甘 進 董睿文 王 彬 吳振磊
(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學水下檢測技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (武漢長江航道救助打撈局3) 武漢 430014)
隨著長江水域不斷地發(fā)展,長江水域中包括航道整治工程排體的搭接、橋梁水下墩柱的沖刷狀況,以及大壩水下壩體的健康狀態(tài)等亟須檢測,以保證水下結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和安全.在流速大(流速超過1.5 m/s,可達3 m/s)的長江水域中進行精確且有效的檢測難度極大.趙鋼等[1]通過單波束掃描聲吶對水下結(jié)構(gòu)物掃測后發(fā)現(xiàn),在受到風浪的條件下進行地水下檢測難以反映水下結(jié)構(gòu)物的真實情況.來記桃[2]研究發(fā)現(xiàn)在復雜和急流環(huán)境條件下進行的水下檢測成果往往不夠直觀.
水下機器人(remote operated vehicle, ROV)是具有代表性的移動式水下檢測裝置,ROV技術(shù)成熟可靠,工作時間更長,已廣泛應(yīng)用于海上作業(yè)[3-5].ROV抗流性能弱,大多用于流速小的海域檢測.長江水域流速大,水下檢測系統(tǒng)要滿足在急流條件下進行水下檢測需要有較強的抗流性能,一般通過增強ROV動力裝置或者增大ROV重量提高ROV的抗流能力,但增強動力裝置的要求很高且價格昂貴,增大水下機器人重量又會使水下檢測系統(tǒng)體積增大,受到更大的來流阻力.
長江水域中水質(zhì)的渾濁會極大地影響到光學設(shè)備(如攝像機)的拍攝.聲吶設(shè)備受到水質(zhì)的影響較小,用ROV搭載聲吶設(shè)備完成對水下結(jié)構(gòu)物地水下檢測是目前主流的使用方式,該方法檢測的區(qū)域廣、操作靈活、功能多,能夠深入到水下復雜條件的海洋湖泊中進行檢測.在聲吶探測方面,圖像聲吶主要有:單波束掃描聲吶、多波束前視聲吶、三維成像聲吶、側(cè)掃聲吶等[6].同時,聲吶設(shè)備具有一定的重量,ROV搭載聲吶設(shè)備會使得ROV的重量增加,會導致水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的增加.
基于此,文中開發(fā)一套急流條件下的水下檢測系統(tǒng),通過探究流速、張力纜剛度系數(shù)、來流角度對水下檢測系統(tǒng)的影響,解決急流條件下水下結(jié)構(gòu)物水下檢測的難題,以保證水下結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和安全.
急流條件下的水下檢測系統(tǒng)主要包括ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備四個部分,選取便攜折疊式3 t吊機用以下放水下檢測系統(tǒng).整體設(shè)計方案見圖1.
圖1 整體方案設(shè)計圖
在選取BlueView BV5000水下三維全景成像聲吶設(shè)備的基礎(chǔ)上,以“江豚”IV-C作為ROV部分的研究對象.ROV驅(qū)動主要有以下三種驅(qū)動方式[7]:①采用電機驅(qū)動滑輪沿張力纜滾動的方式實現(xiàn)ROV的升降;②通過改變ROV體積來改變其在水中所受浮力,從而實現(xiàn)ROV的升降;③采用螺旋槳驅(qū)動的方式實現(xiàn)ROV的升降.受到ROV驅(qū)動方式的啟發(fā),決定主要利用①③相配合對ROV進行驅(qū)動.為使水下檢測系統(tǒng)在工作時保持穩(wěn)定,該水下檢測系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的錨纜系統(tǒng)避免ROV在急流下發(fā)生較大幅度地漂移以保證聲吶設(shè)備的正常檢測.在近海中多采用拉緊型、全錨鏈式系留方式、松弛式彈性系留方式.該水下檢測系統(tǒng)用于急流條件下的長江水域,故設(shè)計了張緊型錨纜系統(tǒng)包括張力纜和錨體部分,錨體采用重量為2.5 t純鐵塊,錨體可使張力纜的張力達到約20 kN.
張緊型錨纜系統(tǒng)中的張力纜選取18×19+IWS(鋼芯)鋼絲繩,表1為張力纜參數(shù).
表1 張力纜參數(shù)
抱纜裝置整體結(jié)構(gòu)是以齒輪傳動為主體的聯(lián)動機構(gòu),依靠抱纜裝置提供的摩擦力實現(xiàn)ROV與張力纜的相對固定,其具體結(jié)構(gòu)見圖2.主動齒輪、直流無刷電機、滾珠絲桿螺母副、從動齒輪、拉力傳動桿共同構(gòu)成了齒輪的聯(lián)動機構(gòu),將電機所傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成拉力,利用拉力傳動桿將拉力傳遞到張力纜抱緊環(huán)之上,從而實現(xiàn)將拉力轉(zhuǎn)換為壓力傳遞給張力纜座,實現(xiàn)張力纜座與張力纜之間的摩擦固定.
圖2 抱纜裝置整體結(jié)構(gòu)細節(jié)圖
步驟1對作業(yè)環(huán)境進行評估(包括流速、風速等),并完成對水下檢測系統(tǒng)各部分的常規(guī)檢測,保證水下檢測系統(tǒng)各部分的正常運行.
步驟2完成ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備的獨立安裝并運送至工程船上.
步驟3下放張緊型錨纜系統(tǒng),控制吊機將錨體沉放到水底進行錨泊定位,使張力纜處于張緊狀態(tài)成為ROV下運動的軌道,將ROV降到指定位置;
步驟4對ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備進行連接安裝,將聲吶設(shè)備安裝在ROV上,張緊型錨纜系統(tǒng)的張力纜與ROV通過抱纜裝置相連接.待水下檢測系統(tǒng)安裝完畢后,啟動吊機,通過吊機將水下檢測系統(tǒng)移動到水下結(jié)構(gòu)物處,利用ROV搭載的聲吶設(shè)備對水下結(jié)構(gòu)物進行快速且有順序地掃描,實現(xiàn)整體外形測繪;
步驟5通過控制ROV與吊機的運動,將水下檢測系統(tǒng)移動到水下結(jié)構(gòu)物的重點區(qū)域,實現(xiàn)對重點區(qū)域的檢測,獲得相應(yīng)的聲吶成像圖像;
步驟6完畢之后進行水下檢測系統(tǒng)的拆除,包括回收ROV、抱纜裝置、張緊型錨纜系統(tǒng)以及聲吶設(shè)備,進行張緊型錨纜系統(tǒng)的張力纜與ROV連接處抱纜裝置的拆除以及聲吶設(shè)備的拆除等.
在AQWA中設(shè)置水深為60 m,水下檢測系統(tǒng)布置在深度30 m處,張力纜設(shè)置為60 m.張力纜布置在機器人的首部,通過ROV抱纜裝置上的滾輪以及抱緊環(huán)的卡鎖進行升降和固定.水下檢測系統(tǒng)實際模型結(jié)構(gòu)形式較為復雜,在AQWA的計算分析模型中對水下檢測系統(tǒng)進行適當?shù)暮喕瓌t上在保證計算收斂的基礎(chǔ)上,最大程度上還原真實模型,水下檢測系統(tǒng)數(shù)值計算模型見圖3a).
水下檢測系統(tǒng)水動力模型整體坐標系定義:①X方向為浮體的長度(縱向)方向;②Y方向為浮體的寬度(橫向)方向;③Z方向為浮體的高度(垂向)方向;④風、浪、流入射方向與X軸正方向之間的夾角定義為入射角,逆時針方向為正.0°表示X軸正方向與波浪傳播方向一致,其坐標選取見圖3b).數(shù)據(jù)記錄時,0°表示水下檢測系統(tǒng)遭遇迎浪迎流,90°表示水下檢測系統(tǒng)遭遇橫浪橫流,與計算角度相差180°.
圖3 水下檢測系統(tǒng)數(shù)值計算模型圖和坐標示意圖
AQWA基于三維勢流理論計算波浪場中的浮體受到的波浪荷載,視流體為理想流體,無旋、不可壓縮,不考慮流體粘性.AQWA 的分析模塊主要包括:AQWA-Line輻射衍射計算、AQWA-Fre不規(guī)則波頻域計算、AQWA-Librium系泊纜索的初始靜動穩(wěn)定計算、AQWA-Drift慢漂流的隨機波浪時域計算、AQWA-Naut規(guī)則波和不規(guī)則波的非線性時域計算.基于AQWA并針對急流條件下的水下檢測系統(tǒng)在波浪和流的聯(lián)合載荷作用下的張力纜張力和運動響應(yīng)等問題[8],應(yīng)用AQWA-Line進行輻射衍射分析,通過AQWA-Naut求解在特定載荷作用下,水下檢測系統(tǒng)的張力纜張力和運動響應(yīng)的時間歷程,對水下檢測系統(tǒng)的張力纜張力和運動響應(yīng)進行分析.
AQWA中可通過建立與求解分布源積分方程和運動微分方程,得到流場的總速度勢、附加質(zhì)量和附加阻尼.由于急流條件下的水下檢測系統(tǒng)在實際工作過程中完全浸沒于水中,因此不受到風荷載的作用,計算過程中只需考慮波浪和流對結(jié)構(gòu)的影響.模型計算過程中僅考慮ROV以及張緊型錨纜系統(tǒng)的運動響應(yīng)等問題,將流荷載考慮為定常載荷,AQWA中對于定常流載荷的處理方式是用戶自己定義各方向的流載荷系數(shù),AQWA根據(jù)系數(shù)與給定的流速度和方向來計算流載荷.
在AQWA計算分析過程中,需要設(shè)置模型的重心位置和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù),水下檢測系統(tǒng)中ROV的重心及轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)參數(shù)見表2,其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量是通過ANSYS的static structure分析模塊求得.
表2 水下檢測系統(tǒng)數(shù)值計算模型參數(shù)
通過頻域計算分析,該水下檢測系統(tǒng)的附加質(zhì)量幾乎沒有發(fā)生改變,橫搖附加質(zhì)量約為29.61 kg,縱搖附加質(zhì)量約為41.08 kg,橫搖阻尼與縱搖阻尼很小幾乎為零.該水下檢測系統(tǒng)在迎浪0°與逆浪180°,斜浪45°與斜浪135°浪向角下,橫搖幅值響應(yīng)算子與縱搖幅值響應(yīng)算子的值十分接近.圖4為橫搖和縱搖幅值響應(yīng)算子,橫搖幅值響應(yīng)算子RAO在波浪角度為橫浪90°且頻率為0.1 Hz時,數(shù)值最大可到達0.85.縱搖幅值響應(yīng)算子RAO在波浪角度為迎浪0°且頻率為0.1 Hz時,數(shù)值最大可到達0.74.由頻域掃頻結(jié)果可知,水下檢測系統(tǒng)最危險波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s),因此時域計算時取波浪頻率為0.1 Hz(0.16 rad/s),計算最危險波浪頻率下水下檢測系統(tǒng)的運動響應(yīng).水下檢測系統(tǒng)檢測時所受環(huán)境載荷參數(shù)見表3.
圖4 橫搖、縱搖幅值響應(yīng)算子
表3 環(huán)境載荷參數(shù)
3.2.1流速的影響分析
結(jié)合水下檢測系統(tǒng)在急流條件下的檢測環(huán)境,分析在張力纜剛度系數(shù)為160 kN/m,迎流0°時,不同流速下的張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng),其計算結(jié)果見表4.
表4 不同流速下的張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)
由表4可知:隨著流速的遞減,水下檢測系統(tǒng)在X(縱向)位移減小,其他運動響應(yīng)參數(shù)也在不斷地減?。嬎惆l(fā)現(xiàn),RY(縱搖)角度較大,這是由于迎流0°時,在流荷載的沖擊下水下檢測系統(tǒng)點頭效應(yīng)(縱搖)比較明顯.在3 m/s流速下,RY(縱搖)角度為7.07°,此時水下檢測系統(tǒng)可利用自身的浮力與ROV自身的螺旋槳推力使水下檢測系統(tǒng)在急流條件下保持較好的穩(wěn)定性,保證聲吶設(shè)備在水下進行檢測.
3.2.2張力纜剛度系數(shù)的影響分析
為保證水下檢測系統(tǒng)在張力纜約束作用下水下檢測的穩(wěn)定性,分析討論張力纜剛度系數(shù)對水下檢測系統(tǒng)在檢測過程中的運動響應(yīng)的影響.對于抱纜裝置而言,抱緊環(huán)最大直徑為18 mm,合金鋼的彈性模量為206 GPa,張力纜最大剛度系數(shù)約為1 700 kN/m.選取小一寸直徑的鋼絲繩,即直徑為14 mm的張力纜,張力纜最小剛度系數(shù)約為120 kN/m,見表5.計算在3 m/s流速,迎流0°時,不同張力纜剛度系數(shù)對張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響.
表5 不同張力纜剛度系數(shù)對張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響
由表5可知:隨著張力纜剛度系數(shù)的變化,水下檢測系統(tǒng)位移與轉(zhuǎn)角變化呈現(xiàn)出相同的趨勢.降低張力纜剛度系數(shù)會使得張力纜對水下檢測系統(tǒng)的約束作用降低從而導致水下檢測系統(tǒng)運動幅值的增加.為保證水下檢測系統(tǒng)檢測時的穩(wěn)定性以及檢測結(jié)果的可靠性,需限制搭載聲吶設(shè)備的ROV的位移和轉(zhuǎn)角,在檢測過程中最好采用張力纜剛度系數(shù)較大的張力纜,更有利于聲吶設(shè)備的穩(wěn)定探測.在3 m/s流速下,采用剛度系數(shù)為160 kN/m的張力纜,可保證聲吶設(shè)備的正常檢測.
3.2.3來流角度的影響分析
為保證水下檢測系統(tǒng)能在多角度來流的沖擊下穩(wěn)定地進行水下檢測,將主要探討在3 m/s流速,張力纜剛度系數(shù)為160 kN/m時,不同來流角度對張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響,見表6.
表6 不同來流角度對張力纜張力以及水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的影響
由表6可知:在來流角度增大時,Y(橫向)受流荷載沖擊越來越大從而導致RX(橫搖)角度和Y(橫向)位移有明顯增長的趨勢,X(縱向)位移有明顯減小的趨勢,其他運動響應(yīng)參數(shù)略微減小.來流角度對水下檢測系統(tǒng)的運動響應(yīng)影響較大,需要多考慮來流角度的影響,水下檢測系統(tǒng)應(yīng)該以較好的姿態(tài)來減少大角度來流所帶來的影響.來流角度較小時RX(橫搖)角度較小且Y(橫向)位移的偏移較小,檢測時來流角度小于20°,可保持水下檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性保證聲吶設(shè)備的檢測.
1) 根據(jù)急流條件下水下檢測系統(tǒng)水下檢測的實際情況,確定了多種檢測工況,計算了在不同流速、張力纜剛度系數(shù)、來流角度的運動響應(yīng)水平.根據(jù)計算結(jié)果可知,在來流角度小于20°的急流條件下,采用錨體為2.5 t純鐵塊且張力纜為剛度系數(shù)到達160 kN/m的鋼絲繩18×19+IWS(鋼芯)的張緊型錨纜系統(tǒng),可滿足聲吶設(shè)備正常檢測和水下檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求,使得水下檢測系統(tǒng)能夠良好地進行檢測工作.在實際工程中,應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整好水下檢測系統(tǒng)在水下檢測時的姿態(tài)并采用錨體重量較大與張力纜剛度系數(shù)較大的張力纜以增強穩(wěn)定性,可保證聲吶設(shè)備正常檢測.
2) 文中所采用的基于水動力分析軟件AQWA分析水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)的數(shù)值分析方法,能用于評估水下檢測系統(tǒng)的合理性和安全性;計算多種檢測工況下的水下檢測系統(tǒng)運動響應(yīng)等,為急流條件下的水下檢測系統(tǒng)提供技術(shù)保障;在方案設(shè)計上,提出了張緊型錨纜系統(tǒng)約束ROV,使得水下檢測系統(tǒng)在急流條件下的檢測具有更好的穩(wěn)定性,為急流條件下的水下檢測系統(tǒng)進一步優(yōu)化設(shè)計提供了可能性.