科考船絞車系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

葛楊元，楊 宇，李文華，林珊穎，潘瑞祥，婁興建

（1. 南通力威機(jī)械有限公司，江蘇南通 226500；2. 上海彩虹魚(yú)海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，需要具備對(duì)海洋觀測(cè)、探測(cè)及預(yù)測(cè)的能力。海洋綜合科考船是在傳統(tǒng)海洋學(xué)科領(lǐng)域趨于逐步融合的背景下，配備技術(shù)先進(jìn)的船舶操控裝備和科考調(diào)查設(shè)備，具有多學(xué)科、多功能、多技術(shù)手段的綜合科學(xué)考察能力，能在海洋上為各類學(xué)科提供同步調(diào)查和科考活動(dòng)的船舶平臺(tái)?？瓶冀g車系統(tǒng)是海洋科考船的基本配置設(shè)備，科考船上配備有各種類型的絞車，來(lái)完成不同船載探測(cè)儀器的轉(zhuǎn)運(yùn)、投放和回收等作業(yè)，從而為海洋調(diào)查研究工作，特別是水文、生物和地質(zhì)研究等的開(kāi)展提供強(qiáng)有力的保障[1]。

1 科考船絞車系統(tǒng)的作用

科考絞車設(shè)備是指用于存儲(chǔ)和收放科考作業(yè)用纜繩的各種類型絞車的總稱。隨著海洋調(diào)查裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，如潛水器、水下機(jī)器人和水下作業(yè)儀器等調(diào)查儀器，需要有專門的絞車設(shè)備把調(diào)查儀器放入指定位置并進(jìn)行回收。這些調(diào)查儀器大多數(shù)需要通過(guò)在科考船舶上設(shè)置的各種類型的絞車實(shí)現(xiàn)其升降和位置的定位與平衡[2]。如萬(wàn)米鹽溫深（Conductivity, Temperature, Depth，CTD）儀器絞車配合CTD收放裝置，組成CTD收放系統(tǒng)，用于萬(wàn)米深海CTD取樣器的收放及相關(guān)科考作業(yè)；全海深地質(zhì)絞車用于全海深條件下海底地質(zhì)取樣及相關(guān)科考作業(yè)，可在最大海深區(qū)域內(nèi)開(kāi)展地質(zhì)取樣；光電纜絞車用于使用深海光電復(fù)合纜的科考作業(yè)，可以布放回收與光電纜適配的各型遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）等。

2 科考船絞車系統(tǒng)的分類

出于不同的科學(xué)考查目的，科考船上安裝的絞車也有各種不同的類型，按照不同的分類方法，科考絞車可分為如下類型，見(jiàn)圖1[3]。

圖1 科考船絞車系統(tǒng)分類

按裝船形式的不同，可分為固定安裝式絞車和移動(dòng)安裝式絞車；移動(dòng)式絞車方便安裝、更換，切換成本較低。

按纜繩種類的不同，可分為鋼纜絞車、合成纜絞車、同軸纜絞車、光纜絞車等；不同纜繩功能特性不同，鋼纜耐磨，合成纜水下質(zhì)量輕，光纜可進(jìn)行信號(hào)傳輸，用于可視抓斗、光學(xué)拖體、深海鉆機(jī)等可視設(shè)備，而同軸纜一般用于深拖等。

按照工作功能的不同，可分為儲(chǔ)纜絞車和牽引絞車；牽引絞車依靠輪槽間的摩擦力能大大減小纜繩上張力，儲(chǔ)纜絞車則用于儲(chǔ)存纜繩。

按作業(yè)類型的不同，可分為地質(zhì)絞車、深拖絞車、電視取樣絞車、水文生物絞車、CTD絞車、痕量金屬絞車、ROV絞車、地震炮纜絞車、地震電纜絞車等；地質(zhì)絞車用于投放海底地質(zhì)取樣設(shè)備，CTD絞車用于投放溫深鹽剖面儀及采水等，深拖絞車一般用于拖曳船后的地球物理觀測(cè)儀器，水文絞車用于收放水文測(cè)量?jī)x器，地震電纜絞車則用于收放地震電纜進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查。

按結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為組合絞車（儲(chǔ)纜＋牽引）和直拉絞車；直拉絞車一般用于淺海，采用儲(chǔ)纜滾筒作為牽引機(jī)構(gòu)牽引纜繩，纜繩回收之后直接纏繞在儲(chǔ)纜滾筒上，一般載荷較小[4]，組合絞車包括牽引絞車和儲(chǔ)纜絞車，通過(guò)牽引絞車減張力后，儲(chǔ)纜絞車上能維持一個(gè)較小的張力，組合絞車可以承受更大負(fù)荷，容繩量更大。

按驅(qū)動(dòng)形式的不同，可分為液壓絞車和電動(dòng)絞車；液壓絞車具有優(yōu)良的調(diào)速性能，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)極調(diào)速，而電動(dòng)絞車操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

國(guó)外研發(fā)科考船絞車系統(tǒng)已有100多年歷史，研發(fā)機(jī)構(gòu)主要集中在歐美國(guó)家，如挪威RAPP Marine （ 被MacGreror 收 購(gòu)）、 美 國(guó)Markey Machinery 、 丹 麥 MacArtney Underwater Technology、加拿大Hawboldt Industries、法國(guó)Kley france、英國(guó)Rolls-Royce、西班牙Ibercisa、芬蘭MacGreror等。

國(guó)內(nèi)南通力威機(jī)械有限公司于2015年先后為俄羅斯3艘科考船配備6套載荷分別為5 t/12 t/20 t的電動(dòng)絞車，容繩量達(dá)8 000 m，并通過(guò)中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）認(rèn)證，目前運(yùn)行效果良好。2018年，大連海事大學(xué)聯(lián)合南通力威機(jī)械有限公司等單位承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)“全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)研制”項(xiàng)目，成功研發(fā)國(guó)產(chǎn)全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)“海威DJ11000”，見(jiàn)圖1，容繩量達(dá)13 000 m，工作載荷≥20 t，系統(tǒng)性能及技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)到并部分超過(guò)國(guó)外同類主流產(chǎn)品水平，關(guān)鍵核心部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)100%，完全實(shí)現(xiàn)自主可控。2021年10月，“海威DJ11000”隨自然資源部北海局“向陽(yáng)紅06”船在公海海域完成了首個(gè)航次的深海調(diào)查任務(wù)，獲得多站位的深海樣品。

圖1 國(guó)產(chǎn)全海深地質(zhì)絞車系統(tǒng)“海威DJ11000”

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所研發(fā)的萬(wàn)米科考絞車，安裝在“探索二號(hào)”科考船上[5]。無(wú)錫德林防務(wù)裝備股份有限公司研制完成萬(wàn)米級(jí)光電復(fù)合纜深?？瓶冀g車樣機(jī)。江蘇射陽(yáng)遠(yuǎn)洋船舶機(jī)械科技有限公司研制完成DSWS-10000型萬(wàn)米鋼纜深海絞車樣機(jī)。湖南科技大學(xué)研制了電驅(qū)動(dòng)主動(dòng)升沉海洋絞車樣機(jī)。

國(guó)外最近建造的艘科考船配置的絞車參數(shù)[6]：

1）新“太陽(yáng)”號(hào)（Sonne）是德國(guó)聯(lián)邦教研部新建的一艘全球級(jí)海洋綜合科考船，該船的科考絞車系統(tǒng)為電動(dòng)型，并埋艙安裝，詳細(xì)絞車系統(tǒng)情況見(jiàn)表1。

表1 新“太陽(yáng)”號(hào)（Sonne）科考絞車系統(tǒng)

2）英國(guó)新“發(fā)現(xiàn)”號(hào)（Discovery）是一艘全球級(jí)的海洋綜合科考船，該船科考絞車系統(tǒng)見(jiàn)表2。

表2 新“發(fā)現(xiàn)”號(hào)（Discovery）科考絞車系統(tǒng)

3）“Investigator”號(hào)是澳大利亞新建的1艘全球級(jí)的科學(xué)調(diào)查船，該船科考絞車系統(tǒng)見(jiàn)表3。

表3 “Investigator”號(hào)科考絞車系統(tǒng)

4 科考船絞車系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

從目前國(guó)內(nèi)外科考絞車的裝備情況以及發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，未來(lái)科考船絞車系統(tǒng)將朝著以下6個(gè)方向發(fā)展：

1）控制自動(dòng)化和智能化。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)絞車系統(tǒng)自動(dòng)化程度會(huì)進(jìn)一步提高，對(duì)絞車的運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)更智能的控制，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的纜繩收放及高精度的排纜。

2）深?；?。隨著海洋科考調(diào)查逐步邁入深水以及超深水領(lǐng)域，對(duì)于科考絞車設(shè)備也必然要滿足深?；男枨?，超過(guò)10 000 m的深海絞車的研制與應(yīng)用將是發(fā)展趨勢(shì)，更輕質(zhì)、強(qiáng)度更高的纖維纜將得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)帶有牽引的恒張力絞車將會(huì)越來(lái)越多。

3）集成化。由于科考船甲板作業(yè)面積有限，而且科考船一般都要配備多臺(tái)不同類型的絞車設(shè)備以滿足不同的科考研究需要，科考絞車系統(tǒng)必然要趨于小型化，集成化，使得科考船作業(yè)甲板得到最大程度的利用。

4）波浪補(bǔ)償功能。在高海況條件下進(jìn)行科學(xué)考察時(shí)，由于船舶在波浪作用下不停的運(yùn)動(dòng)，使得科考儀器的收放困難，并且一些科考儀器需要固定在海底某個(gè)深度進(jìn)行考查，船體的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)儀器上下運(yùn)動(dòng)無(wú)法滿足科考需求，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞纜繩或科考設(shè)備，因此，將來(lái)科考絞車系統(tǒng)增加波浪補(bǔ)償功能是必不可少的。

5）高適應(yīng)、高可靠性。在海洋環(huán)境中工作的科考船絞車設(shè)備，由于洋流、海風(fēng)等影響，需要對(duì)各種工作條件有更好的適應(yīng)性，在海上惡劣的工作環(huán)境中要能保持系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

6）信息化。絞車系統(tǒng)上設(shè)置大量故障報(bào)警點(diǎn)，通過(guò)信息采集技術(shù)，可以在線、實(shí)時(shí)地監(jiān)控絞車的運(yùn)行狀況，通過(guò)遠(yuǎn)程接入端口，可以允許陸上接入，共同解決絞車系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題。

5 結(jié)論

科考船絞車作為在海洋調(diào)查中投放科考儀器的設(shè)備，在海洋科學(xué)調(diào)查中起著決定科考作業(yè)是否成功的重要作用。本文介紹了科考絞車的作用，按照不同的分類方式對(duì)科考船絞車進(jìn)行了系統(tǒng)的劃分，分析了國(guó)外以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段科考絞車系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并基于目前國(guó)內(nèi)外整體研究情況，提出了未來(lái)科考船絞車系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)深海和極地科考絞車技術(shù)發(fā)展提供參考。