可控尾靶設(shè)計(jì)

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津 300451)

目前，為了提高勘探效率，海上石油地震勘探廣泛使用多線陣拖曳系統(tǒng)，而目前電纜尾部的尾靶只能夠定位，在船體轉(zhuǎn)彎時拖纜尾靶之間容易發(fā)生纏繞；特別在拖纜間距要求較窄的作業(yè)要求時，尾靶之間發(fā)生纏繞的可能性更大，給生產(chǎn)造成巨大損失。為了克服現(xiàn)有定位尾靶的缺點(diǎn)，提出了一種可控的拖纜定位尾靶，能夠定位拖纜尾部位置，尤其能夠控制拖纜尾部間距，避免拖纜發(fā)生纏繞。

本文提出的可控尾靶利用固定在系統(tǒng)支撐架上的聲學(xué)裝置對電纜尾部位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，然后通過微處理器控制傳動機(jī)構(gòu)的工作來實(shí)現(xiàn)舵攻角的變化，從而實(shí)現(xiàn)電纜尾部位置的調(diào)節(jié)，使各可控尾靶之間的距離達(dá)到設(shè)定目標(biāo)距離，滿足多纜作業(yè)的要求，從而提高生產(chǎn)作業(yè)的效率。

1 技術(shù)方案

可控尾靶主要由浮體模塊、電池組模塊、傳動機(jī)構(gòu)模塊、舵模塊以及尾標(biāo)系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊組成。浮體模塊為其他模塊的水上承載體，電池模塊在尾標(biāo)斷電的情況下提供電源，傳動機(jī)構(gòu)模塊、舵模塊及尾標(biāo)系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊提供尾標(biāo)控制及控制動力?？煽匚舶械恼w設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 可控尾靶組成示意

可控尾靶區(qū)別于以往簡單的浮筒式尾靶的核心在于舵的加入，而舵設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵問題有舵型的選擇、舵各幾何要素的確定以及傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.1 舵型的選擇

根據(jù)舵面積對轉(zhuǎn)動軸位置的分布將舵分為普通舵、平衡舵以及半平衡舵[1]，特點(diǎn)見表1。

表1 舵型的比較

根據(jù)可控尾靶的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境可知，可控尾靶作業(yè)時航行速度較低，對舵的強(qiáng)度高度要求不高，選用轉(zhuǎn)舵力矩較小的舵型可以降低功耗，因此通過比較選用加工方便，所需的轉(zhuǎn)舵力矩小的平衡舵。考慮到制造工藝的方便，舵的外形選擇為矩形。

1.2 舵各幾何要素的確定

1)平衡系數(shù)。平衡系數(shù)越大，舵葉的最大水動力力矩越小，即舵?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的轉(zhuǎn)舵力矩越??；舵的平衡系數(shù)葉不宜過大，否則在常用舵角范圍內(nèi)回舵時需要克服的轉(zhuǎn)舵力矩就可能較大，從而增加功耗。一般舵的平衡系數(shù)在0.15～0.50之間[2]，可控尾靶舵的平衡系數(shù)選為0.25。

2)NACA型剖面升力系數(shù)較大、阻力系數(shù)較小的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[3]。這類翼型前部半徑大，有利于帶舵尾靶的低速運(yùn)行。

3)展弦比對升力系數(shù)的影響見圖2，從尾靶的操縱性來看，希望在小舵角時升力系數(shù)Cy值較大。對某一舵，隨攻角α增大，升力系數(shù)也隨之增加。當(dāng)α比較小時，升力系數(shù)與之成線性關(guān)系。

圖2 展弦比對升力系數(shù)的影響

在相同攻角時，展弦比較大的舵在失速前具有較大的升力系數(shù)，但是臨界攻角較小。NACA型不同厚度比對升力系數(shù)Cy和阻力系數(shù)Cp的影響見圖3。

4)舵力影響因素。舵力的大小與舵角、舵葉浸水面積、舵相對水流的前進(jìn)速度和舵的斷面形狀等因素有關(guān)。舵的進(jìn)速增大，舵力也就明顯增大；當(dāng)舵速一定時，轉(zhuǎn)船力矩則隨舵角而變，當(dāng)船舵角達(dá)滿舵時，轉(zhuǎn)船力矩也達(dá)最大值。若繼續(xù)增大舵角，轉(zhuǎn)船力矩反而開始下降[4]。舵角處于25°～32°之間時，舵效最好。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，尾靶舵的轉(zhuǎn)動角度設(shè)置為-30°～30°之間，其中0～-30°與0～30°所需轉(zhuǎn)動力矩呈對稱相等關(guān)系，由圖2可知，在可控尾靶舵轉(zhuǎn)動常用角度15°～25°、-15°～-25°之間，展弦比為2時升力系數(shù)最大，在可控尾靶舵轉(zhuǎn)動常用角度15°～25°、-15°～-25°之間，厚度比為0.12時升力系數(shù)和阻力系數(shù)最合適，綜上所述舵葉剖面形狀采用NACA0012(厚度比為0.12)，展弦比為2。

按DNV(挪威船級社)規(guī)定計(jì)算舵面積

式中：L為浮體長度；T為吃水；Cb為方形系數(shù)(與浮體形狀有關(guān))；B為浮體寬度。根據(jù)尾靶浮體參數(shù)計(jì)算得A′=0.059 m2。因?yàn)闆]有螺旋槳，面積應(yīng)擴(kuò)大30%，計(jì)算有舵的面積A=0.08 m2。舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求為：轉(zhuǎn)動力矩大于25 N·m且小于196 N·m。

傳動機(jī)構(gòu)工作原理為傳動系統(tǒng)在接收到控制系統(tǒng)的指令后轉(zhuǎn)動電機(jī)，并通過減速器將速度降到設(shè)計(jì)值，帶動舵桿的轉(zhuǎn)動，使舵在規(guī)定功角下工作。傳動機(jī)構(gòu)控制電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)動方向、啟停位置。傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成圖見圖5。

圖5 傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

為了獲得較大的轉(zhuǎn)矩，選用蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，舵桿轉(zhuǎn)速為n2=0.1 r/min，選取減速器最大輸出軸轉(zhuǎn)矩為6 N·m，傳動機(jī)構(gòu)的效率η=0.3，則傳動比i=14.5，Z1=2。

根據(jù)蝸桿轉(zhuǎn)速、傳動比等條件選用ZA蝸桿，蝸桿材料采用35CrMo，表面淬火，硬度為45～50 HRC。蝸輪選用鑄鋁鐵青銅，金屬膜鑄造。

2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊組成見圖6。

圖6 控制驅(qū)動模塊組成

2.1 通信模塊

尾標(biāo)控制系統(tǒng)的通信模塊分為解調(diào)部分和調(diào)制部分。解調(diào)部分主要實(shí)現(xiàn)對船上控制單元下發(fā)的FSK信號進(jìn)行接收解調(diào)，并將解調(diào)出的信息傳輸至微處理器。調(diào)制模塊主要將單片機(jī)應(yīng)答的指令信號調(diào)制為FSK信號，并通過線圈發(fā)送到船載控制器DMU。

2.2 微處理器模塊

控制部分單片機(jī)，分主控單片機(jī)和輔控單片機(jī)。主控單片機(jī)完成與上位機(jī)的通訊、采集姿態(tài)數(shù)據(jù)和獲得聲學(xué)信息等功能，輔控單片機(jī)主要完成對電機(jī)部分的控制和舵角度反饋采集。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

選擇24 V電機(jī)，驅(qū)動單元供電采用升壓器件提供驅(qū)動電源，通過專用驅(qū)動芯片采用PWM方式驅(qū)動電機(jī)啟動、停止和剎車。

2.4 聲學(xué)接收處理模塊

聲學(xué)接收模塊的組成見圖7。

圖7 聲學(xué)接收模塊組成

聲學(xué)接收模塊和控制電路模塊通過串口線和控制線連接的，控制模塊通過FSK接收上位機(jī)的配置信息，并將配置信息傳輸給聲學(xué)模塊，聲學(xué)模塊依據(jù)配置信息選擇不同時間接收不同頻率的聲信號；當(dāng)控制模塊接收到同步指令時，就給聲學(xué)模塊發(fā)送一個啟動接收的信號，聲學(xué)模塊按照配置信息開始通過換能器進(jìn)行接收；當(dāng)控制模塊給聲學(xué)模塊一個停止接收信號，聲學(xué)模塊停止換能器的接收，并計(jì)算出每個信道接收信號的時延信息，將信息上傳給控制電路板，控制電路板按照數(shù)據(jù)格式要求發(fā)送給船載控制系統(tǒng)完成整個接收的工作過程。

2.5 通信方式

如圖8所示，尾標(biāo)依據(jù)聲學(xué)模塊解算出電纜相同節(jié)點(diǎn)處的時間延時信息或距離信息，將這個信息轉(zhuǎn)換為電纜之間的距離數(shù)據(jù)，通過位置控制算法計(jì)算出尾標(biāo)舵板需要調(diào)整的角度數(shù)據(jù)，傳輸給尾標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

圖8 位置控制數(shù)據(jù)流流向示意

具體的位置控制算法處理方式：計(jì)算某一電纜某一節(jié)點(diǎn)到基準(zhǔn)電纜相同節(jié)點(diǎn)之間的距離，將此距離與目標(biāo)距離進(jìn)行比較，利用比較的結(jié)果計(jì)算出的尾標(biāo)舵的角度數(shù)據(jù)，水平控制軟件將該角度數(shù)據(jù)發(fā)送給尾標(biāo)。

3 形成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

通過如下方式完成可控尾靶與船載系統(tǒng)之間的信息傳輸及控制。船上的拖纜水平控制主機(jī)向數(shù)據(jù)處理器(DMU)發(fā)送參數(shù)、角度等指令信息，數(shù)據(jù)處理器(DMU)將指令信息發(fā)送給電纜通信控制器(LIU)，電纜通信控制器(LIU)分析指令后，發(fā)送給相應(yīng)的電纜的水下設(shè)備；水下電纜上的設(shè)備(聲學(xué)鳥、水平鳥、尾標(biāo))傳送回位置信息和電纜設(shè)備的狀態(tài)信息，位置信息通過LIU和DMU進(jìn)行處理，傳送給導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算出每條電纜節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離信息，并將距離信息發(fā)送給拖纜水平控制主機(jī)，拖纜水平控制軟件依據(jù)這些距離信息計(jì)算出維持電纜按照目標(biāo)間距所需轉(zhuǎn)動的翼板攻角，發(fā)送給水下電纜上的尾標(biāo)，通過尾標(biāo)的舵攻角變化來調(diào)整電纜尾部之間的距離，使電纜尾部之間距離達(dá)到目標(biāo)間距。