鼓轮式布捞缆系统关键技术

晏 庆，刘 冰，崔浩贵

（91001部队，北京 100841）

0 引 言

随着海底通信光缆在海洋开发活动中的作用越来越突出，人们对海底光缆施工设备的要求越来越高。鼓轮式布捞缆系统是海缆船进行海底光缆施工时所采用的重要专用设备，主要用于完成海缆的打捞、回收、布放和绳索收放等任务。对鼓轮式布捞缆系统关键技术进行分析研究，有助于提高我国海缆作业专用设备的研制水平，促进我国海底光缆的建设和发展。

1 概 述

现代化海缆船及其海缆施工专用设备是海底光缆工程建设、维护和抢修不可缺少的大型作业装备。海缆船上一般配备有直线式布缆系统、鼓轮式布捞缆系统和海缆埋设系统等海缆施工专用设备，其中直线式布缆系统和鼓轮式布捞缆系统具有不同的特点和应用场景。

1) 直线式布缆系统利用多组上下分布的2只轮胎压紧夹持海缆，由液压马达直接驱动轮胎运转，从而实现手动调速、定张力和定余量布放海缆，同时可手动调速回收海缆。与鼓轮式布捞缆系统相比，直线式布缆系统采用的是直线布缆方式，多组轮胎机可分别控制，更利于接头盒、分支器和中继器等设备安全通过。

2) 鼓轮式布捞缆系统的鼓轮直径通常为3～4m，牵引力通常为250～400kN，具有占地空间小、牵引力大和运行稳定等特点。与直线式布缆系统相比，鼓轮式布捞缆系统具有较大的牵引力和圆鼓形结构，更适于打捞回收海缆和各种线路设备，同时可用于短距离布放无接头盒或中继器海缆。

鼓轮式布捞缆系统主要依靠液压驱动的鼓轮机和辅助牵引机进行收放缆作业，是海缆船海缆作业系统的重要组成部分，主要用于完成以下任务：

1) 单独完成海底光缆和海底电力电缆等线缆的打捞回收任务；

2) 单独完成海底光缆和海底电力电缆等线缆的敷设任务；

3) 与埋设机系统协作完成海底光缆和海底电力电缆等线缆的布放及埋设任务。

2 总体设计

2.1 基本原理

鼓轮式布捞缆系统可用于手动调速布缆、定张力布缆、定余量布缆和手动调速收缆，核心设备为鼓轮机，采用摩擦鼓轮的方式，在液压能的驱动下提供布缆、收缆所需的控制力和牵引力，在辅助牵引机的配合下达到布放和回收海缆的目的。

布放海缆时会遇到2种情况，即：海缆在水中由自身重量产生的拉力不足以克服其从出舱至入水期间产生的阻力，因而不能使其匀速入水；海缆在水中由自身重量产生的拉力大于其从出舱至入水期间产生的阻力，进而失去控制自由入水。由此，该系统的基本工作原理是：在鼓轮上排列缠绕、牵拉海缆克服摩擦阻力，“推送”海缆匀速入水；反之，制动海缆克服过大的拉力，“牵送”海缆入水。

辅助牵引机的作用是保证鼓轮在收缆或放缆时始终提供一定的预拉力，使缠绕在鼓轮面上的海缆始终具有一定的摩擦力，避免海缆因打滑而失控。

系统控制通过作业控制台或机侧控制台上的控制面板完成，既可实现手动调速、定张力布放海缆、定余量布放海缆和手动调速回收海缆，又可根据实际需要对海缆的收放速度和张力进行控制。系统的液压动力来自液压泵站。

2.2 总体结构

鼓轮式布捞缆系统主要由鼓轮机、排缆装置、辅助牵引机、测力计长装置、液压动力系统、电气控制设备、设备控制箱、信息中心、作业控制台和机侧控制台等组成，其总体结构见图1。

图1 系统总体结构

1) 鼓轮机主体由鼓轮和减速器2部分组成，其中：

(1) 作业时，将海缆缠绕在鼓轮上，由6台液压马达驱动，通过减速器带动主轴转动，进而使鼓轮转动，产生扭转力，实现对海缆收放作业的控制。鼓轮由结构钢焊接成圆鼓形，通过其内部6道梯形加强幅板与轴套焊接成一体。鼓轮和大齿轮安装在主轴上，轮毂与主轴之间由双键传递扭矩，大齿轮与6个小齿轮啮合，每个小齿轮都由1个与之直接相连的液压马达驱动。

(2) 减速器安装在鼓轮机左侧机壳内，采用星形多点驱动、单级变速和配无级变速液压马达的形式。

由于减速器与鼓轮主轴是按固定减速比例关系设计的，没有机械变速档位和手动变速档位，因此通过调整主泵的排量改变鼓轮的速度。

2) 辅助牵引机由2对液压驱动的轮胎和牵引泵机组构成，安装在鼓轮机前方的海缆通道上，由作业控制台或机侧控制台统一操控。辅助牵引机用于辅助鼓轮机完成收放海缆作业，为海缆提供预拉力（即：鼓轮机收缆时，跟踪控制辅助牵引机的收缆速度略快于鼓轮机的收缆速度；鼓轮机放缆时，跟踪控制辅助牵引机的放缆速度略慢于鼓轮机的放缆速度），使海缆在鼓轮工作面上的摩擦力始终大于张力，辅助鼓轮机正常进行收缆和放缆作业。

3) 测力计长装置可同时实现对海缆张力和长度的检测，当海缆承受张力时，会产生向下的分力，支承在转轴上的桥槽将该分力作用到剪切式传感器上，可通过测量分力计算出海缆实际的张力。海缆通过时，可带动测力计长装置的测量筒随海缆转动，从而测量已收放的海缆的长度和瞬时收放速度。

4) 排缆装置由2部排缆器和控制盒组成，安装在鼓轮机的前部和后部，由控制泵供油工作。当鼓轮作业旋转时，排缆刀推动缠绕在鼓轮工作面上的海缆沿轴向移动，使新进入鼓轮的缆线不会与已缠绕在鼓轮上的缆线发生叠压。

5) 整套系统（包括主油路液压系统、先导泵液压系统、控制油路液压系统和辅助牵引机油路液压系统）由液压动力系统驱动，其中：主油路液压系统用于驱动液压马达，使鼓轮机旋转；辅助牵引机油路液压动力系统用于驱动辅助牵引机液压马达。

6) 综合监控系统主要由作业控制台、机侧控制台、信息中心服务器和设备控制箱等组成，主要功能是向布缆指挥人员和操纵人员实时显示收放缆情况和设备运转情况，在驾驶室遥控或在机侧就近控制海缆的收放，并全程实时存储和打印布缆的各项主要参数。

3 关键技术

3.1 鼓轮机减速器

鼓轮机减速器是动力传动的关键组成部分，实现由高速到低速、由小力量到大力量的转换，对受力、传动比和材料都有严格要求。传统的减速器一般由多级组成，有的还为减小两端的传动比加装有换档装置，或根据需要加装刹车装置，因此结构比较复杂，维护比较困难。对此，设计星形多点驱动、单级变速和配无级变速液压马达的方案。采用六星形齿与主齿轮轴结构的减速器，使鼓轮机在有限的功率内实现大范围的转速变化和对大收放缆张力的控制。采用该方案能使主驱动大齿轮上的轮齿受力大大减小，六点驱动情况下的受力只有单点驱动情况下受力的1/6；同时，能大大简化减速结构，降低材料要求，减少造价，提升维护的便利性。

3.2 鼓轮机刹车装置

老式鼓轮机一般采用气缸驱动水冷刹车带，对鼓轮机进行制动，结构比较复杂，对刹车带进行调试非常麻烦，不易达到最佳的工作状态。对此，结合新型减速器的设计，采用带自锁机械刹车结构的液压马达，使鼓轮刹车与制动机械在传动形式上相同，刹车制动力超过350kN，刹车力量由液压马达自行产生，6台液压马达每台只需产生1/6的刹车力即可满足要求，同时只需通过1条控制油路控制液压马达工作与制动的转换，从而大大简化鼓轮机刹车系统的结构，具有使用简单、调试方便等优点。在大负荷收缆时，若出现停电等应急情况，会立即自动刹车，防止海缆滑入海中，避免对海缆和人员造成伤害，性能稳定、可靠。

3.3 主油路液压动力系统

主油路液压动力系统的功能是为鼓轮机提供收缆和布缆的驱动力。主油路先通过管路与鼓轮机上的插装阀体连接，再由插装阀体通往6台液压马达。这6台液压马达分为2组：对称的2台液压马达组成一组；另外4台组成一组。设计一个安装有8个插装电磁换向阀阀芯的大型插装阀体，实现液压变档的功能。通过控制插装阀体可实现收缆、放缆和停车等3种换向功能。通过改变6台液压马达ABPT口（A和B为2个工作油口；P为压力油口；T为回油箱油口）的连通方式，使鼓轮机具有1:1、1:2和1:3等3个液压变档，根据需要选择2台、4台或6台液压马达参与工作，不参与工作的液压马达处于随动状态。当有2台液压马达驱动鼓轮机时，鼓轮机的速度最大、牵引力最小；当6台液压马达全部驱动鼓轮机时，鼓轮机的牵引力最大、速度最小，这样能使鼓轮机提供不同的速度和扭力，使鼓轮机在大工作负荷状态下具有在低速大扭矩与高速小扭矩2种工况之间快速转换的能力，转换过程简单、快捷、安全。主泵液压系统工作原理图见图2。

图2 主泵液压系统工作原理图

3.4 系统控制设计

为实现精确智能控制，提出设备控制箱的概念。老式海缆船设备采用硬件电路加实线控制的方式控制，这种控制方式造成机侧控制台或主控制台控制线缆复杂、零乱，控制功能单一，智能化程度不高，设备可维修性差和升级困难。采用以内嵌式单片机系统为核心的设备控制箱之后，可对设备进行就近控制，为控制台提供标准通信接口，使控制方式配置十分灵活，设备信息和动作由单片机统一处理、控制，并能在远端控制台的控制下工作，大大提高设备的智能化程度，方便对维修数据进行记录和检查，通过软件升级就可提升设备的功能。内嵌式单片机智能设备控制箱的使用使得全系统综合监控成为可能，使系统能更有机地联系成为一个整体，协调工作。

系统结构原理框图见图3。

图3 系统结构原理框图

3.5 基于信息中心的综合监视控制系统

设计基于信息中心的综合监视控制系统，通过采集各设备的信息，并进行综合处理，实现自动控制，简化控制操作，并有效监测设备的运行状态，进行告警提示和故障规避。该综合监视控制系统原理图见图4，其中：信息中心由一台服务器搭载信息中心软件实现，作为监视控制系统的核心；信息中心连接作业控制台、机侧控制台、鼓轮机设备控制箱和泵站设备控制箱等设备。信息中心解析控制台的命令并将其下发给各控制箱，同时收集控制箱数据，更新设备的状态信息，并与船上其他设备的信息交互，发送控制台显示信息，保存数据至数据库。

图4 综合监视控制系统原理图

3.6 “速度跟踪+距离修正”定余量模型

定余量布缆是海缆敷设的主要手段，是目前国内外通行的深海布缆方法。根据海底地形变化给定恰当的海缆余量是开展定余量布缆工程的关键，可确保海缆在海底紧贴海底地形，不出现悬挂、打扭等现象。在施工完成之后，海缆余量通常会随海底坡度的变化而在1%～5%区间内变动，在海底比较平坦、坡度不大的海域，有1%～2%的余量就足够保证海缆敷贴在海底。建立了“速度跟踪+距离修正”定余量模型，当选择定余量模式布缆时，鼓轮机进行定余量布缆。该模型将速度控制方法与距离控制方法相结合，既能满足实时定余量要求，又能克服速度定余量在精度控制、平稳性控制和适应气象条件的能力等方面的不足，实现高精度实时定余量。该模型同时适用于直行和航向转变2种情况，填补了国内航向转变时基于导航系统定余量的空白，能不间断工作，显著提高布缆效率。该算法的通用性较强，可方便地移植到其他布缆作业系统中。

4 结 语

鼓轮式布捞缆系统是海缆船配套的重要专用设备，是海缆维修作业必不可少的设备，本文主要介绍了该系统的基本原理和总体结构，对鼓轮机减速器、鼓轮机刹车装置、主油路液压动力系统、系统控制设计、基于信息中心的综合监视控制系统和“速度跟踪+距离修正”定余量模型等关键技术进行了分析研究，给出了鼓轮式布捞缆系统设计模型。设计的鼓轮式布捞缆系统的牵引力和制动力较大，具有定张力和定余量布缆的功能，自动化智能化程度较高；在大工作负荷状态下具有在低速大扭矩与高速小扭矩2种工况之间快速转换的能力，转换过程简单、快捷、安全；主要性能达到了国际同类产品的先进水平，整体提升了海缆专用设备的自动化程度、稳定性和可靠性。提出的系统设计模型可供我国海缆建设维修专用设备的设计参考。