鼓輪式布撈纜系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

晏 慶，劉 冰，崔浩貴

（91001部隊，北京 100841）

0 引 言

隨著海底通信光纜在海洋開發(fā)活動中的作用越來越突出，人們對海底光纜施工設(shè)備的要求越來越高。鼓輪式布撈纜系統(tǒng)是海纜船進行海底光纜施工時所采用的重要專用設(shè)備，主要用于完成海纜的打撈、回收、布放和繩索收放等任務(wù)。對鼓輪式布撈纜系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，有助于提高我國海纜作業(yè)專用設(shè)備的研制水平，促進我國海底光纜的建設(shè)和發(fā)展。

1 概 述

現(xiàn)代化海纜船及其海纜施工專用設(shè)備是海底光纜工程建設(shè)、維護和搶修不可缺少的大型作業(yè)裝備。海纜船上一般配備有直線式布纜系統(tǒng)、鼓輪式布撈纜系統(tǒng)和海纜埋設(shè)系統(tǒng)等海纜施工專用設(shè)備，其中直線式布纜系統(tǒng)和鼓輪式布撈纜系統(tǒng)具有不同的特點和應(yīng)用場景。

1) 直線式布纜系統(tǒng)利用多組上下分布的2只輪胎壓緊夾持海纜，由液壓馬達直接驅(qū)動輪胎運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)手動調(diào)速、定張力和定余量布放海纜，同時可手動調(diào)速回收海纜。與鼓輪式布撈纜系統(tǒng)相比，直線式布纜系統(tǒng)采用的是直線布纜方式，多組輪胎機可分別控制，更利于接頭盒、分支器和中繼器等設(shè)備安全通過。

2) 鼓輪式布撈纜系統(tǒng)的鼓輪直徑通常為3～4m，牽引力通常為250～400kN，具有占地空間小、牽引力大和運行穩(wěn)定等特點。與直線式布纜系統(tǒng)相比，鼓輪式布撈纜系統(tǒng)具有較大的牽引力和圓鼓形結(jié)構(gòu)，更適于打撈回收海纜和各種線路設(shè)備，同時可用于短距離布放無接頭盒或中繼器海纜。

鼓輪式布撈纜系統(tǒng)主要依靠液壓驅(qū)動的鼓輪機和輔助牽引機進行收放纜作業(yè)，是海纜船海纜作業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于完成以下任務(wù)：

1) 單獨完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的打撈回收任務(wù)；

2) 單獨完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的敷設(shè)任務(wù)；

3) 與埋設(shè)機系統(tǒng)協(xié)作完成海底光纜和海底電力電纜等線纜的布放及埋設(shè)任務(wù)。

2 總體設(shè)計

2.1 基本原理

鼓輪式布撈纜系統(tǒng)可用于手動調(diào)速布纜、定張力布纜、定余量布纜和手動調(diào)速收纜，核心設(shè)備為鼓輪機，采用摩擦鼓輪的方式，在液壓能的驅(qū)動下提供布纜、收纜所需的控制力和牽引力，在輔助牽引機的配合下達到布放和回收海纜的目的。

布放海纜時會遇到2種情況，即：海纜在水中由自身重量產(chǎn)生的拉力不足以克服其從出艙至入水期間產(chǎn)生的阻力，因而不能使其勻速入水；海纜在水中由自身重量產(chǎn)生的拉力大于其從出艙至入水期間產(chǎn)生的阻力，進而失去控制自由入水。由此，該系統(tǒng)的基本工作原理是：在鼓輪上排列纏繞、牽拉海纜克服摩擦阻力，“推送”海纜勻速入水；反之，制動海纜克服過大的拉力，“牽送”海纜入水。

輔助牽引機的作用是保證鼓輪在收纜或放纜時始終提供一定的預(yù)拉力，使纏繞在鼓輪面上的海纜始終具有一定的摩擦力，避免海纜因打滑而失控。

系統(tǒng)控制通過作業(yè)控制臺或機側(cè)控制臺上的控制面板完成，既可實現(xiàn)手動調(diào)速、定張力布放海纜、定余量布放海纜和手動調(diào)速回收海纜，又可根據(jù)實際需要對海纜的收放速度和張力進行控制。系統(tǒng)的液壓動力來自液壓泵站。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

鼓輪式布撈纜系統(tǒng)主要由鼓輪機、排纜裝置、輔助牽引機、測力計長裝置、液壓動力系統(tǒng)、電氣控制設(shè)備、設(shè)備控制箱、信息中心、作業(yè)控制臺和機側(cè)控制臺等組成，其總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1) 鼓輪機主體由鼓輪和減速器2部分組成，其中：

(1) 作業(yè)時，將海纜纏繞在鼓輪上，由6臺液壓馬達驅(qū)動，通過減速器帶動主軸轉(zhuǎn)動，進而使鼓輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，實現(xiàn)對海纜收放作業(yè)的控制。鼓輪由結(jié)構(gòu)鋼焊接成圓鼓形，通過其內(nèi)部6道梯形加強幅板與軸套焊接成一體。鼓輪和大齒輪安裝在主軸上，輪轂與主軸之間由雙鍵傳遞扭矩，大齒輪與6個小齒輪嚙合，每個小齒輪都由1個與之直接相連的液壓馬達驅(qū)動。

(2) 減速器安裝在鼓輪機左側(cè)機殼內(nèi)，采用星形多點驅(qū)動、單級變速和配無級變速液壓馬達的形式。

由于減速器與鼓輪主軸是按固定減速比例關(guān)系設(shè)計的，沒有機械變速檔位和手動變速檔位，因此通過調(diào)整主泵的排量改變鼓輪的速度。

2) 輔助牽引機由2對液壓驅(qū)動的輪胎和牽引泵機組構(gòu)成，安裝在鼓輪機前方的海纜通道上，由作業(yè)控制臺或機側(cè)控制臺統(tǒng)一操控。輔助牽引機用于輔助鼓輪機完成收放海纜作業(yè)，為海纜提供預(yù)拉力（即：鼓輪機收纜時，跟蹤控制輔助牽引機的收纜速度略快于鼓輪機的收纜速度；鼓輪機放纜時，跟蹤控制輔助牽引機的放纜速度略慢于鼓輪機的放纜速度），使海纜在鼓輪工作面上的摩擦力始終大于張力，輔助鼓輪機正常進行收纜和放纜作業(yè)。

3) 測力計長裝置可同時實現(xiàn)對海纜張力和長度的檢測，當海纜承受張力時，會產(chǎn)生向下的分力，支承在轉(zhuǎn)軸上的橋槽將該分力作用到剪切式傳感器上，可通過測量分力計算出海纜實際的張力。海纜通過時，可帶動測力計長裝置的測量筒隨海纜轉(zhuǎn)動，從而測量已收放的海纜的長度和瞬時收放速度。

4) 排纜裝置由2部排纜器和控制盒組成，安裝在鼓輪機的前部和后部，由控制泵供油工作。當鼓輪作業(yè)旋轉(zhuǎn)時，排纜刀推動纏繞在鼓輪工作面上的海纜沿軸向移動，使新進入鼓輪的纜線不會與已纏繞在鼓輪上的纜線發(fā)生疊壓。

5) 整套系統(tǒng)（包括主油路液壓系統(tǒng)、先導(dǎo)泵液壓系統(tǒng)、控制油路液壓系統(tǒng)和輔助牽引機油路液壓系統(tǒng)）由液壓動力系統(tǒng)驅(qū)動，其中：主油路液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動液壓馬達，使鼓輪機旋轉(zhuǎn)；輔助牽引機油路液壓動力系統(tǒng)用于驅(qū)動輔助牽引機液壓馬達。

6) 綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要由作業(yè)控制臺、機側(cè)控制臺、信息中心服務(wù)器和設(shè)備控制箱等組成，主要功能是向布纜指揮人員和操縱人員實時顯示收放纜情況和設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，在駕駛室遙控或在機側(cè)就近控制海纜的收放，并全程實時存儲和打印布纜的各項主要參數(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鼓輪機減速器

鼓輪機減速器是動力傳動的關(guān)鍵組成部分，實現(xiàn)由高速到低速、由小力量到大力量的轉(zhuǎn)換，對受力、傳動比和材料都有嚴格要求。傳統(tǒng)的減速器一般由多級組成，有的還為減小兩端的傳動比加裝有換檔裝置，或根據(jù)需要加裝剎車裝置，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護比較困難。對此，設(shè)計星形多點驅(qū)動、單級變速和配無級變速液壓馬達的方案。采用六星形齒與主齒輪軸結(jié)構(gòu)的減速器，使鼓輪機在有限的功率內(nèi)實現(xiàn)大范圍的轉(zhuǎn)速變化和對大收放纜張力的控制。采用該方案能使主驅(qū)動大齒輪上的輪齒受力大大減小，六點驅(qū)動情況下的受力只有單點驅(qū)動情況下受力的1/6；同時，能大大簡化減速結(jié)構(gòu)，降低材料要求，減少造價，提升維護的便利性。

3.2 鼓輪機剎車裝置

老式鼓輪機一般采用氣缸驅(qū)動水冷剎車帶，對鼓輪機進行制動，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對剎車帶進行調(diào)試非常麻煩，不易達到最佳的工作狀態(tài)。對此，結(jié)合新型減速器的設(shè)計，采用帶自鎖機械剎車結(jié)構(gòu)的液壓馬達，使鼓輪剎車與制動機械在傳動形式上相同，剎車制動力超過350kN，剎車力量由液壓馬達自行產(chǎn)生，6臺液壓馬達每臺只需產(chǎn)生1/6的剎車力即可滿足要求，同時只需通過1條控制油路控制液壓馬達工作與制動的轉(zhuǎn)換，從而大大簡化鼓輪機剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具有使用簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點。在大負荷收纜時，若出現(xiàn)停電等應(yīng)急情況，會立即自動剎車，防止海纜滑入海中，避免對海纜和人員造成傷害，性能穩(wěn)定、可靠。

3.3 主油路液壓動力系統(tǒng)

主油路液壓動力系統(tǒng)的功能是為鼓輪機提供收纜和布纜的驅(qū)動力。主油路先通過管路與鼓輪機上的插裝閥體連接，再由插裝閥體通往6臺液壓馬達。這6臺液壓馬達分為2組：對稱的2臺液壓馬達組成一組；另外4臺組成一組。設(shè)計一個安裝有8個插裝電磁換向閥閥芯的大型插裝閥體，實現(xiàn)液壓變檔的功能。通過控制插裝閥體可實現(xiàn)收纜、放纜和停車等3種換向功能。通過改變6臺液壓馬達ABPT口（A和B為2個工作油口；P為壓力油口；T為回油箱油口）的連通方式，使鼓輪機具有1:1、1:2和1:3等3個液壓變檔，根據(jù)需要選擇2臺、4臺或6臺液壓馬達參與工作，不參與工作的液壓馬達處于隨動狀態(tài)。當有2臺液壓馬達驅(qū)動鼓輪機時，鼓輪機的速度最大、牽引力最小；當6臺液壓馬達全部驅(qū)動鼓輪機時，鼓輪機的牽引力最大、速度最小，這樣能使鼓輪機提供不同的速度和扭力，使鼓輪機在大工作負荷狀態(tài)下具有在低速大扭矩與高速小扭矩2種工況之間快速轉(zhuǎn)換的能力，轉(zhuǎn)換過程簡單、快捷、安全。主泵液壓系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 主泵液壓系統(tǒng)工作原理圖

3.4 系統(tǒng)控制設(shè)計

為實現(xiàn)精確智能控制，提出設(shè)備控制箱的概念。老式海纜船設(shè)備采用硬件電路加實線控制的方式控制，這種控制方式造成機側(cè)控制臺或主控制臺控制線纜復(fù)雜、零亂，控制功能單一，智能化程度不高，設(shè)備可維修性差和升級困難。采用以內(nèi)嵌式單片機系統(tǒng)為核心的設(shè)備控制箱之后，可對設(shè)備進行就近控制，為控制臺提供標準通信接口，使控制方式配置十分靈活，設(shè)備信息和動作由單片機統(tǒng)一處理、控制，并能在遠端控制臺的控制下工作，大大提高設(shè)備的智能化程度，方便對維修數(shù)據(jù)進行記錄和檢查，通過軟件升級就可提升設(shè)備的功能。內(nèi)嵌式單片機智能設(shè)備控制箱的使用使得全系統(tǒng)綜合監(jiān)控成為可能，使系統(tǒng)能更有機地聯(lián)系成為一個整體，協(xié)調(diào)工作。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

3.5 基于信息中心的綜合監(jiān)視控制系統(tǒng)

設(shè)計基于信息中心的綜合監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過采集各設(shè)備的信息，并進行綜合處理，實現(xiàn)自動控制，簡化控制操作，并有效監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，進行告警提示和故障規(guī)避。該綜合監(jiān)視控制系統(tǒng)原理圖見圖4，其中：信息中心由一臺服務(wù)器搭載信息中心軟件實現(xiàn)，作為監(jiān)視控制系統(tǒng)的核心；信息中心連接作業(yè)控制臺、機側(cè)控制臺、鼓輪機設(shè)備控制箱和泵站設(shè)備控制箱等設(shè)備。信息中心解析控制臺的命令并將其下發(fā)給各控制箱，同時收集控制箱數(shù)據(jù)，更新設(shè)備的狀態(tài)信息，并與船上其他設(shè)備的信息交互，發(fā)送控制臺顯示信息，保存數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。

圖4 綜合監(jiān)視控制系統(tǒng)原理圖

3.6 “速度跟蹤+距離修正”定余量模型

定余量布纜是海纜敷設(shè)的主要手段，是目前國內(nèi)外通行的深海布纜方法。根據(jù)海底地形變化給定恰當?shù)暮＠|余量是開展定余量布纜工程的關(guān)鍵，可確保海纜在海底緊貼海底地形，不出現(xiàn)懸掛、打扭等現(xiàn)象。在施工完成之后，海纜余量通常會隨海底坡度的變化而在1%～5%區(qū)間內(nèi)變動，在海底比較平坦、坡度不大的海域，有1%～2%的余量就足夠保證海纜敷貼在海底。建立了“速度跟蹤+距離修正”定余量模型，當選擇定余量模式布纜時，鼓輪機進行定余量布纜。該模型將速度控制方法與距離控制方法相結(jié)合，既能滿足實時定余量要求，又能克服速度定余量在精度控制、平穩(wěn)性控制和適應(yīng)氣象條件的能力等方面的不足，實現(xiàn)高精度實時定余量。該模型同時適用于直行和航向轉(zhuǎn)變2種情況，填補了國內(nèi)航向轉(zhuǎn)變時基于導(dǎo)航系統(tǒng)定余量的空白，能不間斷工作，顯著提高布纜效率。該算法的通用性較強，可方便地移植到其他布纜作業(yè)系統(tǒng)中。

4 結(jié) 語

鼓輪式布撈纜系統(tǒng)是海纜船配套的重要專用設(shè)備，是海纜維修作業(yè)必不可少的設(shè)備，本文主要介紹了該系統(tǒng)的基本原理和總體結(jié)構(gòu)，對鼓輪機減速器、鼓輪機剎車裝置、主油路液壓動力系統(tǒng)、系統(tǒng)控制設(shè)計、基于信息中心的綜合監(jiān)視控制系統(tǒng)和“速度跟蹤+距離修正”定余量模型等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究，給出了鼓輪式布撈纜系統(tǒng)設(shè)計模型。設(shè)計的鼓輪式布撈纜系統(tǒng)的牽引力和制動力較大，具有定張力和定余量布纜的功能，自動化智能化程度較高；在大工作負荷狀態(tài)下具有在低速大扭矩與高速小扭矩2種工況之間快速轉(zhuǎn)換的能力，轉(zhuǎn)換過程簡單、快捷、安全；主要性能達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平，整體提升了海纜專用設(shè)備的自動化程度、穩(wěn)定性和可靠性。提出的系統(tǒng)設(shè)計模型可供我國海纜建設(shè)維修專用設(shè)備的設(shè)計參考。