楊子赫

（杭州電子科技大學(xué),杭州 310018）

電磁吸附式海纜檢測(cè)ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊子赫

（杭州電子科技大學(xué),杭州 310018）

近年來(lái)海底電纜被廣泛投入使用，但海纜檢修困難，故障點(diǎn)尋測(cè)難度大；因此設(shè)計(jì)電磁吸附式海纜檢測(cè)潛航器，尋纜后水面操控人員操縱潛航器跨坐于海纜上方，使用電磁吸附裝置吸附海纜，使得潛航器能夠自主沿纜行進(jìn)，提高檢測(cè)效率。

海纜；尋測(cè)；潛航器；電磁吸附

1 設(shè)計(jì)背景

隨著跨地域能源輸送網(wǎng)絡(luò)的崛起，具有傳送超高電壓作用的海底電纜被廣泛投入到海底，以減少因異地輸電距離過(guò)大產(chǎn)生的高昂電力輸送成本。海纜鋪設(shè)于海床之上，由于水深對(duì)工程作業(yè)的限制，絕大多數(shù)海纜未經(jīng)掩埋，裸露于海床之上，且為方便后期維修，海纜一般投放在水深不超過(guò)300米的近海海域，這就意味著海纜面臨著被船只的拖網(wǎng)及錨鉤破壞的危險(xiǎn)。實(shí)際上，近些年來(lái)頻頻發(fā)生海底電纜被損害的事件，造成海纜漏電乃至斷路的嚴(yán)重后果，給生產(chǎn)生活帶來(lái)重大影響。目前診斷海底電纜故障的常規(guī)方法是：電力部門能根據(jù)供電系統(tǒng)自身功能確定故障點(diǎn)的大概位置，精確位置的確定交由專門的電力施工船定位；電力施工船行駛到故障點(diǎn)大致位置開(kāi)始下鉤拖纜上船，一段段尋找故障點(diǎn)，以進(jìn)行補(bǔ)修。該方法操作難度大，工時(shí)長(zhǎng)，成本高。因此，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，決定設(shè)計(jì)一種潛至水底，可沿纜前行，攜帶海纜故障檢測(cè)設(shè)備的水下機(jī)器人。

2 系統(tǒng)總體方案介紹

水下機(jī)器沿海纜騎行是檢測(cè)功能得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，因故障探棒的探測(cè)范圍限制，需使探棒位置保持在海纜上方一定范圍內(nèi)；而由于海底海流的影響，普通ROV（有纜機(jī)器人）的抗流能力都有一定的耐受值，因此若人為操縱ROV攜帶探棒進(jìn)行海纜檢測(cè)，對(duì)ROV的綜合性能及操作員的操作技術(shù)要求是極高的，且工作效率會(huì)大大降低。采用履帶或滾輪坐底式ROV可以滿足跨行海纜檢測(cè)的要求，能夠降低對(duì)海底電纜尋跡檢測(cè)的操作難度。

海纜巡檢的難度主要在于克服海流影響的同時(shí)能夠靈活的沿纜前進(jìn)，而上述分析的設(shè)備都是采用螺旋槳、履帶或滾輪實(shí)時(shí)控制航向。而巡纜檢測(cè)關(guān)鍵一點(diǎn)在于巡纜，可將海纜視作導(dǎo)軌，水下巡檢機(jī)器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)騎行其上，沿導(dǎo)軌前進(jìn)，并與導(dǎo)軌緊密相連，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)海纜的準(zhǔn)確檢測(cè)。ROV整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

海纜檢測(cè)潛航器的需要經(jīng)施工船載至一定海域，由船上絞車提升釋放，在水面操控人員的操縱下，利用其上的推進(jìn)型航行到海底電纜附近，使用水下LED燈照明，水下攝像機(jī)反饋視頻畫面到甲板，操控人員借此尋纜；尋纜后水面操控人員操縱潛航器跨坐于海纜上方，使用吸附裝置吸附海纜，使得潛航器能夠自主延纜行進(jìn)，同時(shí)利用其上搭載的探測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，提高效率。

3 海纜吸附組件工作原理

由于海纜施工成本高，因此海纜一般直徑在150mm以上，以滿足足夠的電力傳送需求；且海纜為了增加強(qiáng)度，防止普通的損壞，都會(huì)在外層纏繞10mm厚度的鋼絲保護(hù)層。本發(fā)明采用磁力吸住海纜的方案，設(shè)計(jì)了電磁騎行輪，其內(nèi)部環(huán)布若干條狀電磁鐵，交替供電產(chǎn)生磁力，使得滾輪翻滾向前，從而實(shí)現(xiàn)滾輪牽引設(shè)備沿纜前進(jìn)。吸附輪組件的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

下面詳細(xì)介紹電磁滾輪如何在通電后連續(xù)向前滾動(dòng)：電磁滾輪在卡入海纜后，由于均勻環(huán)布的電磁艙相鄰兩個(gè)夾角與正極刷塊的弧角相同，這就保障了電刷與正極刷塊的接觸只有兩種狀態(tài)：一是兩個(gè)電刷同時(shí)與正極刷塊接觸，一是一個(gè)電刷與正極刷塊接觸；由于負(fù)極刷塊與負(fù)極電環(huán)是全程摩擦接觸的，這就意味著電刷與正極刷塊接觸便構(gòu)成了回路，使得相應(yīng)的電磁艙產(chǎn)生磁力；吸引海纜中的鋼絲保護(hù)層，通電的弧形電磁艙會(huì)產(chǎn)生向海纜圓柱面貼合的趨勢(shì)；在輪轂與海纜的摩擦力阻礙下，電磁滾輪會(huì)向前滾動(dòng)以使電磁艙與海纜圓柱面貼合；當(dāng)通電的電磁艙貼合到位后，其緊鄰的電磁艙上的電刷便剛好與正極刷塊接觸，此時(shí)兩個(gè)電磁艙同時(shí)通電產(chǎn)生磁力，但二者的合力仍是斜向下的，此時(shí)，在力的作用下兩個(gè)通電的電磁艙仍會(huì)向前滾動(dòng)，以找到平衡點(diǎn)，但滾動(dòng)便會(huì)帶動(dòng)預(yù)先與海纜貼合的電磁艙上的電刷脫離正極刷塊，磁力消失，回到僅有一個(gè)電磁艙具有磁力的狀態(tài)，周而復(fù)始，電磁滾輪不斷前進(jìn)，進(jìn)而牽引設(shè)備整體沿纜前進(jìn)。

[1]張效龍,徐家聲.海纜安全影響因素評(píng)述[J].海岸工程,2003(02):1-7.[2017-09-17].

[2]俞宙.一種海纜巡檢ROV的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].杭州電子科技大學(xué),2014.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.125

楊子赫（1991-）,男,山東棗莊人,研究方向：水下機(jī)器人技術(shù)。