姚晨佼，范華濤，宋 強，趙飛虎，羅 升

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

目前，隨著海洋觀測領(lǐng)域技術(shù)的迅速發(fā)展，美國、加拿大、日本、歐洲等國家均在海底觀測網(wǎng)絡(luò)施工建設(shè)、海底傳感器等關(guān)鍵技術(shù)方向投入巨資開展大量相關(guān)研究。1998 年以來，美國和加拿大分別建立了小型試驗觀測系統(tǒng)蒙特利加速研究系統(tǒng)（MARS）[1–2]。2011 年，MARS 為中國同濟大學(xué)深海觀測設(shè)備進行了“中國連纜觀測站試驗”[3]。2004 年，歐洲制定了歐洲海底觀測網(wǎng)絡(luò)（ESONET），于2007 年完成了ESONET-CA 計劃，并開始了新的歐洲多學(xué)科海底觀測網(wǎng)（EMOS）計劃[4]。2006 年，維多利亞海底試驗網(wǎng)（VENUS）由加拿大建設(shè)完成[5–6]。2009 年，西北太平洋時間序列觀測網(wǎng)（NEPTUNE）由加拿大建設(shè)完成[7]。2011 年，美國開始建設(shè)海洋觀測計劃（OOI）[8]。2006–2011 年，日本開展了地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（DONET），2012-2015 年基本完成了DONET2 主干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[9]。

目前，國內(nèi)外的海底觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)通常采用成熟的水面船儲存和布放、ROV 海底鋪設(shè)協(xié)同作業(yè)的方式[10]，該方式容易受水面風(fēng)浪的影響。隨著ROV、載人潛水器等水下潛器工作深度的增加及作業(yè)功能的增強，我國海洋石油的開采及海底觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等海洋工程正向深水發(fā)展。水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜、海底觀測網(wǎng)絡(luò)等海纜作為海洋工程應(yīng)用的關(guān)鍵部分，其安裝技術(shù)必將走向深水領(lǐng)域。本文提出了深海載人潛水器攜帶海底鋪纜裝置進行深海海底直接鋪纜的方式，通過載人潛水器在近海底航行機動、海底鋪纜裝置進行同步儲纜與放纜，從而完成海纜的直接鋪設(shè)?；谳d人作業(yè)型潛器的鋪纜方式可有效避免作業(yè)時海面風(fēng)浪對鋪纜過程的影響，同時降低了海纜鋪設(shè)高度，提高了海纜鋪設(shè)精度及可控性，能滿足海底監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的隱蔽作業(yè)需求。

1 海底鋪纜系統(tǒng)

海底鋪纜裝置安裝固定在載人潛水器上，海纜存儲在海底鋪纜裝置內(nèi)，其總體布置見圖1。通過載人潛水器在近海底航行機動，海底鋪纜裝置進行同步放纜。

圖 1 海底鋪纜系統(tǒng)總體布置圖Fig. 1 Schematic of submarine cable laying system

1.1 海底鋪纜方式

目前，海底鋪纜主要采用張力鋪纜方式或余量鋪纜方式，張力鋪纜主要是通過控制海纜中張力進行鋪纜，無布放余量，海纜釋放速度與航速相同，主要適用于淺海地區(qū)。余量鋪纜主要是通過控制速度進行鋪纜，海纜鋪設(shè)余量與船速、海底地形有關(guān)，主要適用于深海地區(qū)，需根據(jù)海底地形坡度變化設(shè)計合適的鋪設(shè)余量，本文提出的利用載人潛器進行深海鋪纜宜采用余量鋪纜方式。

1.2 海底鋪纜裝置結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

鋪纜裝置由潛水器載人艙外的鋪纜裝置本體和載人艙內(nèi)的控制單元組成，鋪纜裝置本體結(jié)構(gòu)主要包括卷筒及驅(qū)動機構(gòu)、排纜機構(gòu)、主動輸送機構(gòu)、排纜補償機構(gòu)、濕插拔接頭主動釋放機構(gòu)、應(yīng)急剪切機構(gòu)等。海纜鋪設(shè)時，海纜從儲纜卷筒釋放，經(jīng)過排纜機構(gòu)及主動輸送機構(gòu)到達出纜口，海纜布放由儲纜卷筒、排纜機構(gòu)、主動輸送機構(gòu)、排纜補償機構(gòu)協(xié)同控制。

1.2.1 排纜機構(gòu)

海纜儲存在海底鋪纜裝置的儲纜卷筒上，必須設(shè)置排纜機構(gòu)才能將海纜從儲纜卷筒上分層有序地釋放出去。

排纜機構(gòu)主要由傳動絲杠、螺母滑塊、導(dǎo)向桿、輸出輪、絲杠驅(qū)動馬達等組成，排纜機構(gòu)示意圖如圖2所示。傳動絲杠由絲杠驅(qū)動馬達驅(qū)動，排纜機構(gòu)具有自動換向功能，根據(jù)控制指令，使螺母滑塊組件與絲杠相對移動，排纜機構(gòu)與卷筒之間協(xié)調(diào)運動，以保證卷筒旋轉(zhuǎn)一圈，螺母滑塊在絲杠上運動一個海纜直徑的長度，當海纜釋放到卷筒一端時，輸出輪也到達行程端點，此時控制單元下發(fā)換向指令，使絲杠驅(qū)動馬達反轉(zhuǎn)達到換向目的，從而實現(xiàn)往復(fù)排纜，儲纜卷筒與排纜機構(gòu)絲杠通過控制單元實現(xiàn)速度匹配。

圖 2 排纜機構(gòu)Fig. 2 Cable arrangement mechanism

1.2.2 排纜補償機構(gòu)

為防止排纜過程中海纜從排纜機構(gòu)中脫落，必須使得排纜機構(gòu)中海纜的入纜口始終與儲纜卷筒上的海纜直線相切，海纜始終在纜繩槽內(nèi)，因此在每層海纜釋放完畢后，主動輸出輪需擺動一定角度進行補償，主要由安裝在螺母滑塊及輸出輪安裝側(cè)板上的擺動油缸實現(xiàn)，輸出輪在擺動油缸的帶動下，通過控制擺動油缸的伸縮行程可實現(xiàn)輸出輪上下擺動一定角度。

1.2.3 主動輸送機構(gòu)

主動輸送機構(gòu)主要由輸出輪、輸出輪馬達、壓緊機構(gòu)等組成，安裝在輸出輪側(cè)板上，如圖3 所示。壓緊機構(gòu)主要由第1 擺臂、第2 擺臂、擺臂馬達、連桿、彈簧、壓緊輪等組成，擺臂馬達驅(qū)動第1 擺臂，第1 擺臂和第2 擺臂頭部均設(shè)置有齒輪結(jié)構(gòu)，第一擺臂通過齒輪嚙合傳動帶動第二擺臂轉(zhuǎn)動；第1 擺臂和第2 擺臂尾部均通過彈簧安裝有壓緊輪，壓緊輪壓緊海纜；輸出輪由輸出輪馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，壓緊輪與輸出輪將海纜壓緊，通過海纜與輸出輪間的摩擦力給海纜提供輸送力，同時控制輸出輪馬達轉(zhuǎn)速，使得排纜機構(gòu)與卷筒之間的海纜始終保持一定的張力，從而實現(xiàn)有序鋪設(shè)。通過控制擺臂馬達調(diào)節(jié)第1 擺臂和第2 擺臂間的打開角度，可以適應(yīng)不同直徑海纜的輸送。當海纜即將釋放完時，第1 擺臂和第2 擺臂通過嚙合傳動同時打開，從而使海纜濕插拔接頭順利通過輸送機構(gòu)，最終鋪設(shè)至海底。

圖 3 主動輸送機構(gòu)Fig. 3 Active conveying mechanism

1.2.4 應(yīng)急剪切機構(gòu)

應(yīng)急剪切機構(gòu)主要由剪切油缸及剪切刀構(gòu)成，如圖4 所示。若鋪纜裝置作業(yè)過程中出現(xiàn)故障，無法進行正常鋪纜時，接通剪切油缸油路，液壓缸伸出帶動剪切刀移動至海纜位置，從而及時切斷海纜。

圖 4 應(yīng)急剪切機構(gòu)Fig. 4 Urgent cutting mechanism

1.2.5 濕插拔接頭主動釋放機構(gòu)

在海纜釋放過程中，電動插銷伸出，將濕插拔接頭固定在卷筒內(nèi)部，電動插銷通過卷筒上的滑環(huán)進行供電，從而實現(xiàn)插銷的作動。當海纜即將釋放完時，控制電動插銷收回，同時排纜機構(gòu)上主動輸出模塊及時打開，從而使?jié)癫灏谓宇^在卷筒轉(zhuǎn)動過程中自然滑落至海底，濕插拔接頭固定和釋放機構(gòu)如圖5 所示。

2 卷筒驅(qū)動設(shè)計計算

鋪纜裝置驅(qū)動裝置需根據(jù)海纜的相關(guān)參數(shù)進行機構(gòu)的驅(qū)動力矩及旋轉(zhuǎn)速度的計算。

2.1 海纜參數(shù)

作業(yè)型載人潛水器工作區(qū)域設(shè)計在水深1 000 m，定高100 m 航行，其敷設(shè)的海纜參數(shù)如下：海纜直徑d=Φ18 mm，最小彎曲半徑500 mm，長度10 km，空氣中重量m1=0.589 kg/m，海水中m2=0.328 kg/m。

2.2 卷筒排纜參數(shù)

圖 5 濕插拔接頭固定和釋放機構(gòu)Fig. 5 Fixation and release mechanism of watertight connector

根據(jù)海纜最小彎曲半徑為500 mm，因此設(shè)計儲纜卷筒的直徑D 為1 200 mm，根據(jù)潛水器的安裝空間，裝置卷筒長度L 設(shè)計為3 500 mm，每層海纜卷繞圈數(shù)t 如下式：

式 中： ΔP 為 排 纜 間 隙， Δ P=0.3 mm，計 算 得 到t=191.3；d 為海纜直徑，d=18 mm。

卷筒各層容纜量Ln如下式：

式中：n 為海纜層數(shù)；D 為卷筒直徑，D=1200 mm。

經(jīng)計算10 km 的海纜需排至12 層，第12 層海纜的中心距卷筒中心線的距離J 如下式：

2.3 卷筒驅(qū)動參數(shù)計算

在敷設(shè)海纜的過程中，卷筒需提供的最大扭矩主要由海纜最大張力決定，為了簡化問題計算最大張力，假設(shè)海底是平滑的，海纜為柔性的，不傳遞彎矩，計算穩(wěn)態(tài)敷纜時的海纜張力分布，對海纜微段ds 進行受力分析，如圖6 所示。圖中oxy 為慣性坐標系，坐標原點o 為海纜末端與海底接觸點處，潛水器航行方向為x 軸方向，ont 為海纜局部坐標系。

微段的平衡方程如下式：

圖 6 受力分析Fig. 6 Force analysis

式中：p 為海纜水中單位長度重力，p=m2×g=3.22 N/m；T 為海纜微段中點處的張力；vp為放纜速度，vp=1 m/s；vcs為作業(yè)潛水器相對海流航行速度，vcs=0.95 m/s；vt，vv分別為海纜相對海流的切向和法向速度；dQn和dQt為微段法向和切向的流體阻力。

采取適合圓形截面纜的Pode 模型[11]，則微段法向和切向的流體阻力如下式：

式中：ρ 為海水密度，ρ=1 027 kg/m3；Cn為海纜的法向阻力系數(shù)，取1.2，Ct為切向阻力系數(shù)，取0.025[12]。

整理得下式：

式中：x，y 分別為海纜x 方向和y 方向的位移。

海纜敷設(shè)選取余量敷設(shè)，認定海纜落地處張力為0，傾角為0，為避免計算出現(xiàn)奇異，計算時取張力為0.1N，傾角為0.1°。

邊界條件如下式：

選用4 階龍格庫塔法，通過Matlab 進行計算得到圖7 的張力分布圖。從圖中可以分析得到海纜最大張力在與潛水器連接處，最大張力T=317.1N，因此卷筒需提供的最大扭矩M 由下式計算得出：

卷筒最大轉(zhuǎn)速n 由下式計算得出：

圖 7 海纜張力分布圖Fig. 7 Force distribution of cable

3 海底鋪纜裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

海底鋪纜裝置設(shè)置有一套液壓系統(tǒng)，由載人潛水器水下液壓源驅(qū)動，鋪纜裝置上安裝有液壓閥箱，將壓力補償器、本地控制器、液壓閥組等集成為一體，油液將箱體充滿。液壓控制可實現(xiàn)的動作有液壓馬達驅(qū)動儲纜卷筒轉(zhuǎn)動、液壓馬達驅(qū)動排纜絲杠轉(zhuǎn)動、排纜補償油缸動作、液壓馬達驅(qū)動排纜機構(gòu)上主動輸出模塊的擺臂動作及驅(qū)動輸出輪轉(zhuǎn)動、液壓油缸驅(qū)動剪切刀動作，液壓原理圖如圖8 所示。

圖 8 液壓原理圖Fig. 8 Diagram of hydraulic schemtic

卷筒驅(qū)動回路用于控制卷筒的收、放、停止、制動，SV1 電磁比例換向閥控制卷筒收放動作并進行無級調(diào)速，溢流閥TSV1 用于海纜釋放時調(diào)節(jié)纜張力和回收時的張力保護，平衡閥CBV1 防止卷筒過載時失控，電磁閥SV2 控制卷筒制動。

絲杠馬達控制回路用于控制絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠馬達主要由電磁比例換向閥SV3 控制絲杠轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。補償油缸控制回路用于控制輸出輪的擺動角度，主要由電磁換向閥SV6 的得電來控制補償油缸動作，并設(shè)置角度反饋。

輸出輪馬達控制回路用于控制輸出輪的動作，主要由電磁比例換向閥SV4 來控制輸出輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。擺臂馬達控制回路用于控制壓緊輪壓緊或釋放動作，擺臂馬達由電磁換向閥SV5 的得電來控制壓緊輪的動作。

應(yīng)急剪切控制采用剪切油缸驅(qū)動，由電磁換向閥SV7 來控制油缸動作。

海底鋪纜裝置液壓系統(tǒng)由可編程控制器控制液壓閥箱內(nèi)的閥塊動作，達到執(zhí)行指令的目的，同時可編程控制器可控制儲纜卷筒內(nèi)部濕插拔接頭釋放作動器動作，以解脫濕插拔接頭。

卷筒的旋轉(zhuǎn)軸上安裝有深海編碼器，用于實時檢測卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，可編程控制器通過將編碼器傳遞過來的檢測數(shù)據(jù)進行計算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為海纜釋放的實際長度及海纜在卷筒上的層數(shù)。絲杠馬達控制回路中的電磁比例換向閥與編碼器構(gòu)成位置閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)排纜機構(gòu)的收纜或放纜速度。輸出輪馬達則與輸出輪液壓回路中的電磁比例換向閥構(gòu)成開環(huán)控制?？删幊炭刂破魍ㄟ^控制補償油缸的伸縮行程實現(xiàn)輸出輪上下擺動一定角度以進行輸出輪角度補償。

海底鋪纜裝置收纜、放纜和停止動作主要通過電磁比例換向閥進行切換，同時，電磁比例換向閥可用于調(diào)節(jié)儲纜卷筒的轉(zhuǎn)動速度?？删幊炭刂破魍ㄟ^控制閥箱內(nèi)的電磁比例換向閥，來驅(qū)動海底鋪纜裝置的絲杠馬達輸出輪馬達，完成海底鋪纜裝置的收放纜功能。

4 結(jié) 語

本文提出了深海載人潛水器攜帶海底鋪纜裝置進行深海海底直接鋪纜的方式，通過載人潛水器在近海底航行機動、海底鋪纜裝置進行同步儲纜與放纜，從而完成海纜的直接鋪設(shè)。詳細介紹了海底鋪纜裝置的原理、裝置結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動參數(shù)計算、液壓控制系統(tǒng)設(shè)計，為深海水下載人潛器的作業(yè)模塊鋪纜系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒和參考。