徐良波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

水下絞車及其在實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)的應(yīng)用

徐良波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

為了實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境要素的實(shí)時(shí)傳輸，設(shè)計(jì)一種水下絞車控制通信浮標(biāo)升降。實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)利用測(cè)量?jī)x器測(cè)量海洋環(huán)境要素，水下絞車將通信浮標(biāo)升至海面通過(guò)衛(wèi)星通信將海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)桨墩?。本文主要講述水下絞車的工作原理和工作流程，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)突破了水下絞車自動(dòng)排纜的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境要素?zé)o人值守情況下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

水下絞車；實(shí)時(shí)傳輸；潛標(biāo)

0 引 言

水下絞車是一種安裝在水下主浮體或海底平臺(tái)上的無(wú)人值守機(jī)電一體化裝置，內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電纜收放，從而控制通信浮標(biāo)的升降。其主要功能是使通信浮標(biāo)藏匿于水中不受人為、臺(tái)風(fēng)、海浪等的破壞，并且在完成信息收集或測(cè)量后將通信浮標(biāo)升至海面。在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查中，經(jīng)常需要對(duì)海洋環(huán)境的海水溫度、海水電導(dǎo)率和壓力等海洋環(huán)境要素進(jìn)行長(zhǎng)期、定點(diǎn)、實(shí)時(shí)、立體監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)利用水下平臺(tái)所攜帶的設(shè)備完成海洋環(huán)境要素測(cè)量后，采用水下絞車放索將通信浮標(biāo)放出水面，通信浮標(biāo)通過(guò)衛(wèi)星通信方式將海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到岸站。完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，水下絞車通過(guò)收索將通信浮標(biāo)收回水下。

1 水下絞車設(shè)計(jì)

水下絞車主要由安裝架、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)索裝置、索筒、系留通信纜及水下電滑環(huán)等組成，水下絞車總體結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。驅(qū)動(dòng)裝置主要包括直流電機(jī)、減速器及制動(dòng)器等，其輸出動(dòng)力通過(guò)安裝在齒輪箱內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)排索機(jī)構(gòu)和索筒，從而帶動(dòng)系留通信電纜左右移動(dòng)纏繞在索筒上。水下絞車、雙向絲杠等均通過(guò)安裝接口與安裝架相連。減速器輸出與雙向絲杠、索筒間采用齒輪傳動(dòng)方式。電纜與外部控制間采用油壓補(bǔ)償式水下電滑環(huán)連接。系留通訊纜采用直徑不大于 8 mm 的承力電纜，系留通訊纜用于信號(hào)傳輸、采集通信浮標(biāo)深度信號(hào)等。系留通訊纜安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)的索筒上，通過(guò)油壓補(bǔ)償式水下電滑環(huán)將系留通訊纜上的通信浮標(biāo)信號(hào)與控制電路連接。為保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間水下工作，系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)采用耐腐蝕不銹鋼材料。系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、軸承等運(yùn)動(dòng)部位均進(jìn)行密封處理。

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)備選型及參數(shù)計(jì)算

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，動(dòng)力傳動(dòng)用電機(jī)參數(shù)：額定工作電壓 24 V，額定工作電流 9.4 A，額定轉(zhuǎn)速：3 710 r/min，額定轉(zhuǎn)矩 485 N·m，效率：83%。減速器參數(shù)：傳動(dòng)比308:1，最大輸出扭矩 120 N·m，傳遞效率：70%。制動(dòng)器參數(shù)：最大摩擦扭矩 0.4 N·m（制動(dòng)直流電機(jī)）。

根據(jù)設(shè)備選型對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，以收索來(lái)進(jìn)行計(jì)算，假定收索平均速度 5 m/min，假設(shè)水下絞車出索端直徑 200 mm，出索端索上的最大張力 Fmax= 1 000 N，則收（放）索時(shí)所需最大扭矩為（取索筒最大外徑200 mm）：

水下絞車出索端有效輸出最大功率要求為（按收索計(jì)算，不考慮傳動(dòng)效率及其他系統(tǒng)阻力）：

減速器輸出端額定轉(zhuǎn)速：

則系統(tǒng)所需功率：

減速器輸出端額定轉(zhuǎn)矩：

按卷索筒與減速器輸出端傳動(dòng)比為 1:1 計(jì)算，那么電纜收放最小速度：

電纜收放最大速度：

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝密封結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止海水腐蝕。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步實(shí)現(xiàn)排索和收、放索動(dòng)作。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)齒輪齒數(shù) Z1= 20，卷索筒繞索齒輪齒數(shù) Z2= 20 ，導(dǎo)索機(jī)構(gòu)排索齒輪 Z3= 60。卷索筒和導(dǎo)索機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)關(guān)系為 1:3，從而實(shí)現(xiàn)繞索、排索同步進(jìn)行。

1.3 導(dǎo)索裝置

排索機(jī)構(gòu)采用雙向絲杠方式，實(shí)現(xiàn)雙向排索。其主要工作原理為：在絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)索筒轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)絲杠帶動(dòng)導(dǎo)索機(jī)構(gòu)移動(dòng)，其移動(dòng)速度與索筒轉(zhuǎn)速相匹配。當(dāng)導(dǎo)索機(jī)構(gòu)到達(dá)絲桿一側(cè)時(shí)，導(dǎo)索機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)換向，實(shí)現(xiàn)反向排索。

1.4 水下絞車控制電路設(shè)計(jì)

水下絞車控制電路主要包括單片機(jī)、I/O 電路、隔離電路、串口通信接口、穩(wěn)壓模塊、深度傳感器、電流傳感器、穩(wěn)壓模塊、IPM 模塊、驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。串口用于接收上位機(jī)指令，讀取 FLASH 存儲(chǔ)器中的內(nèi)記數(shù)據(jù)。電流傳感器用來(lái)測(cè)量水下絞車驅(qū)動(dòng)回路中的電流，當(dāng)電流超出正常的工作電流時(shí)，控制系統(tǒng)切斷驅(qū)動(dòng)回路，確保驅(qū)動(dòng)電路和控制電機(jī)的安全。FLASH 存儲(chǔ)器用于存放浮標(biāo)升降運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的深度數(shù)據(jù)。深度傳感器用來(lái)測(cè)量通訊浮標(biāo)所處的深度，作為水下絞車控制的依據(jù)。水下絞車控制系統(tǒng)框圖如圖 2所示。單片機(jī)選用 ATmega128 單片機(jī)，該單片機(jī)是一款基于 AVR 單片機(jī)增強(qiáng)型 RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 CMOS八位微控制器。IPM 模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，IPM 模塊具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電源欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)及外部輸出的警報(bào)。單片機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)光耦送到IPM模塊的輸入端，6 路輸入信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)均相同，光耦起隔離 IPM 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的作用。

2 水下絞車在實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)中的應(yīng)用

潛標(biāo)如圖 3 所示，主要包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)、CTD測(cè)量系統(tǒng)、溫鹽鏈、水下絞車、主浮體、錨泊系統(tǒng)等。系統(tǒng)布放入水到達(dá)預(yù)定深度后，系統(tǒng)上電初始化，啟動(dòng)海洋環(huán)境要素測(cè)量，測(cè)量一段時(shí)間后，啟動(dòng)水下絞車放索將通信浮標(biāo)釋放到水面，通信浮標(biāo)露出水面后水下絞車停止放索并通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)將海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)傳送到岸站，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，水下絞車開(kāi)始收索，當(dāng)通信浮標(biāo)到達(dá)設(shè)定水深后停止收索，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)工作周期，如此循環(huán)往復(fù)直到工作結(jié)束。系統(tǒng)工作流程如圖 4 所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的提高，海洋開(kāi)發(fā)、海洋利用以及海洋調(diào)查工作將越來(lái)越重要。而海洋開(kāi)發(fā)和海洋工程的發(fā)展，都需要海洋調(diào)查和海洋監(jiān)測(cè)的支持，因此對(duì)水下絞車及其實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)的研究，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守條件下的海洋要素測(cè)量，以獲取海域海洋環(huán)境要素動(dòng)態(tài)狀況，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]趙進(jìn)平. 發(fā)展海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與思考[M] 北京: 海洋出版社, 2001.

[2]王俊杰. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2011.

[3]徐愛(ài)鈞. 智能化測(cè)量控制儀器原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[4]李潤(rùn)培, 王志龍. 海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1992.

[5]劉剛, 鄭云龍. 大開(kāi)口自升式海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)[J].中國(guó)海洋平臺(tái), 2001(3): 12–16.

[6]徐良波, 于文峰. 水下絞車及其在海洋內(nèi)波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(11): 132–133.

[7]MAVS-3 Operations Manual Version 4. 6 Nobska Development Corporation January 11, 2006. http://www.nobska.net.

[8]Excell 2" Low Power CTD Operation Manual, Version 1.5, Falmouth Scientific.

Underwater winch and the application to the real-time transmission latent buoyage

XU Liang-bo
(The 710 Research Institute of CSIC, Yichang 443003 China)

In order to transmit the ocean environment parameter which is measured by the instrument in the real-time transmission latent buoyage, the underwater winch is designed to control the communication buoy which is used to transmit data by the satellite communications. The work principle and flow of the underwater winch is narrated emphatically. The result of the experimentation shows the communication cable is coiled automatically and the ocean environment parameter is transmitted in due course.

the underwater winch；the real-time transmission；latent buoyage

TB565

A

1672–7619(2017)05–0132–03

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.026

2016–06–12；

2016–07–25

徐良波(1973–)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程裝備技術(shù)研究。