姚晨佼，范華濤，宋 強(qiáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)大學(xué)深海觀測設(shè)備進(jìn)行了“中國連纜觀測站試驗(yàn)”[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(jì)劃，并開始了新的歐洲多學(xué)科海底觀測網(wǎng)（EMOS）計(jì)劃[4]。2006 年，維多利亞海底試驗(yàn)網(wǎng)（VENUS）由加拿大建設(shè)完成[5–6]。2009 年，西北太平洋時(shí)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(jì)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(chǔ)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(qiáng)，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(jìn)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(jī)動(dòng)、海底鋪纜裝置進(jìn)行同步儲(chǔ)纜與放纜，從而完成海纜的直接鋪設(shè)。基于載人作業(yè)型潛器的鋪纜方式可有效避免作業(yè)時(shí)海面風(fēng)浪對鋪纜過程的影響，同時(shí)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(chǔ)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(jī)動(dòng)，海底鋪纜裝置進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)合適的鋪設(shè)余量，本文提出的利用載人潛器進(jìn)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(jì)

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(dòng)機(jī)構(gòu)、排纜機(jī)構(gòu)、主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、排纜補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、濕插拔接頭主動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)、應(yīng)急剪切機(jī)構(gòu)等。海纜鋪設(shè)時(shí)，海纜從儲(chǔ)纜卷筒釋放，經(jīng)過排纜機(jī)構(gòu)及主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)出纜口，海纜布放由儲(chǔ)纜卷筒、排纜機(jī)構(gòu)、主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)、排纜補(bǔ)償機(jī)構(gòu)協(xié)同控制。

1.2.1 排纜機(jī)構(gòu)

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

排纜機(jī)構(gòu)主要由傳動(dòng)絲杠、螺母滑塊、導(dǎo)向桿、輸出輪、絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等組成，排纜機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳動(dòng)絲杠由絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，排纜機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)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(dòng)，排纜機(jī)構(gòu)與卷筒之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以保證卷筒旋轉(zhuǎn)一圈，螺母滑塊在絲杠上運(yùn)動(dòng)一個(gè)海纜直徑的長度，當(dāng)海纜釋放到卷筒一端時(shí)，輸出輪也到達(dá)行程端點(diǎn)，此時(shí)控制單元下發(fā)換向指令，使絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)達(dá)到換向目的，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)排纜，儲(chǔ)纜卷筒與排纜機(jī)構(gòu)絲杠通過控制單元實(shí)現(xiàn)速度匹配。

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

1.2.2 排纜補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

為防止排纜過程中海纜從排纜機(jī)構(gòu)中脫落，必須使得排纜機(jī)構(gòu)中海纜的入纜口始終與儲(chǔ)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(dòng)輸出輪需擺動(dòng)一定角度進(jìn)行補(bǔ)償，主要由安裝在螺母滑塊及輸出輪安裝側(cè)板上的擺動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)，輸出輪在擺動(dòng)油缸的帶動(dòng)下，通過控制擺動(dòng)油缸的伸縮行程可實(shí)現(xiàn)輸出輪上下擺動(dòng)一定角度。

1.2.3 主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)

主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)主要由輸出輪、輸出輪馬達(dá)、壓緊機(jī)構(gòu)等組成，安裝在輸出輪側(cè)板上，如圖3 所示。壓緊機(jī)構(gòu)主要由第1 擺臂、第2 擺臂、擺臂馬達(dá)、連桿、彈簧、壓緊輪等組成，擺臂馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)帶動(dòng)第二擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)；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(dá)驅(qū)動(dòng)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(shí)控制輸出輪馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使得排纜機(jī)構(gòu)與卷筒之間的海纜始終保持一定的張力，從而實(shí)現(xiàn)有序鋪設(shè)。通過控制擺臂馬達(dá)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(dāng)海纜即將釋放完時(shí)，第1 擺臂和第2 擺臂通過嚙合傳動(dòng)同時(shí)打開，從而使海纜濕插拔接頭順利通過輸送機(jī)構(gòu)，最終鋪設(shè)至海底。

圖 3 主動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)Fig. 3 Active conveying mechanism

1.2.4 應(yīng)急剪切機(jī)構(gòu)

應(yīng)急剪切機(jī)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(jìn)行正常鋪纜時(shí)，接通剪切油缸油路，液壓缸伸出帶動(dòng)剪切刀移動(dòng)至海纜位置，從而及時(shí)切斷海纜。

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

1.2.5 濕插拔接頭主動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)

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

2 卷筒驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算

鋪纜裝置驅(qū)動(dòng)裝置需根據(jù)海纜的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩及旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)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(jì)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(jī)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(jì)儲(chǔ)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(jì)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(jì) 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(jì)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(dòng)參數(shù)計(jì)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(jì)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(jì)算穩(wěn)態(tài)敷纜時(shí)的海纜張力分布，對海纜微段ds 進(jìn)行受力分析，如圖6 所示。圖中oxy 為慣性坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)o 為海纜末端與海底接觸點(diǎn)處，潛水器航行方向?yàn)閤 軸方向，ont 為海纜局部坐標(biāo)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(diǎn)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(rèn)定海纜落地處張力為0，傾角為0，為避免計(jì)算出現(xiàn)奇異，計(jì)算時(shí)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(jìn)行計(jì)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(jì)算得出：

卷筒最大轉(zhuǎn)速n 由下式計(jì)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(jì)

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(dòng)，鋪纜裝置上安裝有液壓閥箱，將壓力補(bǔ)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(shí)現(xiàn)的動(dòng)作有液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排纜絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、排纜補(bǔ)償油缸動(dòng)作、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排纜機(jī)構(gòu)上主動(dòng)輸出模塊的擺臂動(dòng)作及驅(qū)動(dòng)輸出輪轉(zhuǎn)動(dòng)、液壓油缸驅(qū)動(dòng)剪切刀動(dòng)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(dòng)回路用于控制卷筒的收、放、停止、制動(dòng)，SV1 電磁比例換向閥控制卷筒收放動(dòng)作并進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，溢流閥TSV1 用于海纜釋放時(shí)調(diào)節(jié)纜張力和回收時(shí)的張力保護(hù)，平衡閥CBV1 防止卷筒過載時(shí)失控，電磁閥SV2 控制卷筒制動(dòng)。

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

輸出輪馬達(dá)控制回路用于控制輸出輪的動(dòng)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(dá)控制回路用于控制壓緊輪壓緊或釋放動(dòng)作，擺臂馬達(dá)由電磁換向閥SV5 的得電來控制壓緊輪的動(dòng)作。

應(yīng)急剪切控制采用剪切油缸驅(qū)動(dòng)，由電磁換向閥SV7 來控制油缸動(dòng)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(dòng)作，達(dá)到執(zhí)行指令的目的，同時(shí)可編程控制器可控制儲(chǔ)纜卷筒內(nèi)部濕插拔接頭釋放作動(dòng)器動(dòng)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(shí)時(shí)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(jìn)行計(jì)算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為海纜釋放的實(shí)際長度及海纜在卷筒上的層數(shù)。絲杠馬達(dá)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(jī)構(gòu)的收纜或放纜速度。輸出輪馬達(dá)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(bǔ)償油缸的伸縮行程實(shí)現(xiàn)輸出輪上下擺動(dòng)一定角度以進(jìn)行輸出輪角度補(bǔ)償。

海底鋪纜裝置收纜、放纜和停止動(dòng)作主要通過電磁比例換向閥進(jìn)行切換，同時(shí)，電磁比例換向閥可用于調(diào)節(jié)儲(chǔ)纜卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。可編程控制器通過控制閥箱內(nèi)的電磁比例換向閥，來驅(qū)動(dòng)海底鋪纜裝置的絲杠馬達(dá)輸出輪馬達(dá)，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(jìn)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(jī)動(dòng)、海底鋪纜裝置進(jìn)行同步儲(chǔ)纜與放纜，從而完成海纜的直接鋪設(shè)。詳細(xì)介紹了海底鋪纜裝置的原理、裝置結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算、液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為深海水下載人潛器的作業(yè)模塊鋪纜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。