信號(hào)浮標(biāo)布放回收裝置研制

侯 彬，曾釹釙，高 劍，朱 剛

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

0 引言

根據(jù)建造的東遠(yuǎn)01穿浪雙體工作船的使用要求，進(jìn)行信號(hào)浮標(biāo)布放回收裝置研制，其主要功能是對(duì)浮出水面的信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)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(jì)一套動(dòng)態(tài)機(jī)械式自動(dòng)布放回收信號(hào)浮標(biāo)裝置，將傳統(tǒng)依靠潛水員下水回收浮標(biāo)的人工操作方式，改變?yōu)榇诤叫兄凶詣?dòng)捕捉回收浮標(biāo)的動(dòng)態(tài)方式。同時(shí)整套裝置利用雙體船艉部片體進(jìn)行安裝，很好地保證了信號(hào)浮標(biāo)動(dòng)態(tài)回收工作的隱蔽性。V型結(jié)構(gòu)打撈架的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)的自動(dòng)回收，保證了信號(hào)浮標(biāo)的回收效率，并提高了整個(gè)信號(hào)浮標(biāo)回收的作業(yè)效率及安全性與可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 裝置組成

1.1.1 V型結(jié)構(gòu)打撈架

為保證信號(hào)浮標(biāo)從船底片體間通過(guò)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(biāo)在水中的浮標(biāo)相適應(yīng)。導(dǎo)向架長(zhǎng)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(hào)浮標(biāo)不會(huì)從導(dǎo)向架與船體間的空隙處穿過(guò)。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(hào)浮標(biāo)［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?jī)蓚?cè)，可進(jìn)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(dòng)電機(jī)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(hào)浮標(biāo)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(jī)，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(zhǎng)4.2m。在起吊裝置的吊鉤處設(shè)置有機(jī)械手，通過(guò)軟軸控制裝置進(jìn)行控制，在打撈信號(hào)浮標(biāo)時(shí)，控制機(jī)械手的開(kāi)啟對(duì)信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)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(shí)也很難在船外看見(jiàn)，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(zhǔn)備

a.根據(jù)浮標(biāo)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(biāo)位置。

c.浮標(biāo)起吊裝置吊點(diǎn)是否在浮標(biāo)預(yù)定位起吊點(diǎn)上方位置。

d.各操作點(diǎn)人員是否到齊。

1.2.2 工作流程

整個(gè)布放過(guò)程的工作順序極其簡(jiǎn)潔，該船在信號(hào)浮標(biāo)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(kāi)有帶蓋自動(dòng)投放圓口，船在行駛過(guò)程中，打開(kāi)艙蓋并準(zhǔn)備好信號(hào)浮標(biāo)，根據(jù)船速與信號(hào)浮標(biāo)間隔要求，直接人工拋送或使用浮標(biāo)起吊裝置進(jìn)行吊裝拋送。

整個(gè)回收過(guò)程的工作順序主要由以下幾個(gè)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(kāi)，然后合上斷路器給變頻器上電，變頻器此時(shí)將進(jìn)行初次上電后的自檢，自檢時(shí)間大約幾秒鐘。在確認(rèn)電氣和機(jī)械上沒(méi)有任何故障出現(xiàn)的情況下，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向架升降電機(jī)按鈕，導(dǎo)向架降落到打撈浮標(biāo)的預(yù)定高度，停止升降電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

b.浮標(biāo)攔截及導(dǎo)向架提升。浮標(biāo)通過(guò)雙體船片體中部進(jìn)入導(dǎo)向架，因V型結(jié)構(gòu)打撈架的導(dǎo)向作用，浮標(biāo)被攔截到導(dǎo)向架并進(jìn)行定位，確認(rèn)浮標(biāo)被攔截定位后，反向旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向架升降電機(jī)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(biāo)。浮標(biāo)被導(dǎo)向架提升起來(lái)以后，操作起吊裝置，讓吊點(diǎn)在被定位浮標(biāo)的正上方，放下吊具，此時(shí)人工用一個(gè)帶鎖頭的長(zhǎng)竿輔助吊具抓住浮標(biāo)，然后操作起吊裝置提升浮標(biāo)，旋轉(zhuǎn)平移到船體主甲板內(nèi)，放下浮標(biāo)。與此同時(shí)，可以操作導(dǎo)向架降落到浮標(biāo)攔截位置，進(jìn)行下一個(gè)浮標(biāo)回收。

整個(gè)回收過(guò)程需要3人對(duì)此裝置進(jìn)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(hào)浮標(biāo)。根據(jù)以上控制步驟，調(diào)整導(dǎo)向架到適當(dāng)位置，當(dāng)信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)入導(dǎo)向架并被攔截時(shí)，控制導(dǎo)向架升降電機(jī)提升導(dǎo)向架及架內(nèi)浮標(biāo)，待浮標(biāo)脫離水面用人工輔助吊具抓住浮標(biāo)，然后控制起吊電機(jī)提升浮標(biāo)，并控制起吊平移電機(jī)與起吊回轉(zhuǎn)電機(jī)，把浮標(biāo)收放到船體主甲板適當(dāng)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(jì)

東遠(yuǎn)01穿浪雙體工作船為全鋁合金高速雙體船，對(duì)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(duì)船體產(chǎn)生過(guò)大影響，如何在盡可能輕的前提下保證裝置的強(qiáng)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(hào)浮標(biāo)回收的隱蔽性，這些都給裝置的總體設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度。

為了解決這一情況，在裝置的設(shè)計(jì)中，主材選擇與船體同質(zhì)的高強(qiáng)度鋁合金（5083）材料，避免材料的不同性造成的腐蝕性問(wèn)題。通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)V型結(jié)構(gòu)打撈架及軌道裝置進(jìn)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(qiáng)度的前提下進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(gè)作業(yè)空間處于上甲板與主甲板之間，實(shí)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(jì)

為保證信號(hào)浮標(biāo)從船底片體間通過(guò)后順利的回收，設(shè)計(jì)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(biāo)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(shí)V型結(jié)構(gòu)打撈架水下部分進(jìn)行了局部硫化，對(duì)信號(hào)浮標(biāo)在回收過(guò)程的碰撞起到了緩沖作用，進(jìn)一步保證了信號(hào)浮標(biāo)回收的可靠性與安全性。

2.3 動(dòng)態(tài)捕捉、定位及回收

傳統(tǒng)信號(hào)浮標(biāo)回收一般需停船通過(guò)潛水員下水回收，其回收效率低且安全性低。另外信號(hào)浮標(biāo)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(jì)出一種適應(yīng)在航行條件下對(duì)信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)行捕捉、定位及回收的可靠裝置。

在裝置的設(shè)計(jì)中，對(duì)雙體船結(jié)構(gòu)及各種信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)行綜合分析比較，利用雙體船片體在行駛過(guò)程中自然形成的水流，設(shè)計(jì)出的V型結(jié)構(gòu)打撈架可實(shí)現(xiàn)信號(hào)浮標(biāo)的捕捉與定位，提升V型結(jié)構(gòu)打撈架，即實(shí)現(xiàn)航行中對(duì)信號(hào)浮標(biāo)的動(dòng)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(guò)電機(jī)帶動(dòng)雙螺旋絲桿實(shí)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的細(xì)微差別將直接放大左、右舷絲杠的直線距離誤差。同時(shí)回收作業(yè)中V型結(jié)構(gòu)打撈架重復(fù)進(jìn)行入水、出水的動(dòng)作，也會(huì)導(dǎo)致負(fù)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(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)編碼器記錄行程，在極限位進(jìn)行誤差校正清零。同時(shí)采用主從控制技術(shù)，通過(guò)設(shè)置左舷電機(jī)為主動(dòng)電機(jī)，右舷電機(jī)為從動(dòng)電機(jī)，其速度根據(jù)閉環(huán)控制反饋進(jìn)行動(dòng)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(dá)到左、右舷螺旋絲杠的精密同步升降，從而可靠地保護(hù)了V型結(jié)構(gòu)打撈架，避免因左、右舷升降誤差過(guò)大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。

2.5 船體片體變形對(duì)裝置的影響

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

針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)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(guò)銅滑塊活動(dòng)連接，從而很好地減少了船體左右舷片體變形對(duì)裝置安裝及運(yùn)行帶來(lái)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(gòu)件檢驗(yàn)合格后，對(duì)各零部件進(jìn)行了防腐蝕預(yù)先處理，然后才開(kāi)始產(chǎn)品的組裝工作。在組裝過(guò)程中，嚴(yán)格按照工序進(jìn)行組裝。所有部件組裝完成后，開(kāi)始各部件陸上調(diào)試，調(diào)試無(wú)誤后的部件方可進(jìn)行系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)試驗(yàn)；為了避免信號(hào)干擾，所有電纜均采用鎧裝船用電纜，布線時(shí)還將強(qiáng)電和弱電分開(kāi)走線。

根據(jù)《信號(hào)浮標(biāo)布放回收裝置試驗(yàn)大綱》和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》要求，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分項(xiàng)調(diào)試和整機(jī)調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中專門設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)臺(tái)架，按照雙體船片體結(jié)構(gòu)及基座情況進(jìn)行安裝。還配備了模擬重物，對(duì)裝置的提升能力和同步性進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)。對(duì)安裝過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)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(yàn)

功能試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)該裝置的各部件單獨(dú)運(yùn)行情況，以及協(xié)同運(yùn)行情況。

在模擬試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)絲桿裝置通電運(yùn)行，檢驗(yàn)起動(dòng)、停止、上升、下降以及急停等功能。檢驗(yàn)絲桿全程運(yùn)行是否通暢，絲桿螺母滑塊在軌道裝置中運(yùn)行是否有摩擦卡滯現(xiàn)象；試驗(yàn)過(guò)程中各功能均滿足設(shè)計(jì)要求，并無(wú)摩擦卡滯情況出現(xiàn)。

3.2 同步性試驗(yàn)

同步性試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)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(yàn)臺(tái)架上對(duì)絲桿裝置通電運(yùn)行，該裝置設(shè)有高、中、低速及點(diǎn)動(dòng)。同步性試驗(yàn)是在不同速度模式下進(jìn)行起停、上升與下降操作，通過(guò)裝在絲桿端部的旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)其同步性進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的同步性誤差（實(shí)時(shí)顯示于控制柜上）均在設(shè)計(jì)允許范圍以內(nèi)，滿足使用要求。

3.3 負(fù)荷試驗(yàn)

負(fù)荷試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)該裝置在負(fù)載下的運(yùn)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(jìn)行提升、停止、下降及點(diǎn)動(dòng)操作，重復(fù)試驗(yàn)多次。試驗(yàn)過(guò)程中時(shí)刻觀察其同步性誤差，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行了全面檢查，絲桿、V型結(jié)構(gòu)打撈架無(wú)任何變形及缺陷。

3.4 系泊航行試驗(yàn)

系泊航行試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)裝置在海上行船以及實(shí)際浮標(biāo)回收情況。

裝置成功通過(guò)出所驗(yàn)收后，又進(jìn)行了裝船驗(yàn)收以及系泊航行試驗(yàn)驗(yàn)收，按照《信號(hào)浮標(biāo)打撈裝置裝船驗(yàn)收大綱》及《系泊、航行試驗(yàn)大綱》的要求，對(duì)上述試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并在海上對(duì)實(shí)際信號(hào)浮標(biāo)進(jìn)行回收，如圖2～圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置各項(xiàng)性能滿足使用要求，成功交付用戶使用。

圖2 信號(hào)浮標(biāo)起吊裝置

圖3 信號(hào)浮標(biāo)的回收

4 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)浮標(biāo)布放回收裝置的設(shè)計(jì)均建立在深入分析和詳細(xì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，所有的零部件均滿足強(qiáng)度要求和使用功能要求，設(shè)備和元器件選用時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、通用化原則。產(chǎn)品生產(chǎn)制造嚴(yán)格按照質(zhì)量保證體系要求和圖紙要求進(jìn)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(hào)浮標(biāo)動(dòng)態(tài)布放回收裝置各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均滿足使用要求，已在東遠(yuǎn)01雙體工作船上使用4年。經(jīng)過(guò)實(shí)船操作、使用，證明整套裝置設(shè)計(jì)合理、導(dǎo)向架功能簡(jiǎn)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(hào)浮標(biāo)打撈作業(yè)的安全性和工作效率，具有較大的社會(huì)、軍事和經(jīng)濟(jì)效益。裝置對(duì)類似布放回收裝置的設(shè)計(jì)具有重要的推廣作用和參考意義。

［1］ 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).3版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.