A架式遙控水下機器人收放系統(tǒng)設(shè)計研究

楊 凱

(杭州電子科技大學海洋工程中心，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用，是當前技術(shù)最成熟、使用最廣泛、最經(jīng)濟實用的一類潛水器。在ROV系統(tǒng)中，收放系統(tǒng)為ROV出入海提供了可靠保證。

國內(nèi)相關(guān)單位在20世紀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)具有與國際專業(yè)公司同等的設(shè)計能力和技術(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Saab Seaeye公司的A形架式收放系統(tǒng)、英國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和牽引;光電保證光信號及電信號的傳輸不因為旋轉(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

排纜部分由導桿部分、雙向絲桿部分、導向部分組成。導桿部分負責導向部分按照規(guī)定角度橫向運動;雙向絲桿部分可通過其所帶飛輪傳遞卷筒軸轉(zhuǎn)矩，為導向部分提供橫向動力，使導向部分往復運動;導向部分有絲桿螺母，保證導向部分往復運動，通過臍帶纜的導向槽對臍帶纜進行導向，導向槽側(cè)面裝有尼龍滾子，可減少臍帶纜同導向槽間摩擦。

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;保護架對卷筒及液壓動力單元具有保護作用，防止工作中無關(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，通過液壓缸提供推拉力，確保A架順利擺入擺出;定滑輪具有導向作用;門架對定滑輪具有支撐作用，保證ROV＆TMS能夠順利進出母船圍欄。

1．5 液壓動力單元(HPU)

本部分由驅(qū)動部分、執(zhí)行部分、控制部分構(gòu)成。驅(qū)動部分為油路提供動力;執(zhí)行部分為液壓缸，將壓油路提供的動力傳遞給絞車及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)完成指定動作。

2 A-Frame LARS主要設(shè)計參數(shù)

2．1 卷筒尺寸

卷筒尺寸主要有卷筒的直徑、卷筒的厚度、卷筒的長度三個參數(shù)。

2．1．1 卷筒直徑

卷筒直徑可由公式(1)進行初步確定。

式中 d為臍帶纜直徑;e為卷筒直徑比，流動式起重機建議取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，彎曲過大容易造成臍帶纜損壞。在不使臍帶纜過于彎曲的前提下，應設(shè)計的偏小一些，利于減小絞車重量，減輕絞車起升動載。

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 多層卷筒長度

多層卷筒長度可由公式(3)初定。

式中 L為卷筒長度;D筒為卷筒直徑。

卷筒長度設(shè)計過程中需滿足公式(4)。

式中 L筒為卷筒長度;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'，當滾筒軸轉(zhuǎn)速 nmax＞100r/min時，選取λ=1°15';當滾筒軸轉(zhuǎn)速 nmax＞100r/min時，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)計中應以此極限狀態(tài)設(shè)計。

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)動力矩

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

式中:T為液壓馬達轉(zhuǎn)矩(絞車驅(qū)動力矩);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——卷筒及排纜器傳動比;TJ卷筒自身引起的轉(zhuǎn)矩;Jj卷筒轉(zhuǎn)動慣量;V——絞車勻速提升速度。

2．2．3 絞車驅(qū)動功率

系統(tǒng)工作工程可分為兩個階段:第一，提升階段，系統(tǒng)拖動臍帶纜及ROV系統(tǒng)回收，馬達工作在馬達狀態(tài)。第二，釋放階段，臍帶纜及ROV系統(tǒng)拖動絞車運動，馬達工作在非馬達狀態(tài)。因此，驅(qū)動功率均指臍帶纜在提升工況下的功率，勻速收纜時的功率由公式(7)計算。

式中:P為名義傳動功率;T為液壓馬達轉(zhuǎn)矩(絞車驅(qū)動力矩);V為ROV系統(tǒng)勻速收放纜時速度;R為卷筒轉(zhuǎn)動半徑。

2．3 液壓缸最大負載

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

2．3．1 液壓缸最大推力負載

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

A-Frame從擺動開始直到直立狀態(tài)，液壓缸均處于推力負載狀態(tài)，整個過程運動緩慢，可看成勻速運動，易得公式(8):

整個擺動過程中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)負推逐漸減小，因此，F(xiàn)負推最大值出現(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

整個擺動過程速度很慢，可近似看成勻速擺動，可看成平衡狀態(tài)，易得公式(9):

整個擺動過程中，β、γ2逐漸增大，γ1逐漸減小。因此F負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度逐漸增大，因此當臍帶纜下放長度最長時為F負拉最大值。

3 總結(jié)

通過對深海可移動式ROV臍帶纜收放系統(tǒng)的闡述，針對現(xiàn)有考察船A架及絞車系統(tǒng)存在的不足，給出了深海可移動式ROV臍帶纜收放系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)及功能、系統(tǒng)工作過程。通過對系統(tǒng)主要參數(shù)的確定，提出了設(shè)計此類收放系統(tǒng)各部分主要參數(shù)及應注意的問題，望能夠為國內(nèi)設(shè)計此類收放系統(tǒng)提供參考。

［1］ 中國海洋經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略研究［M］．廣州:廣東經(jīng)濟出版社，2007．

［2］ 張志文．起重機設(shè)計手冊［K］．北京:中國鐵道出版社，2001．

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

［4］ 陳育喜，張竺英．深海ROV臍帶纜絞車設(shè)計研究［J］．機械設(shè)計與制造，2010，(4):39—41．

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