深海測(cè)量?jī)x器收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

姜海雨，張定華，王鴻飛

（上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 200120）

0 引言

深海收放系統(tǒng)決定著海洋設(shè)備運(yùn)作的穩(wěn)定性與安全性，是海洋測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定工作的前提技術(shù)條件。深海收放系統(tǒng)朝著集成化方向發(fā)展，就是將作為儀器收放的鋼纜和作為信號(hào)和能量傳輸合成到一條通訊電纜上。目前深海收放系統(tǒng)中與采水器設(shè)備相連的是鎧裝同軸電纜。深海收放系統(tǒng)工作在船舶甲板上，不同海況下設(shè)備上下起伏，會(huì)對(duì)纜繩上的張力帶來(lái)急劇變化，張力過(guò)大會(huì)使纜繩上的張力超出工作拉力范圍，造成纜繩損壞。為了解決以上的問(wèn)題，采用牽引絞車和儲(chǔ)纜絞車相分離的收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，牽引絞車只負(fù)責(zé)引導(dǎo)纜繩和吸收纜繩上的張力，使纜繩在牽引絞車的出繩端張力減小到預(yù)期值，儲(chǔ)纜絞車只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)纜繩，把纜繩規(guī)則的排放在儲(chǔ)纜卷筒上，防止纜繩排列不均造成的纜繩損傷。這種功能分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效的避免因?yàn)槔|繩排列不均造成的纜繩損傷和因張力突變?cè)斐傻睦|繩斷裂，同時(shí)降低了設(shè)備使用成本，提高了作業(yè)效率[1]。

1 收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析

萬(wàn)米鎧裝通訊電纜收放系統(tǒng)是為海洋環(huán)境設(shè)計(jì)的、一體式、可變速收放纜系統(tǒng)，適用于海洋測(cè)量?jī)x器的投放和回收。包括A型門架、緩沖架、對(duì)接頭、儲(chǔ)纜絞車、牽引絞車、補(bǔ)償直角排纜器、液壓?jiǎn)卧?、控制單元及?biāo)準(zhǔn)20尺集裝箱底座等，各內(nèi)部機(jī)構(gòu)采用模塊化安裝的形式，可通過(guò)簡(jiǎn)單拆卸進(jìn)行替換。

牽引絞車收放系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：設(shè)計(jì)具有懸臂式滾筒的牽引絞車滿足更高張力等級(jí)。懸臂式滾筒允許牽引滾筒頂部和底部的通訊電纜順暢過(guò)渡。懸臂設(shè)計(jì)允許更大的自由配置牽引絞車收放系統(tǒng)，可在水平到垂直的位置范圍內(nèi)布置，以優(yōu)化可用的甲板空間；通過(guò)使?jié)L筒相互傾斜，每個(gè)滾筒的位置便于在兩個(gè)滾筒的繩槽之間順利傳輸電纜，這種相對(duì)定位消除了電纜的扭曲和摩擦；使用較軟的材料和獨(dú)立的滾筒速度，可大大提高通訊電纜的使用壽命，允許一定的溝槽磨損。

1.1 牽引絞車的結(jié)構(gòu)特性

電纜的最小彎曲直徑?jīng)Q定滾筒直徑，最小彎曲直徑隨著負(fù)載接近電纜破斷強(qiáng)度而增加。大直徑牽引絞車的滾筒允許電纜被纏繞在單層中，可避免承受過(guò)大的彎曲直徑。牽引絞車系統(tǒng)通過(guò)電纜在要求的最小彎曲直徑的纜槽中工作來(lái)吸收電纜的高張力。在傳統(tǒng)單卷筒絞車中，電纜多層纏繞而自行工作。牽引絞車的單層效應(yīng)與傳統(tǒng)單卷筒絞車相比優(yōu)勢(shì)是顯著的[2]。傳統(tǒng)單卷筒絞車，通訊電纜在交叉點(diǎn)將受到與實(shí)際電纜直徑相等的彎曲直徑，導(dǎo)致電纜受到破壞。此外，在非常高的張力下，通訊電纜也可能以足夠大的力量向下拉，導(dǎo)致通訊電纜嵌入到下一層。

多槽、單電纜層和動(dòng)力牽引滾筒施加的扭矩共同作用來(lái)吸收通訊電纜的高張力，電纜在內(nèi)側(cè)牽引滾筒出口處轉(zhuǎn)化為低張力。接下來(lái)通訊電纜以低張力存儲(chǔ)在多層單卷筒儲(chǔ)纜絞車中，在全部卷纜過(guò)程中，通訊電纜處于大約最大工作負(fù)載的10%～15%的張力范圍內(nèi)?；静蛔兊牡痛鎯?chǔ)張力也提高了絞車排纜的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。傳統(tǒng)的卷筒絞車的存儲(chǔ)張力在不同的電纜層之間會(huì)隨著動(dòng)態(tài)牽引載荷的變化而變化。

1.2 儲(chǔ)纜絞車恒張力設(shè)計(jì)

為了確保收放系統(tǒng)的儲(chǔ)纜絞車提供連續(xù)的恒張力，采用丹佛斯的90系列液壓泵連接外部壓力限制器閥塊,實(shí)現(xiàn)閉式液壓回路儲(chǔ)纜絞車的張力恒定。液壓原理圖如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)纜絞車恒張力液壓原理圖

在儲(chǔ)纜絞車的恒張力應(yīng)用中，借助恒張力閥塊④來(lái)維持纜繩α的張力恒定，同時(shí)排量控制使泵以全排量全速驅(qū)動(dòng)纜繩卷起。在絞車下放工況中，恒張力閥塊④可以驅(qū)動(dòng)泵的斜盤反向，此工況適合儲(chǔ)纜絞車應(yīng)用，設(shè)定泵的排量，儲(chǔ)纜絞車以一定的速度卷起纜繩，若纜繩張力增加到恒張力閥塊④中的收纜溢流閥設(shè)定值，泵的排量將減小，直到維持設(shè)定壓力；如牽引絞車出纜端張力足夠大將驅(qū)動(dòng)閉式泵斜盤反向，從而使纜繩下放。儲(chǔ)纜絞車下放時(shí)，馬達(dá)將會(huì)驅(qū)動(dòng)泵,并通過(guò)泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功來(lái)吸收負(fù)載所產(chǎn)生的能量，所以必須考慮電機(jī)吸收負(fù)載的能力，若超出其吸收能力，則必須增加制動(dòng)泵系統(tǒng)[3-4]。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析

在回收測(cè)量?jī)x器的過(guò)程中，牽引絞車提供提升力。牽引絞車和同軸電纜作為特殊的傳動(dòng)帶，可以使用歐拉公式來(lái)計(jì)算牽引絞車的驅(qū)動(dòng)力。同軸電纜纏繞在絞盤上，當(dāng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同軸電纜在絞盤有滑動(dòng)的趨勢(shì)，絞盤每一圈纜的松邊力F2與緊邊力F1將有一差值ΔF，即絞盤摩擦力[5]。

式中（1），α為纜繩在絞盤上的包角；μ為纜繩與絞盤槽的摩擦系數(shù)。

纜繩對(duì)絞盤2的作用力：

纜繩作用在牽引絞車上的力為：

纜繩作用在儲(chǔ)纜絞車上的力為：

設(shè)計(jì)儲(chǔ)纜絞車恒張力為500kgf-1000kgf滿足負(fù)載需求。

2 減張力試驗(yàn)

采用控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)牽引絞車收放纜的形式，控制牽引絞車旋轉(zhuǎn)的速度，以實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)纜絞車的聯(lián)動(dòng)[6-7]。設(shè)定試驗(yàn)組，以4噸負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)不同包角組進(jìn)行測(cè)試，并且每組都進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)和分析，通過(guò)張力傳感器將張力大小傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集面板中，其中讀取的一組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

通訊電纜通過(guò)牽引絞車模塊后，出纜端張力可控制到入纜端(負(fù)重端)張力的10%～15%之內(nèi)；當(dāng)收放系統(tǒng)的工作張力接近通訊電纜破斷力的50%或制動(dòng)力接近通訊電纜的破斷力時(shí)，可將牽引絞車作為一種經(jīng)濟(jì)可行的收放系統(tǒng)；正確設(shè)計(jì)的牽引絞車系統(tǒng)可使通訊電纜保持一致的工作性能，而不受通訊電纜長(zhǎng)度的限制。