基于载人潜水器的海底铺缆装置

姚晨佼，范华涛，宋 强，赵飞虎，罗 升

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

0 引 言

目前，随着海洋观测领域技术的迅速发展，美国、加拿大、日本、欧洲等国家均在海底观测网络施工建设、海底传感器等关键技术方向投入巨资开展大量相关研究。1998 年以来，美国和加拿大分别建立了小型试验观测系统蒙特利加速研究系统（MARS）[1–2]。2011 年，MARS 为中国同济大学深海观测设备进行了“中国连缆观测站试验”[3]。2004 年，欧洲制定了欧洲海底观测网络（ESONET），于2007 年完成了ESONET-CA 计划，并开始了新的欧洲多学科海底观测网（EMOS）计划[4]。2006 年，维多利亚海底试验网（VENUS）由加拿大建设完成[5–6]。2009 年，西北太平洋时间序列观测网（NEPTUNE）由加拿大建设完成[7]。2011 年，美国开始建设海洋观测计划（OOI）[8]。2006–2011 年，日本开展了地震海啸密集海底网络系统（DONET），2012-2015 年基本完成了DONET2 主干网络的建设[9]。

目前，国内外的海底观测网络建设通常采用成熟的水面船储存和布放、ROV 海底铺设协同作业的方式[10]，该方式容易受水面风浪的影响。随着ROV、载人潜水器等水下潜器工作深度的增加及作业功能的增强，我国海洋石油的开采及海底观测网络建设等海洋工程正向深水发展。水下生产系统脐带缆、海底观测网络等海缆作为海洋工程应用的关键部分，其安装技术必将走向深水领域。本文提出了深海载人潜水器携带海底铺缆装置进行深海海底直接铺缆的方式，通过载人潜水器在近海底航行机动、海底铺缆装置进行同步储缆与放缆，从而完成海缆的直接铺设。基于载人作业型潜器的铺缆方式可有效避免作业时海面风浪对铺缆过程的影响，同时降低了海缆铺设高度，提高了海缆铺设精度及可控性，能满足海底监测网络的隐蔽作业需求。

1 海底铺缆系统

海底铺缆装置安装固定在载人潜水器上，海缆存储在海底铺缆装置内，其总体布置见图1。通过载人潜水器在近海底航行机动，海底铺缆装置进行同步放缆。

图 1 海底铺缆系统总体布置图Fig. 1 Schematic of submarine cable laying system

1.1 海底铺缆方式

目前，海底铺缆主要采用张力铺缆方式或余量铺缆方式，张力铺缆主要是通过控制海缆中张力进行铺缆，无布放余量，海缆释放速度与航速相同，主要适用于浅海地区。余量铺缆主要是通过控制速度进行铺缆，海缆铺设余量与船速、海底地形有关，主要适用于深海地区，需根据海底地形坡度变化设计合适的铺设余量，本文提出的利用载人潜器进行深海铺缆宜采用余量铺缆方式。

1.2 海底铺缆装置结构方案设计

铺缆装置由潜水器载人舱外的铺缆装置本体和载人舱内的控制单元组成，铺缆装置本体结构主要包括卷筒及驱动机构、排缆机构、主动输送机构、排缆补偿机构、湿插拔接头主动释放机构、应急剪切机构等。海缆铺设时，海缆从储缆卷筒释放，经过排缆机构及主动输送机构到达出缆口，海缆布放由储缆卷筒、排缆机构、主动输送机构、排缆补偿机构协同控制。

1.2.1 排缆机构

海缆储存在海底铺缆装置的储缆卷筒上，必须设置排缆机构才能将海缆从储缆卷筒上分层有序地释放出去。

排缆机构主要由传动丝杠、螺母滑块、导向杆、输出轮、丝杠驱动马达等组成，排缆机构示意图如图2所示。传动丝杠由丝杠驱动马达驱动，排缆机构具有自动换向功能，根据控制指令，使螺母滑块组件与丝杠相对移动，排缆机构与卷筒之间协调运动，以保证卷筒旋转一圈，螺母滑块在丝杠上运动一个海缆直径的长度，当海缆释放到卷筒一端时，输出轮也到达行程端点，此时控制单元下发换向指令，使丝杠驱动马达反转达到换向目的，从而实现往复排缆，储缆卷筒与排缆机构丝杠通过控制单元实现速度匹配。

图 2 排缆机构Fig. 2 Cable arrangement mechanism

1.2.2 排缆补偿机构

为防止排缆过程中海缆从排缆机构中脱落，必须使得排缆机构中海缆的入缆口始终与储缆卷筒上的海缆直线相切，海缆始终在缆绳槽内，因此在每层海缆释放完毕后，主动输出轮需摆动一定角度进行补偿，主要由安装在螺母滑块及输出轮安装侧板上的摆动油缸实现，输出轮在摆动油缸的带动下，通过控制摆动油缸的伸缩行程可实现输出轮上下摆动一定角度。

1.2.3 主动输送机构

主动输送机构主要由输出轮、输出轮马达、压紧机构等组成，安装在输出轮侧板上，如图3 所示。压紧机构主要由第1 摆臂、第2 摆臂、摆臂马达、连杆、弹簧、压紧轮等组成，摆臂马达驱动第1 摆臂，第1 摆臂和第2 摆臂头部均设置有齿轮结构，第一摆臂通过齿轮啮合传动带动第二摆臂转动；第1 摆臂和第2 摆臂尾部均通过弹簧安装有压紧轮，压紧轮压紧海缆；输出轮由输出轮马达驱动旋转，压紧轮与输出轮将海缆压紧，通过海缆与输出轮间的摩擦力给海缆提供输送力，同时控制输出轮马达转速，使得排缆机构与卷筒之间的海缆始终保持一定的张力，从而实现有序铺设。通过控制摆臂马达调节第1 摆臂和第2 摆臂间的打开角度，可以适应不同直径海缆的输送。当海缆即将释放完时，第1 摆臂和第2 摆臂通过啮合传动同时打开，从而使海缆湿插拔接头顺利通过输送机构，最终铺设至海底。

图 3 主动输送机构Fig. 3 Active conveying mechanism

1.2.4 应急剪切机构

应急剪切机构主要由剪切油缸及剪切刀构成，如图4 所示。若铺缆装置作业过程中出现故障，无法进行正常铺缆时，接通剪切油缸油路，液压缸伸出带动剪切刀移动至海缆位置，从而及时切断海缆。

图 4 应急剪切机构Fig. 4 Urgent cutting mechanism

1.2.5 湿插拔接头主动释放机构

在海缆释放过程中，电动插销伸出，将湿插拔接头固定在卷筒内部，电动插销通过卷筒上的滑环进行供电，从而实现插销的作动。当海缆即将释放完时，控制电动插销收回，同时排缆机构上主动输出模块及时打开，从而使湿插拔接头在卷筒转动过程中自然滑落至海底，湿插拔接头固定和释放机构如图5 所示。

2 卷筒驱动设计计算

铺缆装置驱动装置需根据海缆的相关参数进行机构的驱动力矩及旋转速度的计算。

2.1 海缆参数

作业型载人潜水器工作区域设计在水深1 000 m，定高100 m 航行，其敷设的海缆参数如下：海缆直径d=Φ18 mm，最小弯曲半径500 mm，长度10 km，空气中重量m1=0.589 kg/m，海水中m2=0.328 kg/m。

2.2 卷筒排缆参数

图 5 湿插拔接头固定和释放机构Fig. 5 Fixation and release mechanism of watertight connector

根据海缆最小弯曲半径为500 mm，因此设计储缆卷筒的直径D 为1 200 mm，根据潜水器的安装空间，装置卷筒长度L 设计为3 500 mm，每层海缆卷绕圈数t 如下式：

式 中： ΔP 为 排 缆 间 隙， Δ P=0.3 mm，计 算 得 到t=191.3；d 为海缆直径，d=18 mm。

卷筒各层容缆量Ln如下式：

式中：n 为海缆层数；D 为卷筒直径，D=1200 mm。

经计算10 km 的海缆需排至12 层，第12 层海缆的中心距卷筒中心线的距离J 如下式：

2.3 卷筒驱动参数计算

在敷设海缆的过程中，卷筒需提供的最大扭矩主要由海缆最大张力决定，为了简化问题计算最大张力，假设海底是平滑的，海缆为柔性的，不传递弯矩，计算稳态敷缆时的海缆张力分布，对海缆微段ds 进行受力分析，如图6 所示。图中oxy 为惯性坐标系，坐标原点o 为海缆末端与海底接触点处，潜水器航行方向为x 轴方向，ont 为海缆局部坐标系。

微段的平衡方程如下式：

图 6 受力分析Fig. 6 Force analysis

式中：p 为海缆水中单位长度重力，p=m2×g=3.22 N/m；T 为海缆微段中点处的张力；vp为放缆速度，vp=1 m/s；vcs为作业潜水器相对海流航行速度，vcs=0.95 m/s；vt，vv分别为海缆相对海流的切向和法向速度；dQn和dQt为微段法向和切向的流体阻力。

采取适合圆形截面缆的Pode 模型[11]，则微段法向和切向的流体阻力如下式：

式中：ρ 为海水密度，ρ=1 027 kg/m3；Cn为海缆的法向阻力系数，取1.2，Ct为切向阻力系数，取0.025[12]。

整理得下式：

式中：x，y 分别为海缆x 方向和y 方向的位移。

海缆敷设选取余量敷设，认定海缆落地处张力为0，倾角为0，为避免计算出现奇异，计算时取张力为0.1N，倾角为0.1°。

边界条件如下式：

选用4 阶龙格库塔法，通过Matlab 进行计算得到图7 的张力分布图。从图中可以分析得到海缆最大张力在与潜水器连接处，最大张力T=317.1N，因此卷筒需提供的最大扭矩M 由下式计算得出：

卷筒最大转速n 由下式计算得出：

图 7 海缆张力分布图Fig. 7 Force distribution of cable

3 海底铺缆装置液压控制系统设计

海底铺缆装置设置有一套液压系统，由载人潜水器水下液压源驱动，铺缆装置上安装有液压阀箱，将压力补偿器、本地控制器、液压阀组等集成为一体，油液将箱体充满。液压控制可实现的动作有液压马达驱动储缆卷筒转动、液压马达驱动排缆丝杠转动、排缆补偿油缸动作、液压马达驱动排缆机构上主动输出模块的摆臂动作及驱动输出轮转动、液压油缸驱动剪切刀动作，液压原理图如图8 所示。

图 8 液压原理图Fig. 8 Diagram of hydraulic schemtic

卷筒驱动回路用于控制卷筒的收、放、停止、制动，SV1 电磁比例换向阀控制卷筒收放动作并进行无级调速，溢流阀TSV1 用于海缆释放时调节缆张力和回收时的张力保护，平衡阀CBV1 防止卷筒过载时失控，电磁阀SV2 控制卷筒制动。

丝杠马达控制回路用于控制丝杠的转动，丝杠马达主要由电磁比例换向阀SV3 控制丝杠转速及转向。补偿油缸控制回路用于控制输出轮的摆动角度，主要由电磁换向阀SV6 的得电来控制补偿油缸动作，并设置角度反馈。

输出轮马达控制回路用于控制输出轮的动作，主要由电磁比例换向阀SV4 来控制输出轮转速及转向。摆臂马达控制回路用于控制压紧轮压紧或释放动作，摆臂马达由电磁换向阀SV5 的得电来控制压紧轮的动作。

应急剪切控制采用剪切油缸驱动，由电磁换向阀SV7 来控制油缸动作。

海底铺缆装置液压系统由可编程控制器控制液压阀箱内的阀块动作，达到执行指令的目的，同时可编程控制器可控制储缆卷筒内部湿插拔接头释放作动器动作，以解脱湿插拔接头。

卷筒的旋转轴上安装有深海编码器，用于实时检测卷筒旋转圈数，可编程控制器通过将编码器传递过来的检测数据进行计算，将数据转换为海缆释放的实际长度及海缆在卷筒上的层数。丝杠马达控制回路中的电磁比例换向阀与编码器构成位置闭环控制，调节排缆机构的收缆或放缆速度。输出轮马达则与输出轮液压回路中的电磁比例换向阀构成开环控制。可编程控制器通过控制补偿油缸的伸缩行程实现输出轮上下摆动一定角度以进行输出轮角度补偿。

海底铺缆装置收缆、放缆和停止动作主要通过电磁比例换向阀进行切换，同时，电磁比例换向阀可用于调节储缆卷筒的转动速度。可编程控制器通过控制阀箱内的电磁比例换向阀，来驱动海底铺缆装置的丝杠马达输出轮马达，完成海底铺缆装置的收放缆功能。

4 结 语

本文提出了深海载人潜水器携带海底铺缆装置进行深海海底直接铺缆的方式，通过载人潜水器在近海底航行机动、海底铺缆装置进行同步储缆与放缆，从而完成海缆的直接铺设。详细介绍了海底铺缆装置的原理、装置结构组成、驱动参数计算、液压控制系统设计，为深海水下载人潜器的作业模块铺缆系统的设计提供借鉴和参考。