A架式遥控水下机器人收放系统设计研究

杨 凯

(杭州电子科技大学海洋工程中心，杭州310018)

ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用，是当前技术最成熟、使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。在ROV系统中，收放系统为ROV出入海提供了可靠保证。

国内相关单位在20世纪70年代末已经开展了A形架式收放系统的研究开发工作，目前已经具有与国际专业公司同等的设计能力和技术水平，但是ROV专用收放系统发展并不成熟。

国外ROV专用收放系统已经非常成熟。按照不同的结构形式大概可以分为3种:A形架式收放系统、吊臂式收放系统、桥式收放系统。如英国Saab Seaeye公司的A形架式收放系统、英国Tech Safe Systems公司生产的吊臂式收放系统、挪威Macgregor公司的桥式收放系统等。

1 A-Frame LARS系统构成

A形架式ROV脐带缆收放系统由绞车部分、A形架部分、排缆部分、基架部分、液压动力及控制单元(HPU)5部分组成。

1．1 绞车部分

绞车部分由卷筒、光电滑环、卷筒轴部分、支架部分、刹车系统组成。卷筒用于脐带缆的存储和牵引;光电保证光信号及电信号的传输不因为旋转而中断;支架部分保证卷筒满载情况下能够支撑卷筒顺利工作。

1．2 排缆部分

排缆部分由导杆部分、双向丝杆部分、导向部分组成。导杆部分负责导向部分按照规定角度横向运动;双向丝杆部分可通过其所带飞轮传递卷筒轴转矩，为导向部分提供横向动力，使导向部分往复运动;导向部分有丝杆螺母，保证导向部分往复运动，通过脐带缆的导向槽对脐带缆进行导向，导向槽侧面装有尼龙滚子，可减少脐带缆同导向槽间摩擦。

1．3 基架部分

基架部分由A架基架部分、排缆器支架部分、卷筒保护架部分组成。A架基架部分为A架提供支撑，确保A架在不打开母船围栏的情况下顺利摆入、摆出母船;排缆器支架部分为排缆器提供支撑;保护架对卷筒及液压动力单元具有保护作用，防止工作中无关人员靠近。

1．4 A 架部分

A架部分由液压缸部分、定滑轮部分、门架部分组成。液压缸部分，通过液压缸提供推拉力，确保A架顺利摆入摆出;定滑轮具有导向作用;门架对定滑轮具有支撑作用，保证ROV＆TMS能够顺利进出母船围栏。

1．5 液压动力单元(HPU)

本部分由驱动部分、执行部分、控制部分构成。驱动部分为油路提供动力;执行部分为液压缸，将压油路提供的动力传递给绞车及A架;控制部分控制液压阀的开合，调整液压油的流向，使收放系统完成指定动作。

2 A-Frame LARS主要设计参数

2．1 卷筒尺寸

卷筒尺寸主要有卷筒的直径、卷筒的厚度、卷筒的长度三个参数。

2．1．1 卷筒直径

卷筒直径可由公式(1)进行初步确定。

式中 d为脐带缆直径;e为卷筒直径比，流动式起重机建议取16;D为卷筒直径。确定滚筒直径要考虑脐带缆的最小弯曲半径，弯曲过大容易造成脐带缆损坏。在不使脐带缆过于弯曲的前提下，应设计的偏小一些，利于减小绞车重量，减轻绞车起升动载。

2．1．2 卷筒厚度

卷筒厚度可由公式(2)初步确定。

式中 δ——卷筒厚度;d——脐带缆直径

2．1．3 多层卷筒长度

多层卷筒长度可由公式(3)初定。

式中 L为卷筒长度;D筒为卷筒直径。

卷筒长度设计过程中需满足公式(4)。

式中 L筒为卷筒长度;H为卷筒至定滑轮直线距离;λ为脐带缆最大摆角，λ =1°15'～1°30'，当滚筒轴转速 nmax＞100r/min时，选取λ=1°15';当滚筒轴转速 nmax＞100r/min时，选取 λ =1°30'。

2．2 系统牵引力及功率

2．2．1 缆绳载荷

深海ROV系统空气中的重量小于脐带缆完全释放后ROV系统及脐带缆水中的重量，因此作业过程中，绞车最大提升力发生在脐带缆完全释放状态，所以设计中应以此极限状态设计。

ROV系统完全入水后绞车提升力可由公式(5)确定。

2．2．2 绞车驱动力矩

绞车驱动力矩分为:克服卷筒本身惯性力矩;克服ROV系统起升过程中的重量力矩;排缆器驱动力矩。起升开始状态，此时系统本身惯性、ROV系统提升力、排缆器启动力矩均处于最大状态，因此，此时绞车驱动力矩最大，最大力矩可由公式(6)确定。

式中:T为液压马达转矩(绞车驱动力矩);TR为ROV系统所引起的转矩;FZ——ROV系统绞车提升力;RJ——卷筒直径;TS1——排缆器所引起的转矩;TS2——排缆器双向丝杆转矩;i——卷筒及排缆器传动比;TJ卷筒自身引起的转矩;Jj卷筒转动惯量;V——绞车匀速提升速度。

2．2．3 绞车驱动功率

系统工作工程可分为两个阶段:第一，提升阶段，系统拖动脐带缆及ROV系统回收，马达工作在马达状态。第二，释放阶段，脐带缆及ROV系统拖动绞车运动，马达工作在非马达状态。因此，驱动功率均指脐带缆在提升工况下的功率，匀速收缆时的功率由公式(7)计算。

式中:P为名义传动功率;T为液压马达转矩(绞车驱动力矩);V为ROV系统匀速收放缆时速度;R为卷筒转动半径。

2．3 液压缸最大负载

A-Frame LARS工作过程可分为准备起吊、摆出、投放三个过程，回收为其逆过程。整个过程中，液压缸负载较大位置有两个:第一，A-Frame LARS投放ROV＆TMS过程中，ROV＆TMS刚入水的时刻。第二，A-Frame LARS回收ROV＆TMS过程中，加速提升的过程。

2．3．1 液压缸最大推力负载

推力负载主要来自于 ROV＆TMS重力及 A-Frame自重，受力分析如图1所示。

A-Frame从摆动开始直到直立状态，液压缸均处于推力负载状态，整个过程运动缓慢，可看成匀速运动，易得公式(8):

整个摆动过程中γ1逐渐增大，γ2、β逐渐变小，根据变化幅度的大小易判断，F负推逐渐减小，因此，F负推最大值出现在ROV和TMS刚刚被提起的瞬间。

图1 ROV收放系统水外受力分析Fig．1 The outside water force analysis of ROV LARS

2．3．2 液压缸最大拉力负载

拉力从A-Frame呈现直立状态开始。从直立状态到最大摆角处受力分析如图2所示。

图2 ROV收放系统水内收放系统Fig．2 The inside water force analysis of ROV LARS

整个摆动过程速度很慢，可近似看成匀速摆动，可看成平衡状态，易得公式(9):

整个摆动过程中，β、γ2逐渐增大，γ1逐渐减小。因此F负拉随着摆出幅度的增大逐渐增大。GR+T随着脐带缆的下放长度逐渐增大，因此当脐带缆下放长度最长时为F负拉最大值。

3 总结

通过对深海可移动式ROV脐带缆收放系统的阐述，针对现有考察船A架及绞车系统存在的不足，给出了深海可移动式ROV脐带缆收放系统的工作原理、结构及功能、系统工作过程。通过对系统主要参数的确定，提出了设计此类收放系统各部分主要参数及应注意的问题，望能够为国内设计此类收放系统提供参考。

［1］ 中国海洋经济发展战略研究［M］．广州:广东经济出版社，2007．

［2］ 张志文．起重机设计手册［K］．北京:中国铁道出版社，2001．

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［4］ 陈育喜，张竺英．深海ROV脐带缆绞车设计研究［J］．机械设计与制造，2010，(4):39—41．

［5］ Berteaux，H．O．et al．Improvement of Intermedia Oceanographic Winchs［K］．WHOI Reference，1985:85．