張浩立，鄧智勇，羅友高

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

潛水器布放回放系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

張浩立，鄧智勇，羅友高

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

布放回收系統(tǒng)是潛水器的重要配套裝備，先進(jìn)可靠的布放回收系統(tǒng)能直接提高潛水器海洋作業(yè)安全性和作業(yè)效率。本文簡(jiǎn)要分析了在潛水器布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的緩沖保護(hù)、自動(dòng)對(duì)接、風(fēng)浪補(bǔ)償及恒張力排纜等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并綜述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研制應(yīng)用的幾種典型潛水器布放回收系統(tǒng)。隨著潛水器技術(shù)的飛速發(fā)展，其布放回收技術(shù)也將得到進(jìn)一步的重視和發(fā)展。

潛水器;門(mén)形架;單臂式;集成式;滑道式，船舯月池;布放回收系統(tǒng)

0 引言

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，為了生存和發(fā)展，人類(lèi)越來(lái)越重視對(duì)海洋開(kāi)發(fā)與利用，于是將目光集中到了潛水器身上，各式各樣的潛水器得到了飛速發(fā)展。目前，潛水器可分為有纜遙控機(jī)器人(ROV)和無(wú)纜自治機(jī)器人(AUV)2種基本類(lèi)型，主要用于深海打撈救生、水下軍事偵察、海洋調(diào)查與勘察、電纜管線鋪設(shè)及維護(hù)、水下定位考古等海洋作業(yè)。2010年7月，我國(guó)自主研制的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器深潛試驗(yàn)取得成功，標(biāo)志著我國(guó)潛水器技術(shù)取得了跨越式發(fā)展。

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，潛水器是開(kāi)發(fā)利用海洋必不可少的作業(yè)裝備。潛水器作為水下設(shè)備，主要由潛水器本體、中繼器、臍帶纜、收放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成，其作業(yè)能力很大程度上受到海域海況的影響，而海況的影響主要反映在其布放和回收過(guò)程中，安全、可靠、快速的布放和回收系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱收放系統(tǒng))，是潛水器適應(yīng)海洋作業(yè)必備配套裝備之一。

1 收放系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

隨著潛水器技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其科技含量及制造成本越來(lái)越高，所配帶的精密儀器越來(lái)越多，特別是水下載人機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用，單一對(duì)其進(jìn)行起吊和釋放的模式已經(jīng)不能滿足使用要求。為了提高潛水器深海作業(yè)效率和作業(yè)安全性，方便各操作崗位之間的協(xié)同作業(yè)能力，防止機(jī)器人在收放過(guò)程中發(fā)生激烈擺蕩或遭受撞擊，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)在潛水器收放系統(tǒng)上得到了應(yīng)用和發(fā)展。

1.1 收放系統(tǒng)總體技術(shù)方案

潛水器在海洋作業(yè)時(shí)，除了其機(jī)器人本體以外，還常常配有臍帶纜、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成設(shè)備搭載在母船上，因此在設(shè)計(jì)潛水器收放系統(tǒng)時(shí)，須充分考慮其所有組成設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能原理，運(yùn)用集成化設(shè)計(jì)思想，確保所有設(shè)備布置緊湊合理，方便安裝固定，增強(qiáng)各操作崗位之間的協(xié)同能力，提高潛水器的作業(yè)安全性和作業(yè)效率［1］。

1.2 機(jī)械式自動(dòng)釋放回收技術(shù)

當(dāng)潛水器下水作業(yè)時(shí)，需要通過(guò)收放系統(tǒng)將其吊放到水面進(jìn)行釋放;當(dāng)完成深海作業(yè)升至水面后，收放系統(tǒng)必須能與機(jī)器人進(jìn)行對(duì)接，并回收至母船上。在上述過(guò)程中，要求收放系統(tǒng)有1套專用釋放回收裝置，針對(duì)潛水器自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，盡可能設(shè)計(jì)1套可靠性和作業(yè)效率更高的純機(jī)械式自動(dòng)釋放回收裝置，使裝置與機(jī)器人自動(dòng)釋放、對(duì)接，避免依靠潛水員下水輔助作業(yè)的傳統(tǒng)且相對(duì)較危險(xiǎn)的模式。

1.3 緩沖對(duì)接保護(hù)技術(shù)

在收放潛水器的過(guò)程中，由于搭載母船縱橫搖晃的影響，使得被聯(lián)接在收放系統(tǒng)吊臂上的機(jī)器人發(fā)生擺蕩，甚至?xí)c船體或吊臂發(fā)生碰撞，對(duì)設(shè)備和人員的安全構(gòu)成威脅。因此，有必要在收放系統(tǒng)吊臂頂部設(shè)計(jì)一種專用帶緩沖保護(hù)功能的對(duì)接裝置，要求該裝置能自動(dòng)停止起吊鋼纜絞車(chē)運(yùn)行，能通過(guò)緩沖阻尼器施加反力固定住潛水器，能控制潛水器在吊臂擺動(dòng)過(guò)程中始終保持同一朝向，避免需要操作人員輔助控制機(jī)器人擺蕩。

1.4 風(fēng)浪補(bǔ)償技術(shù)

系統(tǒng)在進(jìn)行潛水器收放作業(yè)時(shí)，由于海面波浪起伏的作用，機(jī)器人和母船均會(huì)以各自不同的周期隨波浪做升沉運(yùn)動(dòng)，特別是在機(jī)器人入水和出水過(guò)程中，極有可能導(dǎo)致母船和機(jī)器人隨波浪朝相反方向做升沉運(yùn)動(dòng)，使起吊鋼纜交替循環(huán)地由松弛狀態(tài)突然變成張緊狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的沖擊，對(duì)鋼纜或?qū)友b置造成損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備和人員安全。因此，需要在液壓系統(tǒng)中加入風(fēng)浪補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對(duì)鋼纜進(jìn)行恒張力控制，即當(dāng)鋼纜松弛時(shí)，主動(dòng)拉緊鋼纜;當(dāng)鋼纜突然張緊時(shí)，主動(dòng)釋放鋼纜，緩解鋼纜及受力構(gòu)件所受的沖擊，以提高潛水器收放系統(tǒng)的可靠性、安全性和使用壽命［2］。

2 典型收放系統(tǒng)

我國(guó)早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了潛水器布放回收系統(tǒng)的研究工作，隨著潛水器技術(shù)和成本不斷提高，人們對(duì)其收放作業(yè)效率、作業(yè)安全性、作業(yè)協(xié)同性的要求也越來(lái)越高，因此各式各樣的潛水器收放系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。下面列舉幾種典型的收放系統(tǒng)模式。

2.1 單臂收放系統(tǒng)

單臂收放系統(tǒng)是最簡(jiǎn)易的一種潛水器收放系統(tǒng)，可針對(duì)潛水器的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)專用起吊臂，也可直接利用母船上已有的克令吊作為吊臂。該形式收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，且占用母船空間少，目前廣泛應(yīng)用于各類(lèi)中小型潛水器收放作業(yè)(見(jiàn)圖1和圖2所示)。但單臂收放系統(tǒng)功能單一，只能單純對(duì)潛水器進(jìn)行起吊和釋放，作業(yè)時(shí)需要操作人員進(jìn)行配合保護(hù)機(jī)器人的安全。

2.2 門(mén)形架收放系統(tǒng)

門(mén)形架式收放系統(tǒng)是最具代表性的潛水器收放系統(tǒng)。該系統(tǒng)技術(shù)較成熟，可廣泛用于各種類(lèi)型潛水器收放作業(yè)。通常情況下，系統(tǒng)主要由門(mén)形架、緩沖對(duì)接保護(hù)裝置、釋放回收裝置、鋼纜絞車(chē)、液壓系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等部分組成。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可安裝在母船尾部(如圖3所示)，也可安裝在母船舷側(cè)(如圖4所示)。門(mén)形架收放系統(tǒng)還具有通用性，不僅可用于收放潛水器，還可用于其他水下作業(yè)設(shè)備的收放［4］。

2.3 集成式收放系統(tǒng)

針對(duì)小型有纜潛水器(ROV)配套設(shè)備多、存放分散等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的集成式收放系統(tǒng)，有效解決了潛水器系統(tǒng)的運(yùn)輸、吊裝、存放、機(jī)器人的自動(dòng)釋放回收、機(jī)器人的緩沖對(duì)接保護(hù)、臍帶纜的恒張力保護(hù)及自動(dòng)收放排纜等問(wèn)題。集成式收放系統(tǒng)可存放在陸上車(chē)間內(nèi)，待需要海洋作業(yè)時(shí)可臨時(shí)整體吊裝到搭載母船甲板上，避免了純門(mén)架式收放系統(tǒng)對(duì)母船的永久依賴性。且該系統(tǒng)運(yùn)用集成化設(shè)計(jì)思想，充分考慮人性化操作要求，各組成設(shè)備布置緊湊合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠，整體安裝運(yùn)輸方便［1］。

新型集成式潛水器收放系統(tǒng)主要由集成結(jié)構(gòu)平臺(tái)、控制間、門(mén)架及變幅油缸、鋼纜絞車(chē)、機(jī)器人機(jī)械式自動(dòng)釋放回收裝置、全回轉(zhuǎn)式緩沖對(duì)接保護(hù)裝置、臍帶纜恒張力自動(dòng)收放及排纜裝置、液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部分組成，見(jiàn)圖5和圖6所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1套全自動(dòng)、純機(jī)械式釋放對(duì)接裝置，利用磨擦角度的變化對(duì)滑移力大小的控制，設(shè)計(jì)出雙錐面結(jié)構(gòu)形式的釋放軸環(huán)，可靠實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛水器的自動(dòng)釋放與對(duì)接;巧妙采用兩半式對(duì)稱結(jié)構(gòu)使裝置能適用于不同設(shè)備，且安裝使用方便，動(dòng)作靈活可靠［5］。且設(shè)計(jì)了1套新型恒張力收放及自動(dòng)排纜的臍帶纜絞車(chē)裝置，利用兩端帶錐度的壓緊輪結(jié)構(gòu)，保證臍帶纜在卷筒上自動(dòng)換向及整齊排布，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，適合于大長(zhǎng)度、多層級(jí)臍帶纜的自動(dòng)排纜;通過(guò)控制磁粉耦合力，實(shí)現(xiàn)了小載荷、高精度、多級(jí)的臍帶纜恒張力保護(hù)［6］。巧妙利用潛水器結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種全回轉(zhuǎn)式緩沖對(duì)接保護(hù)裝置，可保證機(jī)器人在門(mén)架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)任意角度下的自動(dòng)導(dǎo)向?qū)?，且通過(guò)阻尼緩沖反力卡緊機(jī)器人本體，防止其在波浪影響下擺蕩，有效避免探測(cè)器與其他設(shè)備發(fā)生碰撞。

該系統(tǒng)已成功完成了多次海洋作業(yè)任務(wù)，其總體設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定可靠、集成化程度高、操作維護(hù)方便，且能臨時(shí)在母船上安裝，極大地提高了潛水器布放和回收時(shí)的作業(yè)效率和作業(yè)安全性。該系統(tǒng)的集成化思想還可廣泛應(yīng)用于各種海洋作業(yè)裝備的布放回收作業(yè)。

2.4 滑道式收放系統(tǒng)

滑道式收放系統(tǒng)主要應(yīng)用于需要連續(xù)釋放多個(gè)設(shè)備的水下作業(yè)機(jī)器人收放作業(yè)，例如有一種水下測(cè)量機(jī)器人的水下部分，由臍帶纜、測(cè)量機(jī)器人、中間纜及壓載鉛等部分依次連接組成，且臍帶纜在釋放的同時(shí)還要間隔一定距離綁定浮球，如果采用吊放的形式進(jìn)行布放回收，則操作極其不便，且易損壞設(shè)備，因此需要設(shè)計(jì)一種專用滑道式收放系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由集成平臺(tái)、臍帶纜絞車(chē)、線陣轉(zhuǎn)盤(pán)、液壓系統(tǒng)、操作平臺(tái)、移動(dòng)滑道、控制系統(tǒng)等部分組成，如圖7和圖8所示。

該收放系統(tǒng)在準(zhǔn)備作業(yè)前，可將測(cè)量機(jī)器人放在操作平臺(tái)上，壓載鉛魚(yú)放在翻轉(zhuǎn)滑道水平段上，將鉛魚(yú)與中間纜陣連接(見(jiàn)圖7);在布放作業(yè)時(shí)，翻轉(zhuǎn)滑道翻轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，中間纜另一端通過(guò)1根系纜繩連接。當(dāng)中間纜在鉛魚(yú)重力作用下放出后，再將其與測(cè)量機(jī)器人連接，并解開(kāi)系纜繩，再將操作平臺(tái)翻至傾斜狀態(tài)布放測(cè)量機(jī)器人(見(jiàn)圖8)，利用其自身重力作用，依次沿滑道滑入水中;回收作業(yè)時(shí)，在絞車(chē)?yán)瓌?dòng)力下，各設(shè)備沿滑道依次回收至母船上。

針對(duì)各種特殊潛水器的結(jié)構(gòu)形式，有圖9所示的2種滑道式釋放系統(tǒng)。這種系統(tǒng)針對(duì)性太強(qiáng)，主要用于機(jī)器人的布放作業(yè)。

圖9 特殊滑道式收放系統(tǒng)Fig.9 Special chute type launch＆recovery system

2.5 船舯月池式收放系統(tǒng)

船舯月池式收放系統(tǒng)是在船體中部對(duì)潛水器進(jìn)行釋放回收作業(yè)。該形式系統(tǒng)需要安裝在專用母船上，制造成本高，潛水器通過(guò)母船上吊臂吊至船舯月池上方，可直接從中央月池內(nèi)吊放入水中(見(jiàn)圖10左側(cè))，也可根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，在船舯月池內(nèi)設(shè)置垂直軌道，機(jī)器人沿軌道直接滑入水中(見(jiàn)圖10右側(cè))，該軌道式船舯月池收放系統(tǒng)在布放時(shí)可有效保護(hù)潛水器安全。

圖10 船舯月池式收放系統(tǒng)Fig.10 Midship moon-pool launch and recovery system

3 結(jié)語(yǔ)

收放系統(tǒng)作為潛水器的重要配套裝備，對(duì)潛水器海洋作業(yè)效率起著至關(guān)重要的作用。隨著開(kāi)發(fā)利用海洋進(jìn)程的加速，潛水器技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各式各樣的潛水器不斷出現(xiàn)，因此潛水器收放系統(tǒng)的需求也迅速增加，這也為潛水器收放技術(shù)的不斷發(fā)展提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外幾種典型收放系統(tǒng)的介紹，對(duì)各型潛水器的布放與回收具有廣泛的參考意義，也可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其他海洋水下作業(yè)裝備的布放與回收。

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ZHANG Hao-li，DENG Zhi-yong，et al.Invariable tension auto gather-release and arrange-cable cord cable winch device［P］.China Patent:ZL200920085244.9，2009 －04 －24.

Development actuality of submarine launch and recovery system

ZHANG Hao-li，DENG Zhi-yong，LUO You-gao
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

The launch and recovery system is an important accessory equipment of the submarine.Advanced and reliable launch and recovery system can directly improve the marine operations safety and efficiency of the underwater robot.This paper brief analyzes the key technologies of the buffer protection，automatic connecting，wind compensation，and the constant tension cable arrange on designning the submarine launch and recovery system，and summarizes several different typical submarine launch and recovery system.With the rapid development of submarine，its launch and recovery technology will also be further attention and development.

submarine;door-shaped frame;single-arm type;integration type;chute type;midship moon-pool;launch and recovery system

U674.76

A

1672－7649(2012)04－0003－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.001

2011－06－23;

2011－08－02

張浩立(1980－)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。