“蛟龍”號載人潛水器的布放回收系統(tǒng)及其關鍵技術

魯?shù)氯?李德威,楊磊,劉保華

(國家深海基地管理中心 青島 266237)

0 引言

隨著各國大力推進海洋探索和開發(fā)進程,各類潛水器技術得到迅速發(fā)展。潛水器母船的布放回收系統(tǒng)負責完成潛水器在母船與海水中的轉(zhuǎn)移,為使?jié)撍髟趷毫雍r下順利開展下潛作業(yè),布放回收系統(tǒng)必須具備抗大風浪的能力[1-7]。目前布放回收系統(tǒng)在無人潛水器領域已獲得廣泛應用,其升沉補償功能趨于成熟[8-19]。隨著“海馬”號和“海龍”號等無人潛水器的研制和應用,我國對無人潛水器的布放回收系統(tǒng)開展大量研究工作[15-19]。

與無人潛水器相比,載人潛水器具有更大的重量和外形尺寸,更重要的是具有“載人”的性質(zhì),因而其布放回收系統(tǒng)須具有更高的安全性和可靠性。目前世界上共有5個國家擁有深海載人潛水器,這些潛水器分別是美國的“阿爾文”號、日本的“深海6500”號、俄羅斯的“和平1”號和“和平2”號、法國的“鸚鵡螺”號以及我國的“蛟龍”號。其中：“阿爾文”號主要由“亞特蘭蒂斯”號母船搭載,該母船利用船尾的A 形架完成潛水器的布放回收作業(yè),其尾部的機庫通過軌道與吊架連接,以便將潛水器從吊架位置移送至機庫進行保養(yǎng)和檢修,同時通過計算機控制的動力定位系統(tǒng)抵抗惡劣海況的影響;“和平1”號和“和平2”號由同一艘母船搭載,由布置在舷側(cè)的吊車完成布放回收作業(yè),二者可同時下潛,通過相互配合可完成更多和難度更大的工作。我國部分高校陸續(xù)開展載人潛水器布放回收系統(tǒng)的理論研究工作[20-22],但尚未應用于實踐。

“蛟龍”號載人潛水器是我國首臺載人潛水器,其搭載母船與布放回收系統(tǒng)均經(jīng)過嚴格的調(diào)研和方案設計?！膀札垺碧栞d人潛水器的布放回收系統(tǒng)設置于母船的后甲板,采用A 形架式的吊放方式,并由拖曳絞車和升降軌道車輔助,具備潛水器三級海況布放和四級海況回收的作業(yè)能力,目前已完成近200次的海上布放回收任務,為“蛟龍”號開展下潛作業(yè)提供有力支持。

1 系統(tǒng)組成

“蛟龍”號載人潛水器的布放回收系統(tǒng)由A 形架、拖曳絞車和升降軌道車等部分組成,其中A 形架和拖曳絞車共用1套液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng),實現(xiàn)拖曳絞車和A 形架主吊纜的聯(lián)動控制。

1.1 A形架

A 形架是潛水器布放回收系統(tǒng)的主要裝備,通常布置在母船后甲板的尾部,可在舷內(nèi)擺35°和舷外擺48°的范圍內(nèi)工作,實現(xiàn)潛水器在升降軌道車和海面之間的位置轉(zhuǎn)換(圖1)。

圖1 A 形架的主要結(jié)構(gòu)

A形架主要由門架和回轉(zhuǎn)梁組成。門架是A 形架的主要結(jié)構(gòu)載體,主要由2根等長的支腿和橫梁組成,橫梁與支腿之間由螺栓固定連接,每根支腿由1個長行程油缸驅(qū)動,實現(xiàn)A 形架在舷內(nèi)、外的擺動動作?；剞D(zhuǎn)梁垂直懸掛在門架橫梁的兩樞軸軸承座上,“蛟龍”號載人潛水器通過主絞車的主吊纜和萬向架的鎖緊裝置懸掛在回轉(zhuǎn)梁的底部。2個抗縱搖油缸的一端固定在門架橫梁上,另一端固定在回轉(zhuǎn)梁上,當A形架擺動或海況較差時,回轉(zhuǎn)梁和潛水器在布放過程中可具有縱向的自穩(wěn)定能力。

回轉(zhuǎn)梁的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)梁的主要結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)梁由主絞車、維護平臺、伸縮柱和萬向架等部分組成。主絞車安裝在回轉(zhuǎn)梁的舷內(nèi)側(cè),絞車卷筒由2臺液壓馬達/行星齒輪箱驅(qū)動組件驅(qū)動,適用于68 mm 直徑的主吊纜,可實現(xiàn)潛水器的布放回收。伸縮柱和萬向架通過2個雙作用的伸縮柱油缸與回轉(zhuǎn)梁連接,由箱式線性軸承作為導向機構(gòu),該軸承包含石墨填充酰胺纖維材料制作的導向器,在提升和放出主吊纜時保持主吊纜與絞車卷筒的正確對中。

萬向架安裝在伸縮柱底側(cè)的2個樞軸上,2個抗橫搖油缸的一端安裝在伸縮柱底側(cè),另一端安裝在萬向架頂部兩側(cè),以保證萬向架在潛水器布放回收過程中的穩(wěn)定性。萬向架底部有4個導向接頭,其中2個導向接頭為平面,另外2個導向接頭為錐形口;4個導向接頭與潛水器頂部的導向器互相配合,以保證潛水器與萬向架的正確對中,從而使萬向架上的鎖緊裝置能夠準確和迅速地將潛水器和萬向架鎖緊在一起;4個導向接頭均設計緩沖結(jié)構(gòu),以防止?jié)撍髟谂c萬向架對接的過程中受到過大的沖擊力,同時抵消較大的對接偏差對對接過程的影響。

鎖緊裝置由2個油缸獨立驅(qū)動2個鎖緊鉤的動作。執(zhí)行鎖緊動作后,鎖緊鉤鎖緊在潛水器頂部的2根銷軸上,使?jié)撍髋c萬向架無間隙地固連在一起,此時可將主吊纜放松,由萬向架承受潛水器的重量。

1.2 拖曳絞車

拖曳絞車位于母船的后甲板,沿船艏方向距A 形架20 m,在橫向上處于后甲板的左舷位置。在潛水器布放回收的過程中,拖曳絞車與主吊纜配合作業(yè),可發(fā)揮潛水器止蕩和穩(wěn)定的作用,實現(xiàn)在惡劣海況下開展?jié)撍鞑挤呕厥兆鳂I(yè)。拖曳絞車由絞車卷筒、拖曳纜繩、導向滑輪和籠頭纜組成(圖3)。

拖曳纜繩通過2組導向滑輪的換向后,與A 形架和“蛟龍”號載人潛水器的中心線對中,其末端通過籠頭纜與潛水器連接在一起。籠頭纜兩端均有鎖鉤,其一端的鎖鉤與拖曳纜繩的鎖環(huán)連接,另一端的鎖鉤鎖住潛水器上的銷軸。

在布放作業(yè)前,將籠頭纜連接到潛水器上,當潛水器布放到后甲板尾部時,由布放人員將拖曳纜繩與籠頭纜連接,在主吊纜和拖曳纜繩的共同拉力作用下,潛水器可被穩(wěn)定地布放到水面,隨后由蛙人將主吊纜和籠頭纜從潛水器上解下,潛水器即可自由下潛。

在回收作業(yè)前,將籠頭纜連接到拖曳纜繩上,當潛水器浮出水面時,由蛙人將籠頭纜和主吊纜連接到潛水器上,在主吊纜和拖曳纜繩的共同拉力作用下,潛水器隨A 形架回擺至后甲板尾部,由布放人員將籠頭纜從潛水器上解下,隨后潛水器可被主吊纜回收至萬向架底部,由萬向架鎖緊裝置鎖緊。

圖3 拖曳絞車的主要結(jié)構(gòu)

1.3 升降軌道車

升降軌道車位于母船的后甲板中部,與A 形架對中,不僅可作為潛水器日常存放、保養(yǎng)和檢修的載體,而且可在潛水器布放回收系統(tǒng)中發(fā)揮轉(zhuǎn)移工位的作用。升降軌道車主要由潛水器支架、升降油缸、行走軌道、行走齒輪、行走馬達、防翻鉤、固定架和活動架組成(圖4)。

圖4 升降軌道車的主要結(jié)構(gòu)

潛水器支架均布于活動架上,其高度和位置按照“蛟龍”號的底部弧度進行設計,使?jié)撍髦Ъ茼敳科矫媾c“蛟龍”號底部緊密貼合,使“蛟龍”號在存放工位與布放回收工位之間轉(zhuǎn)換的過程中保持穩(wěn)定。行走軌道由存放工位延伸到布放回收工位,使升降軌道車在行走馬達和行走齒輪的驅(qū)動下完成在2個工位之間的移動。

升降軌道車具有升降功能,其主體設計包括活動架和固定架2個部分。當升降油缸升高時,活動架隨之升高,并將“蛟龍”號升高到需要的高度,以滿足布放回收作業(yè)的要求。

2 關鍵技術

2.1 升沉補償

在“蛟龍”號載人潛水器的布放回收過程中,能否經(jīng)受住惡劣海況的考驗是判斷布放回收系統(tǒng)能否正常工作的關鍵。惡劣海況不僅會造成整個A 形架系統(tǒng)隨母船在海面上晃動,更重要的是當“蛟龍”號與海面接觸而主吊纜仍與“蛟龍”號處于連接狀態(tài)時,海面的急劇升沉會使“蛟龍”號頻繁地從空中跌落,帶來的沖擊力會持續(xù)對主絞車馬達造成損傷,甚至導致馬達齒輪碎裂而失去提升動力,屆時“蛟龍”號將無法回收到母船。因此,有效實現(xiàn)“蛟龍”號在海面的升沉補償是布放回收系統(tǒng)的關鍵技術。

本研究以潛水器布放過程為例介紹升沉補償技術,回收過程的步驟則完全相反。布放回收系統(tǒng)對“蛟龍”號的布放步驟如圖5所示。

圖5分別展示“蛟龍”號在布放過程中的3種狀態(tài)：①圖5(a)中,A 形架內(nèi)擺至舷內(nèi)極限工作位,“蛟龍”號由升降軌道車運送到A 形架萬向架的正下方,并由萬向架的鎖緊裝置固定在萬向架底部;②圖5(b)中,A 形架外擺至舷外極限工作位,此時“蛟龍”號仍由鎖緊裝置固定在萬向架底部,而拖曳纜繩系固在“蛟龍”號頭部;③圖5(c)中,鎖緊裝置釋放,“蛟龍”號在主吊纜的拉力下離開萬向架并慢慢下移至海面,在此過程中同時受到拖曳纜繩的水平拉力。

由圖5可以看出,在整個布放過程中,“蛟龍”號與布放回收系統(tǒng)的連接方式主要有2種：①當A 形架由舷內(nèi)擺動至舷外極限時,“蛟龍”號由鎖緊裝置固定于萬向架,此時“蛟龍”號與A 形架固結(jié),可基本不受海況的影響;②當“蛟龍”號脫離萬向架而被下移至海面時,其同時受到主吊纜和拖曳纜繩的拉力并隨海面升降,此時布放回收系統(tǒng)的升沉補償系統(tǒng)須減小“蛟龍”號在隨海面升降的過程中給主絞車馬達帶來的額外負荷。

圖5 “蛟龍”號的布放過程

2.2 恒張力液壓控制系統(tǒng)

布放回收系統(tǒng)的升沉補償主要由拖曳絞車和主絞車的恒張力控制來實現(xiàn)。當處于恒張力控制模式時,拖曳纜繩和主吊纜對“蛟龍”號的拉力被設定為恒定值,使拖曳纜繩和主吊纜始終處于張緊狀態(tài)。當海面快速下降時,拖曳纜繩和主吊纜會在恒張力的作用下快速放出,放出的速度與“蛟龍”號因自身重力和母船晃動等因素造成的下降速度相當,從而抵消“蛟龍”號下降產(chǎn)生的加速度負荷;當海面快速上升使“蛟龍”號被抬高時,拖曳纜繩和主吊纜會在恒張力的作用下快速收回,使“蛟龍”號不會因海面快速下降而給主絞車馬達帶來額外的慣性負荷。

拖曳絞車的恒張力液壓控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 拖曳絞車的液壓控制系統(tǒng)

拖曳絞車的收放動作由1個三位四通換向閥控制,絞車的運行速度由液壓馬達的流量控制。為保護液壓馬達,在液壓馬達的主管路上設置1個高壓溢流閥。梭閥與三位四通換向閥的進油口和回油口相通,經(jīng)梭閥流出的液壓油通過減壓閥和順序閥,可釋放裝在拖曳絞車齒輪箱上的制動器,使齒輪箱可按要求工作。

拖曳絞車的恒張力控制可通過先導比例減壓閥、高壓溢流閥和先導減壓閥來實現(xiàn)。由高壓溢流閥設定液壓系統(tǒng)輸出的最大壓力,通過遙控液壓閥的輸出,使拖曳絞車的纜繩保持張緊狀態(tài),直到壓力到達設定的最大壓力。例如：當絞車進行回收作業(yè)時,由先導比例減壓閥控制纜繩的張緊力,當外部負荷增加到相當于設定的最大系統(tǒng)壓力時,纜繩開始放出;當外部負荷減小到設定的最大系統(tǒng)壓力以內(nèi)時,纜繩繼續(xù)收回。

主絞車的恒張力液壓控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 主絞車的液壓控制系統(tǒng)

主絞車由2臺液壓馬達驅(qū)動,每臺液壓馬達都通過1個行星齒輪箱與絞車卷筒連接,每臺齒輪箱都配有1個須使用液壓進行釋放的彈簧式剎車裝置,剎車裝置可由梭閥和先導順序閥控制。

主絞車的恒張力控制須首先將2臺液壓馬達設定為最小流量的排角,以減小管路的壓降并提高主絞車的轉(zhuǎn)速。在二位二通閥動作后,液壓系統(tǒng)的主壓力即由高壓溢流閥較低的溢流壓力決定,從而提供恒張力所需的高速度和低負荷的液壓條件,實現(xiàn)主絞車的恒張力控制。

3 海上應用

自2009年至今,布放回收系統(tǒng)已成功完成近200次“蛟龍”號的布放回收作業(yè)。實踐證明,拖曳絞車和主絞車的恒張力控制可很好地適應惡劣海況下“蛟龍”號的快速升沉,布放回收系統(tǒng)可實現(xiàn)“蛟龍”號的三級海況布放和四級海況回收的作業(yè)要求。門架、伸縮柱、主絞車、鎖緊裝置和拖曳絞車等的控制開關被集成到1套可移動的遙控面板上,當進行“蛟龍”號的布放回收作業(yè)時,操作人員可根據(jù)作業(yè)需求和合適地點,對布放回收系統(tǒng)各部件的動作進行遙控。

“蛟龍”號載人潛水器海上布放的流程為：①下潛人員經(jīng)由“蛟龍”號的維護平臺進入潛水器,在布放人員關閉潛水器艙蓋后,升降軌道車開始移動并移動至A 形架的正下方,由布放人員將主吊纜與潛水器連接后,主吊纜提升,同時A 形架向外擺動;②A形架外擺至母船尾部,由布放人員將拖曳纜繩與潛水器上的籠頭纜連接,A 形架繼續(xù)向外擺動至最大位置,主吊纜緩慢釋放,在主吊纜與拖曳纜繩的合力下,潛水器可穩(wěn)定到達海面;③潛水器到達海面后,蛙人乘坐小艇靠近潛水器并解下主吊纜,使主吊纜與潛水器脫離,此時潛水器可開始下潛。

4 結(jié)語

“蛟龍”號載人潛水器的布放回收系統(tǒng)是我國首套用于載人潛水器的布放回收系統(tǒng),其主要結(jié)構(gòu)部件包括A 形架、拖曳絞車和升降軌道車。拖曳絞車和A 形架主吊纜的恒張力控制可滿足“蛟龍”號三級海況布放和四級海況回收的要求,升降軌道車同時可作為“蛟龍”號日常存放、保養(yǎng)和檢修的載體。布放回收系統(tǒng)已成功布放回收“蛟龍”號近200次,為我國發(fā)展載人深潛事業(yè)積累了大量實踐經(jīng)驗。