèi)，滿足使用要求。

3.3 負荷試驗

負荷試驗的目的是檢驗該裝置在負載下的運行情況。

將250kg的重物放置在V型結(jié)構(gòu)打撈架底部，在不同速度下進行提升、停止、下降及點動操作，重復(fù)試驗多次。試驗過程中時刻觀察其同步性誤差，試驗結(jié)束后進行了全面檢查，絲桿、V型結(jié)構(gòu)打撈架無任何變形及缺陷。

3.4 系泊航行試驗

系泊航行試驗的目的是檢驗裝置在海上行船以及實際浮標回收情況。

裝置成功通過出所驗收后，又進行了裝船驗收以及系泊航行試驗驗收，按照《信號浮標打撈裝置裝船驗收大綱》及《系泊、航行試驗大綱》的要求，對上述試驗內(nèi)容進行了多次試驗，并在海上對實際信號浮標進行回收，如圖2～圖3所示。試驗結(jié)果表明，裝置各項性能滿足使用要求，成功交付用戶使用。

圖2 信號浮標起吊裝置

圖3 信號浮標的回收

4 結(jié)束語

信號浮標布放回收裝置的設(shè)計均建立在深入分析和詳細計算的基礎(chǔ)上，所有的零部件均滿足強度要求和使用功能要求，設(shè)備和元器件選用時遵循標準化、通用化原則。產(chǎn)品生產(chǎn)制造嚴格按照質(zhì)量保證體系要求和圖紙要求進行，還充分考慮其船舶使用環(huán)境要求，防腐蝕性好，可靠性高。信號浮標動態(tài)布放回收裝置各項技術(shù)性能指標均滿足使用要求，已在東遠01雙體工作船上使用4年。經(jīng)過實船操作、使用，證明整套裝置設(shè)計合理、導(dǎo)向架功能簡便可靠，擺脫了傳統(tǒng)依靠潛水員人工操作模式，提高了信號浮標打撈作業(yè)的安全性和工作效率，具有較大的社會、軍事和經(jīng)濟效益。裝置對類似布放回收裝置的設(shè)計具有重要的推廣作用和參考意義。

［1］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 成大先.機械設(shè)計手冊.3版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.