深海测量仪器收放系统的设计研究

2021-05-19姜海雨张定华王鸿飞

电子元器件与信息技术 2021年2期

姜海雨，张定华，王鸿飞

（上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海 200120）

0 引言

深海收放系统决定着海洋设备运作的稳定性与安全性，是海洋测量仪器稳定工作的前提技术条件。深海收放系统朝着集成化方向发展，就是将作为仪器收放的钢缆和作为信号和能量传输合成到一条通讯电缆上。目前深海收放系统中与采水器设备相连的是铠装同轴电缆。深海收放系统工作在船舶甲板上，不同海况下设备上下起伏，会对缆绳上的张力带来急剧变化，张力过大会使缆绳上的张力超出工作拉力范围，造成缆绳损坏。为了解决以上的问题，采用牵引绞车和储缆绞车相分离的收放系统设计结构，牵引绞车只负责引导缆绳和吸收缆绳上的张力，使缆绳在牵引绞车的出绳端张力减小到预期值，储缆绞车只负责存储缆绳，把缆绳规则的排放在储缆卷筒上，防止缆绳排列不均造成的缆绳损伤。这种功能分离式的结构设计能够有效的避免因为缆绳排列不均造成的缆绳损伤和因张力突变造成的缆绳断裂，同时降低了设备使用成本，提高了作业效率[1]。

1 收放系统的设计及分析

万米铠装通讯电缆收放系统是为海洋环境设计的、一体式、可变速收放缆系统，适用于海洋测量仪器的投放和回收。包括A型门架、缓冲架、对接头、储缆绞车、牵引绞车、补偿直角排缆器、液压单元、控制单元及标准20尺集装箱底座等，各内部机构采用模块化安装的形式，可通过简单拆卸进行替换。

牵引绞车收放系统的优化设计包括：设计具有悬臂式滚筒的牵引绞车满足更高张力等级。悬臂式滚筒允许牵引滚筒顶部和底部的通讯电缆顺畅过渡。悬臂设计允许更大的自由配置牵引绞车收放系统，可在水平到垂直的位置范围内布置，以优化可用的甲板空间；通过使滚筒相互倾斜，每个滚筒的位置便于在两个滚筒的绳槽之间顺利传输电缆，这种相对定位消除了电缆的扭曲和摩擦；使用较软的材料和独立的滚筒速度，可大大提高通讯电缆的使用寿命，允许一定的沟槽磨损。

1.1 牵引绞车的结构特性

电缆的最小弯曲直径决定滚筒直径，最小弯曲直径随着负载接近电缆破断强度而增加。大直径牵引绞车的滚筒允许电缆被缠绕在单层中，可避免承受过大的弯曲直径。牵引绞车系统通过电缆在要求的最小弯曲直径的缆槽中工作来吸收电缆的高张力。在传统单卷筒绞车中，电缆多层缠绕而自行工作。牵引绞车的单层效应与传统单卷筒绞车相比优势是显著的[2]。传统单卷筒绞车，通讯电缆在交叉点将受到与实际电缆直径相等的弯曲直径，导致电缆受到破坏。此外，在非常高的张力下，通讯电缆也可能以足够大的力量向下拉，导致通讯电缆嵌入到下一层。

多槽、单电缆层和动力牵引滚筒施加的扭矩共同作用来吸收通讯电缆的高张力，电缆在内侧牵引滚筒出口处转化为低张力。接下来通讯电缆以低张力存储在多层单卷筒储缆绞车中，在全部卷缆过程中，通讯电缆处于大约最大工作负载的10%～15%的张力范围内。基本不变的低存储张力也提高了绞车排缆的准确性和重复性。传统的卷筒绞车的存储张力在不同的电缆层之间会随着动态牵引载荷的变化而变化。

1.2 储缆绞车恒张力设计

为了确保收放系统的储缆绞车提供连续的恒张力，采用丹佛斯的90系列液压泵连接外部压力限制器阀块,实现闭式液压回路储缆绞车的张力恒定。液压原理图如图1所示。

图1 储缆绞车恒张力液压原理图

在储缆绞车的恒张力应用中，借助恒张力阀块④来维持缆绳α的张力恒定，同时排量控制使泵以全排量全速驱动缆绳卷起。在绞车下放工况中，恒张力阀块④可以驱动泵的斜盘反向，此工况适合储缆绞车应用，设定泵的排量，储缆绞车以一定的速度卷起缆绳，若缆绳张力增加到恒张力阀块④中的收缆溢流阀设定值，泵的排量将减小，直到维持设定压力；如牵引绞车出缆端张力足够大将驱动闭式泵斜盘反向，从而使缆绳下放。储缆绞车下放时，马达将会驱动泵,并通过泵驱动电动机做功来吸收负载所产生的能量，所以必须考虑电机吸收负载的能力，若超出其吸收能力，则必须增加制动泵系统[3-4]。