楊 凱

(杭州電子科技大學(xué)海洋工程中心，杭州310018)

ROV在海洋研究、近海油氣開發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、打撈和軍事等方面都獲得廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前技術(shù)最成熟、使用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一類潛水器。在ROV系統(tǒng)中，收放系統(tǒng)為ROV出入海提供了可靠保證。

國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在20世紀(jì)70年代末已經(jīng)開展了A形架式收放系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，目前已經(jīng)具有與國(guó)際專業(yè)公司同等的設(shè)計(jì)能力和技術(shù)水平，但是ROV專用收放系統(tǒng)發(fā)展并不成熟。

國(guó)外ROV專用收放系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟。按照不同的結(jié)構(gòu)形式大概可以分為3種:A形架式收放系統(tǒng)、吊臂式收放系統(tǒng)、橋式收放系統(tǒng)。如英國(guó)Saab Seaeye公司的A形架式收放系統(tǒng)、英國(guó)Tech Safe Systems公司生產(chǎn)的吊臂式收放系統(tǒng)、挪威Macgregor公司的橋式收放系統(tǒng)等。

1 A-Frame LARS系統(tǒng)構(gòu)成

A形架式ROV臍帶纜收放系統(tǒng)由絞車部分、A形架部分、排纜部分、基架部分、液壓動(dòng)力及控制單元(HPU)5部分組成。

1．1 絞車部分

絞車部分由卷筒、光電滑環(huán)、卷筒軸部分、支架部分、剎車系統(tǒng)組成。卷筒用于臍帶纜的存儲(chǔ)和牽引;光電保證光信號(hào)及電信號(hào)的傳輸不因?yàn)樾D(zhuǎn)而中斷;支架部分保證卷筒滿載情況下能夠支撐卷筒順利工作。

1．2 排纜部分

排纜部分由導(dǎo)桿部分、雙向絲桿部分、導(dǎo)向部分組成。導(dǎo)桿部分負(fù)責(zé)導(dǎo)向部分按照規(guī)定角度橫向運(yùn)動(dòng);雙向絲桿部分可通過(guò)其所帶飛輪傳遞卷筒軸轉(zhuǎn)矩，為導(dǎo)向部分提供橫向動(dòng)力，使導(dǎo)向部分往復(fù)運(yùn)動(dòng);導(dǎo)向部分有絲桿螺母，保證導(dǎo)向部分往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)臍帶纜的導(dǎo)向槽對(duì)臍帶纜進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向槽側(cè)面裝有尼龍滾子，可減少臍帶纜同導(dǎo)向槽間摩擦。

1．3 基架部分

基架部分由A架基架部分、排纜器支架部分、卷筒保護(hù)架部分組成。A架基架部分為A架提供支撐，確保A架在不打開母船圍欄的情況下順利擺入、擺出母船;排纜器支架部分為排纜器提供支撐;保護(hù)架對(duì)卷筒及液壓動(dòng)力單元具有保護(hù)作用，防止工作中無(wú)關(guān)人員靠近。

1．4 A 架部分

A架部分由液壓缸部分、定滑輪部分、門架部分組成。液壓缸部分，通過(guò)液壓缸提供推拉力，確保A架順利擺入擺出;定滑輪具有導(dǎo)向作用;門架對(duì)定滑輪具有支撐作用，保證ROV＆TMS能夠順利進(jìn)出母船圍欄。

1．5 液壓動(dòng)力單元(HPU)

本部分由驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分、控制部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)部分為油路提供動(dòng)力;執(zhí)行部分為液壓缸，將壓油路提供的動(dòng)力傳遞給絞車及A架;控制部分控制液壓閥的開合，調(diào)整液壓油的流向，使收放系統(tǒng)完成指定動(dòng)作。

2 A-Frame LARS主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2．1 卷筒尺寸

卷筒尺寸主要有卷筒的直徑、卷筒的厚度、卷筒的長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)。

2．1．1 卷筒直徑

卷筒直徑可由公式(1)進(jìn)行初步確定。

式中 d為臍帶纜直徑;e為卷筒直徑比，流動(dòng)式起重機(jī)建議取16;D為卷筒直徑。確定滾筒直徑要考慮臍帶纜的最小彎曲半徑，彎曲過(guò)大容易造成臍帶纜損壞。在不使臍帶纜過(guò)于彎曲的前提下，應(yīng)設(shè)計(jì)的偏小一些，利于減小絞車重量，減輕絞車起升動(dòng)載。

2．1．2 卷筒厚度

卷筒厚度可由公式(2)初步確定。

式中 δ——卷筒厚度;d——臍帶纜直徑

2．1．3 多層卷筒長(zhǎng)度

多層卷筒長(zhǎng)度可由公式(3)初定。

式中 L為卷筒長(zhǎng)度;D筒為卷筒直徑。

卷筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中需滿足公式(4)。

式中 L筒為卷筒長(zhǎng)度;H為卷筒至定滑輪直線距離;λ為臍帶纜最大擺角，λ =1°15'～1°30'，當(dāng)滾筒軸轉(zhuǎn)速 nmax＞100r/min時(shí)，選取λ=1°15';當(dāng)滾筒軸轉(zhuǎn)速 nmax＞100r/min時(shí)，選取 λ =1°30'。

2．2 系統(tǒng)牽引力及功率

2．2．1 纜繩載荷

深海ROV系統(tǒng)空氣中的重量小于臍帶纜完全釋放后ROV系統(tǒng)及臍帶纜水中的重量，因此作業(yè)過(guò)程中，絞車最大提升力發(fā)生在臍帶纜完全釋放狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)中應(yīng)以此極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

ROV系統(tǒng)完全入水后絞車提升力可由公式(5)確定。

2．2．2 絞車驅(qū)動(dòng)力矩

絞車驅(qū)動(dòng)力矩分為:克服卷筒本身慣性力矩;克服ROV系統(tǒng)起升過(guò)程中的重量力矩;排纜器驅(qū)動(dòng)力矩。起升開始狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)本身慣性、ROV系統(tǒng)提升力、排纜器啟動(dòng)力矩均處于最大狀態(tài)，因此，此時(shí)絞車驅(qū)動(dòng)力矩最大，最大力矩可由公式(6)確定。

式中:T為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩(絞車驅(qū)動(dòng)力矩);TR為ROV系統(tǒng)所引起的轉(zhuǎn)矩;FZ——ROV系統(tǒng)絞車提升力;RJ——卷筒直徑;TS1——排纜器所引起的轉(zhuǎn)矩;TS2——排纜器雙向絲桿轉(zhuǎn)矩;i——卷筒及排纜器傳動(dòng)比;TJ卷筒自身引起的轉(zhuǎn)矩;Jj卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;V——絞車勻速提升速度。

2．2．3 絞車驅(qū)動(dòng)功率

系統(tǒng)工作工程可分為兩個(gè)階段:第一，提升階段，系統(tǒng)拖動(dòng)臍帶纜及ROV系統(tǒng)回收，馬達(dá)工作在馬達(dá)狀態(tài)。第二，釋放階段，臍帶纜及ROV系統(tǒng)拖動(dòng)絞車運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)工作在非馬達(dá)狀態(tài)。因此，驅(qū)動(dòng)功率均指臍帶纜在提升工況下的功率，勻速收纜時(shí)的功率由公式(7)計(jì)算。

式中:P為名義傳動(dòng)功率;T為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩(絞車驅(qū)動(dòng)力矩);V為ROV系統(tǒng)勻速收放纜時(shí)速度;R為卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

2．3 液壓缸最大負(fù)載

A-Frame LARS工作過(guò)程可分為準(zhǔn)備起吊、擺出、投放三個(gè)過(guò)程，回收為其逆過(guò)程。整個(gè)過(guò)程中，液壓缸負(fù)載較大位置有兩個(gè):第一，A-Frame LARS投放ROV＆TMS過(guò)程中，ROV＆TMS剛?cè)胨臅r(shí)刻。第二，A-Frame LARS回收ROV＆TMS過(guò)程中，加速提升的過(guò)程。

2．3．1 液壓缸最大推力負(fù)載

推力負(fù)載主要來(lái)自于 ROV＆TMS重力及 A-Frame自重，受力分析如圖1所示。

A-Frame從擺動(dòng)開始直到直立狀態(tài)，液壓缸均處于推力負(fù)載狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程運(yùn)動(dòng)緩慢，可看成勻速運(yùn)動(dòng)，易得公式(8):

整個(gè)擺動(dòng)過(guò)程中γ1逐漸增大，γ2、β逐漸變小，根據(jù)變化幅度的大小易判斷，F(xiàn)負(fù)推逐漸減小，因此，F(xiàn)負(fù)推最大值出現(xiàn)在ROV和TMS剛剛被提起的瞬間。

圖1 ROV收放系統(tǒng)水外受力分析Fig．1 The outside water force analysis of ROV LARS

2．3．2 液壓缸最大拉力負(fù)載

拉力從A-Frame呈現(xiàn)直立狀態(tài)開始。從直立狀態(tài)到最大擺角處受力分析如圖2所示。

圖2 ROV收放系統(tǒng)水內(nèi)收放系統(tǒng)Fig．2 The inside water force analysis of ROV LARS

整個(gè)擺動(dòng)過(guò)程速度很慢，可近似看成勻速擺動(dòng)，可看成平衡狀態(tài)，易得公式(9):

整個(gè)擺動(dòng)過(guò)程中，β、γ2逐漸增大，γ1逐漸減小。因此F負(fù)拉隨著擺出幅度的增大逐漸增大。GR+T隨著臍帶纜的下放長(zhǎng)度逐漸增大，因此當(dāng)臍帶纜下放長(zhǎng)度最長(zhǎng)時(shí)為F負(fù)拉最大值。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)深?？梢苿?dòng)式ROV臍帶纜收放系統(tǒng)的闡述，針對(duì)現(xiàn)有考察船A架及絞車系統(tǒng)存在的不足，給出了深?？梢苿?dòng)式ROV臍帶纜收放系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)及功能、系統(tǒng)工作過(guò)程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)主要參數(shù)的確定，提出了設(shè)計(jì)此類收放系統(tǒng)各部分主要參數(shù)及應(yīng)注意的問(wèn)題，望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)設(shè)計(jì)此類收放系統(tǒng)提供參考。

［1］ 中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略研究［M］．廣州:廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2007．

［2］ 張志文．起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2001．

［3］ 姚春冬，等．石油鉆采機(jī)械［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1994．

［4］ 陳育喜，張?bào)糜ⅲ詈OV臍帶纜絞車設(shè)計(jì)研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，(4):39—41．

［5］ Berteaux，H．O．et al．Improvement of Intermedia Oceanographic Winchs［K］．WHOI Reference，1985:85．