新闻资讯
了解更多
海洋智能运营中心(IOC)即智慧海洋的“大脑”,华为云依托IoT、大数据、视频云平台、集成通信、GIS等服务,实现海洋运行状态感知、海洋资源统一调度及突发事件的全景式指挥,提升海洋应急处置能力,促进海洋管理科学化和决策智能化
“蛟龙”号载人潜水器的布放回收系统及其关键技术
来源: | 作者:pro22606c | 发布时间: 2020-12-15 | 41 次浏览 | 分享到:

随着各国大力推进海洋探索和开发进程,各类潜水器技术得到迅速发展。潜水器母船的布放回收系统负责完成潜水器在母船与海水中的转移,为使潜水器在恶劣海况下顺利开展下潜作业,布放回收系统必须具备抗大风浪的能力。目前布放回收系统在无人潜水器领域已获得广泛应用,其升沉补偿功能趋于成熟。随着“海马”号和“海龙”号等无人潜水器的研制和应用,我国对无人潜水器的布放回收系统开展大量研究工作。



与无人潜水器相比,载人潜水器具有更大的重量和外形尺寸,更重要的是具有“载人”的性质,因而其布放回收系统须具有更高的安全性和可靠性。目前世界上共有5个国家拥有深海载人潜水器,这些潜水器分别是美国的“阿尔文”号、日本的“深海6500”号、俄罗斯的“和平1”号和“和平2”号、法国的“鹦鹉螺”号以及我国的“蛟龙”号。其中:“阿尔文”号主要由“亚特兰蒂斯”号母船搭载,该母船利用船尾的A形架完成潜水器的布放回收作业,其尾部的机库通过轨道与吊架连接,以便将潜水器从吊架位置移送至机库进行保养和检修,同时通过计算机控制的动力定位系统抵抗恶劣海况的影响;“和平1”号和“和平2”号由同一艘母船搭载,由布置在舷侧的吊车完成布放回收作业,二者可同时下潜,通过相互配合可完成更多和难度更大的工作。我国部分高校陆续开展载人潜水器布放回收系统的理论研究工作,但尚未应用于实践。


“蛟龙”号载人潜水器是我国首台载人潜水器,其搭载母船与布放回收系统均经过严格的调研和方案设计。“蛟龙”号载人潜水器的布放回收系统设置于母船的后甲板,采用A形架式的吊放方式,并由拖曳绞车和升降轨道车辅助,具备潜水器三级海况布放和四级海况回收的作业能力,目前已完成近200次的海上布放回收任务,为“蛟龙”号开展下潜作业提供有力支持。



一、系统组成

“蛟龙”号载人潜水器的布放回收系统由A形架、拖曳绞车和升降轨道车等部分组成,其中A形架和拖曳绞车共用1套液压系统和控制系统,实现拖曳绞车和A形架主吊缆的联动控制。


1.A形架
 A形架是潜水器布放回收系统的主要装备,通常布置在母船后甲板的尾部,可在舷内摆35°和舷外摆48°的范围内工作,实现潜水器在升降轨道车和海面之间的位置转换(图1)。




1 A形架的主要结构


A
形架主要由门架和回转梁组成。门架是A形架的主要结构载体主要由2根等长的支腿和横梁组成横梁与支腿之间由螺栓固定连接每根支腿由1个长行程油缸驱动实现A形架在舷内、外的摆动动作。回转梁垂直悬挂在门架横梁的两枢轴轴承座上“蛟龙”号载人潜水器通过主绞车的主吊缆和万向架的锁紧装置悬挂在回转梁的底部。2个抗纵摇油缸的一端固定在门架横梁上另一端固定在回转梁上A形架摆动或海况较差时回转梁和潜水器在布放过程中可具有纵向的自稳定能力。回转梁的主要结构如图2所示。





 回转梁的主要结构


回转梁由主绞车、维护平台、伸缩柱和万向架等部分组成。主绞车安装在回转梁的舷内侧
绞车卷筒由2台液压马达/行星齿轮箱驱动组件驱动适用于68mm直径的主吊缆可实现潜水器的布放回收。伸缩柱和万向架通过2个双作用的伸缩柱油缸与回转梁连接由箱式线性轴承作为导向机构该轴承包含石墨填充酰胺纤维材料制作的导向器在提升和放出主吊缆时保持主吊缆与绞车卷筒的正确对中。


万向架安装在伸缩柱底侧的
2个枢轴上2个抗横摇油缸的一端安装在伸缩柱底侧另一端安装在万向架顶部两侧以保证万向架在潜水器布放回收过程中的稳定性。万向架底部有4个导向接头其中2个导向接头为平面另外2个导向接头为锥形口4个导向接头与潜水器顶部的导向器互相配合以保证潜水器与万向架的正确对中从而使万向架上的锁紧装置能够准确和迅速地将潜水器和万向架锁紧在一起4个导向接头均设计缓冲结构以防止潜水器在与万向架对接的过程中受到过大的冲击力同时抵消较大的对接偏差对对接过程的影响。

锁紧装置由2个油缸独立驱动2个锁紧钩的动作。执行锁紧动作后锁紧钩锁紧在潜水器顶部的2根销轴上使潜水器与万向架无间隙地固连在一起此时可将主吊缆放松由万向架承受潜水器的重量。


2.拖曳绞车
拖曳绞车位于母船的后甲板沿船艏方向距A形架20m,在横向上处于后甲板的左舷位置。在潜水器布放回收的过程中拖曳绞车与主吊缆配合作业可发挥潜水器止荡和稳定的作用实现在恶劣海况下开展潜水器布放回收作业。拖曳绞车由绞车卷筒、拖曳缆绳、导向滑轮和笼头缆组成(3)



3  拖曳绞车的主要结构


拖曳缆绳通过
2组导向滑轮的换向后A形架和“蛟龙”号载人潜水器的中心线对中其末端通过笼头缆与潜水器连接在一起。笼头缆两端均有锁钩其一端的锁钩与拖曳缆绳的锁环连接另一端的锁钩锁住潜水器上的销轴。


在布放作业前
将笼头缆连接到潜水器上当潜水器布放到后甲板尾部时由布放人员将拖曳缆绳与笼头缆连接在主吊缆和拖曳缆绳的共同拉力作用下潜水器可被稳定地布放到水面随后由蛙人将主吊缆和笼头缆从潜水器上解下潜水器即可自由下潜。

在回收作业前将笼头缆连接到拖曳缆绳上当潜水器浮出水面时由蛙人将笼头缆和主吊缆连接到潜水器上在主吊缆和拖曳缆绳的共同拉力作用下潜水器随A形架回摆至后甲板尾部由布放人员将笼头缆从潜水器上解下随后潜水器可被主吊缆回收至万向架底部由万向架锁紧装置锁紧。


3.升降轨道车
升降轨道车位于母船的后甲板中部A形架对中不仅可作为潜水器日常存放、保养和检修的载体而且可在潜水器布放回收系统中发挥转移工位的作用。升降轨道车主要由潜水器支架、升降油缸、行走轨道、行走齿轮、行走马达、防翻钩、固定架和活动架组成(4)




4  升降轨道车的主要结构


潜水器支架均布于活动架上
其高度和位置按照“蛟龙”号的底部弧度进行设计使潜水器支架顶部平面与“蛟龙”号底部紧密贴合使“蛟龙”号在存放工位与布放回收工位之间转换的过程中保持稳定。行走轨道由存放工位延伸到布放回收工位使升降轨道车在行走马达和行走齿轮的驱动下完成在2个工位之间的移动。

升降轨道车具有升降功能其主体设计包括活动架和固定架2个部分。当升降油缸升高时活动架随之升高并将“蛟龙”号升高到需要的高度以满足布放回收作业的要求。



二、关键技术


1.升沉补偿
“蛟龙”号载人潜水器的布放回收过程中能否经受住恶劣海况的考验是判断布放回收系统能否正常工作的关键。恶劣海况不仅会造成整个A形架系统随母船在海面上晃动更重要的是当“蛟龙”号与海面接触而主吊缆仍与“蛟龙”号处于连接状态时海面的急剧升沉会使“蛟龙”号频繁地从空中跌落带来的冲击力会持续对主绞车马达造成损伤甚至导致马达齿轮碎裂而失去提升动力届时“蛟龙”号将无法回收到母船。因此有效实现“蛟龙”号在海面的升沉补偿是布放回收系统的关键技术。

本研究以潜水器布放过程为例介绍升沉补偿技术回收过程的步骤则完全相反。布放回收系统对“蛟龙”号的布放步骤如图5所示。

5分别展示“蛟龙”号在布放过程中的3种状态①图5(a)A形架内摆至舷内极限工作位“蛟龙”号由升降轨道车运送到A形架万向架的正下方并由万向架的锁紧装置固定在万向架底部②图5(b)A形架外摆至舷外极限工作位此时“蛟龙”号仍由锁紧装置固定在万向架底部而拖曳缆绳系固在“蛟龙”号头部③图5(c)锁紧装置释放“蛟龙”号在主吊缆的拉力下离开万向架并慢慢下移至海面在此过程中同时受到拖曳缆绳的水平拉力。

5  “蛟龙”号的布放过程


由图
5可以看出在整个布放过程中“蛟龙”号与布放回收系统的连接方式主要有2①当A形架由舷内摆动至舷外极限时“蛟龙”号由锁紧装置固定于万向架此时“蛟龙”号与A形架固结可基本不受海况的影响②当“蛟龙”号脱离万向架而被下移至海面时其同时受到主吊缆和拖曳缆绳的拉力并随海面升降此时布放回收系统的升沉补偿系统须减小“蛟龙”号在随海面升降的过程中给主绞车马达带来的额外负荷。


2.恒张力液压控制系统

布放回收系统的升沉补偿主要由拖曳绞车和主绞车的恒张力控制来实现。当处于恒张力控制模式时拖曳缆绳和主吊缆对“蛟龙”号的拉力被设定为恒定值使拖曳缆绳和主吊缆始终处于张紧状态。当海面快速下降时拖曳缆绳和主吊缆会在恒张力的作用下快速放出放出的速度与“蛟龙”号因自身重力和母船晃动等因素造成的下降速度相当从而抵消“蛟龙”号下降产生的加速度负荷当海面快速上升使“蛟龙”号被抬高时拖曳缆绳和主吊缆会在恒张力的作用下快速收回使“蛟龙”号不会因海面快速下降而给主绞车马达带来额外的惯性负荷。

拖曳绞车的恒张力液压控制系统如图6所示。拖曳绞车的收放动作由1个三位四通换向阀控制绞车的运行速度由液压马达的流量控制。为保护液压马达在液压马达的主管路上设置1个高压溢流阀。梭阀与三位四通换向阀的进油口和回油口相通经梭阀流出的液压油通过减压阀和顺序阀可释放装在拖曳绞车齿轮箱上的制动器使齿轮箱可按要求工作。


①三位四通换向阀;②先导比例减压阀;③梭阀;④先导减压阀;;⑤先导顺序阀;⑥平衡阀;⑦方向插装阀;⑧高压溢流阀;⑨液压马达

 拖曳绞车的液压控制系统


拖曳绞车的恒张力控制可通过先导比例减压阀、高压溢流阀和先导减压阀来实现。由高压溢流阀设定液压系统输出的最大压力
通过遥控液压阀的输出使拖曳绞车的缆绳保持张紧状态直到压力到达设定的最大压力。例如当绞车进行回收作业时由先导比例减压阀控制缆绳的张紧力当外部负荷增加到相当于设定的最大系统压力时缆绳开始放出当外部负荷减小到设定的最大系统压力以内时缆绳继续收回。




①三位四通换向阀;②梭阀;③先导顺序阀;④先导安全阀;⑤二位二通阀;⑥高压溢流阀;⑦液压马达;⑧液压马达

 主绞车的液压控制系统


主绞车的恒张力液压控制系统如图
7所示。主绞车由2台液压马达驱动每台液压马达都通过1个行星齿轮箱与绞车卷筒连接每台齿轮箱都配有1个须使用液压进行释放的弹簧式刹车装置刹车装置可由梭阀和先导顺序阀控制。主绞车的恒张力控制须首先将2台液压马达设定为最小流量的排角以减小管路的压降并提高主绞车的转速。在二位二通阀动作后液压系统的主压力即由高压溢流阀较低的溢流压力决定从而提供恒张力所需的高速度和低负荷的液压条件实现主绞车的恒张力控制。



三、海上应用


2009年至今布放回收系统已成功完成近200“蛟龙”号的布放回收作业。实践证明拖曳绞车和主绞车的恒张力控制可很好地适应恶劣海况下“蛟龙”号的快速升沉布放回收系统可实现“蛟龙”号的三级海况布放和四级海况回收的作业要求。门架、伸缩柱、主绞车、锁紧装置和拖曳绞车等的控制开关被集成到1套可移动的遥控面板上当进行“蛟龙”号的布放回收作业时操作人员可根据作业需求和合适地点对布放回收系统各部件的动作进行遥控。

“蛟龙”号载人潜水器海上布放的流程为①下潜人员经由“蛟龙”号的维护平台进入潜水器在布放人员关闭潜水器舱盖后升降轨道车开始移动并移动至A形架的正下方由布放人员将主吊缆与潜水器连接后主吊缆提升同时A形架向外摆动A形架外摆至母船尾部由布放人员将拖曳缆绳与潜水器上的笼头缆连接A形架继续向外摆动至最大位置主吊缆缓慢释放在主吊缆与拖曳缆绳的合力下潜水器可稳定到达海面③潜水器到达海面后蛙人乘坐小艇靠近潜水器并解下主吊缆使主吊缆与潜水器脱离此时潜水器可开始下潜。



四、结语


“蛟龙”号载人潜水器的布放回收系统是我国首套用于载人潜水器的布放回收系统
其主要结构部件包括A形架、拖曳绞车和升降轨道车。拖曳绞车和A形架主吊缆的恒张力控制可满足“蛟龙”号三级海况布放和四级海况回收的要求升降轨道车同时可作为“蛟龙”号日常存放、保养和检修的载体。布放回收系统已成功布放回收“蛟龙”号近200为我国发展载人深潜事业积累了大量实践经验。


来源:《海洋开发与管理》|由“溪流之海洋人生”编辑与整理