隨著各國大力推進海洋探索和開發(fā)進程，各類潛水器技術(shù)得到迅速發(fā)展。潛水器母船的布放回收系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成潛水器在母船與海水中的轉(zhuǎn)移，為使?jié)撍髟趷毫雍r下順利開展下潛作業(yè)，布放回收系統(tǒng)必須具備抗大風(fēng)浪的能力。目前布放回收系統(tǒng)在無人潛水器領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用，其升沉補償功能趨于成熟。隨著“海馬”號和“海龍”號等無人潛水器的研制和應(yīng)用，我國對無人潛水器的布放回收系統(tǒng)開展大量研究工作。
與無人潛水器相比，載人潛水器具有更大的重量和外形尺寸，更重要的是具有“載人”的性質(zhì)，因而其布放回收系統(tǒng)須具有更高的安全性和可靠性。目前世界上共有5個國家擁有深海載人潛水器，這些潛水器分別是美國的“阿爾文”號、日本的“深海6500”號、俄羅斯的“和平1”號和“和平2”號、法國的“鸚鵡螺”號以及我國的“蛟龍”號。其中：“阿爾文”號主要由“亞特蘭蒂斯”號母船搭載，該母船利用船尾的A形架完成潛水器的布放回收作業(yè)，其尾部的機庫通過軌道與吊架連接，以便將潛水器從吊架位置移送至機庫進行保養(yǎng)和檢修，同時通過計算機控制的動力定位系統(tǒng)抵抗惡劣海況的影響；“和平1”號和“和平2”號由同一艘母船搭載，由布置在舷側(cè)的吊車完成布放回收作業(yè)，二者可同時下潛，通過相互配合可完成更多和難度更大的工作。我國部分高校陸續(xù)開展載人潛水器布放回收系統(tǒng)的理論研究工作，但尚未應(yīng)用于實踐。
“蛟龍”號載人潛水器是我國首臺載人潛水器，其搭載母船與布放回收系統(tǒng)均經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)研和方案設(shè)計。“蛟龍”號載人潛水器的布放回收系統(tǒng)設(shè)置于母船的后甲板，采用A形架式的吊放方式，并由拖曳絞車和升降軌道車輔助，具備潛水器三級海況布放和四級海況回收的作業(yè)能力，目前已完成近200次的海上布放回收任務(wù)，為“蛟龍”號開展下潛作業(yè)提供有力支持。
一、系統(tǒng)組成
1.A形架
A形架是潛水器布放回收系統(tǒng)的主要裝備，通常布置在母船后甲板的尾部，可在舷內(nèi)擺35°和舷外擺48°的范圍內(nèi)工作，實現(xiàn)潛水器在升降軌道車和海面之間的位置轉(zhuǎn)換(圖1)。
圖1 A形架的主要結(jié)構(gòu)
A形架主要由門架和回轉(zhuǎn)梁組成。門架是A形架的主要結(jié)構(gòu)載體，主要由2根等長的支腿和橫梁組成，橫梁與支腿之間由螺栓固定連接，每根支腿由1個長行程油缸驅(qū)動，實現(xiàn)A形架在舷內(nèi)、外的擺動動作?；剞D(zhuǎn)梁垂直懸掛在門架橫梁的兩樞軸軸承座上，“蛟龍”號載人潛水器通過主絞車的主吊纜和萬向架的鎖緊裝置懸掛在回轉(zhuǎn)梁的底部。2個抗縱搖油缸的一端固定在門架橫梁上，另一端固定在回轉(zhuǎn)梁上，當(dāng)A形架擺動或海況較差時，回轉(zhuǎn)梁和潛水器在布放過程中可具有縱向的自穩(wěn)定能力?；剞D(zhuǎn)梁的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 回轉(zhuǎn)梁的主要結(jié)構(gòu)
回轉(zhuǎn)梁由主絞車、維護平臺、伸縮柱和萬向架等部分組成。主絞車安裝在回轉(zhuǎn)梁的舷內(nèi)側(cè)，絞車卷筒由2臺液壓馬達/行星齒輪箱驅(qū)動組件驅(qū)動，適用于68mm直徑的主吊纜，可實現(xiàn)潛水器的布放回收。伸縮柱和萬向架通過2個雙作用的伸縮柱油缸與回轉(zhuǎn)梁連接，由箱式線性軸承作為導(dǎo)向機構(gòu)，該軸承包含石墨填充酰胺纖維材料制作的導(dǎo)向器，在提升和放出主吊纜時保持主吊纜與絞車卷筒的正確對中。
萬向架安裝在伸縮柱底側(cè)的2個樞軸上，2個抗橫搖油缸的一端安裝在伸縮柱底側(cè)，另一端安裝在萬向架頂部兩側(cè)，以保證萬向架在潛水器布放回收過程中的穩(wěn)定性。萬向架底部有4個導(dǎo)向接頭，其中2個導(dǎo)向接頭為平面，另外2個導(dǎo)向接頭為錐形口；4個導(dǎo)向接頭與潛水器頂部的導(dǎo)向器互相配合，以保證潛水器與萬向架的正確對中，從而使萬向架上的鎖緊裝置能夠準(zhǔn)確和迅速地將潛水器和萬向架鎖緊在一起；4個導(dǎo)向接頭均設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，以防止?jié)撍髟谂c萬向架對接的過程中受到過大的沖擊力，同時抵消較大的對接偏差對對接過程的影響。
鎖緊裝置由2個油缸獨立驅(qū)動2個鎖緊鉤的動作。執(zhí)行鎖緊動作后，鎖緊鉤鎖緊在潛水器頂部的2根銷軸上，使?jié)撍髋c萬向架無間隙地固連在一起，此時可將主吊纜放松，由萬向架承受潛水器的重量。
2.拖曳絞車
拖曳絞車位于母船的后甲板，沿船艏方向距A形架20m，在橫向上處于后甲板的左舷位置。在潛水器布放回收的過程中，拖曳絞車與主吊纜配合作業(yè)，可發(fā)揮潛水器止蕩和穩(wěn)定的作用，實現(xiàn)在惡劣海況下開展?jié)撍鞑挤呕厥兆鳂I(yè)。拖曳絞車由絞車卷筒、拖曳纜繩、導(dǎo)向滑輪和籠頭纜組成(圖3)。
圖3 拖曳絞車的主要結(jié)構(gòu)
拖曳纜繩通過2組導(dǎo)向滑輪的換向后，與A形架和“蛟龍”號載人潛水器的中心線對中，其末端通過籠頭纜與潛水器連接在一起?；\頭纜兩端均有鎖鉤，其一端的鎖鉤與拖曳纜繩的鎖環(huán)連接，另一端的鎖鉤鎖住潛水器上的銷軸。
在布放作業(yè)前，將籠頭纜連接到潛水器上，當(dāng)潛水器布放到后甲板尾部時，由布放人員將拖曳纜繩與籠頭纜連接，在主吊纜和拖曳纜繩的共同拉力作用下，潛水器可被穩(wěn)定地布放到水面，隨后由蛙人將主吊纜和籠頭纜從潛水器上解下，潛水器即可自由下潛。
在回收作業(yè)前，將籠頭纜連接到拖曳纜繩上，當(dāng)潛水器浮出水面時，由蛙人將籠頭纜和主吊纜連接到潛水器上，在主吊纜和拖曳纜繩的共同拉力作用下，潛水器隨A形架回擺至后甲板尾部，由布放人員將籠頭纜從潛水器上解下，隨后潛水器可被主吊纜回收至萬向架底部，由萬向架鎖緊裝置鎖緊。
3.升降軌道車
升降軌道車位于母船的后甲板中部，與A形架對中，不僅可作為潛水器日常存放、保養(yǎng)和檢修的載體，而且可在潛水器布放回收系統(tǒng)中發(fā)揮轉(zhuǎn)移工位的作用。升降軌道車主要由潛水器支架、升降油缸、行走軌道、行走齒輪、行走馬達、防翻鉤、固定架和活動架組成(圖4)。
圖4 升降軌道車的主要結(jié)構(gòu)
潛水器支架均布于活動架上，其高度和位置按照“蛟龍”號的底部弧度進行設(shè)計，使?jié)撍髦Ъ茼敳科矫媾c“蛟龍”號底部緊密貼合，使“蛟龍”號在存放工位與布放回收工位之間轉(zhuǎn)換的過程中保持穩(wěn)定。行走軌道由存放工位延伸到布放回收工位，使升降軌道車在行走馬達和行走齒輪的驅(qū)動下完成在2個工位之間的移動。
升降軌道車具有升降功能，其主體設(shè)計包括活動架和固定架2個部分。當(dāng)升降油缸升高時，活動架隨之升高，并將“蛟龍”號升高到需要的高度，以滿足布放回收作業(yè)的要求。
二、關(guān)鍵技術(shù)
1.升沉補償
在“蛟龍”號載人潛水器的布放回收過程中，能否經(jīng)受住惡劣海況的考驗是判斷布放回收系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。惡劣海況不僅會造成整個A形架系統(tǒng)隨母船在海面上晃動，更重要的是當(dāng)“蛟龍”號與海面接觸而主吊纜仍與“蛟龍”號處于連接狀態(tài)時，海面的急劇升沉?xí)?/span>“蛟龍”號頻繁地從空中跌落，帶來的沖擊力會持續(xù)對主絞車馬達造成損傷，甚至導(dǎo)致馬達齒輪碎裂而失去提升動力，屆時“蛟龍”號將無法回收到母船。因此，有效實現(xiàn)“蛟龍”號在海面的升沉補償是布放回收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
本研究以潛水器布放過程為例介紹升沉補償技術(shù)，回收過程的步驟則完全相反。布放回收系統(tǒng)對“蛟龍”號的布放步驟如圖5所示。
圖5分別展示“蛟龍”號在布放過程中的3種狀態(tài)：①圖5(a)中，A形架內(nèi)擺至舷內(nèi)極限工作位，“蛟龍”號由升降軌道車運送到A形架萬向架的正下方，并由萬向架的鎖緊裝置固定在萬向架底部；②圖5(b)中，A形架外擺至舷外極限工作位，此時“蛟龍”號仍由鎖緊裝置固定在萬向架底部，而拖曳纜繩系固在“蛟龍”號頭部；③圖5(c)中，鎖緊裝置釋放，“蛟龍”號在主吊纜的拉力下離開萬向架并慢慢下移至海面，在此過程中同時受到拖曳纜繩的水平拉力。
圖5 “蛟龍”號的布放過程
由圖5可以看出，在整個布放過程中，“蛟龍”號與布放回收系統(tǒng)的連接方式主要有2種：①當(dāng)A形架由舷內(nèi)擺動至舷外極限時，“蛟龍”號由鎖緊裝置固定于萬向架，此時“蛟龍”號與A形架固結(jié)，可基本不受海況的影響；②當(dāng)“蛟龍”號脫離萬向架而被下移至海面時，其同時受到主吊纜和拖曳纜繩的拉力并隨海面升降，此時布放回收系統(tǒng)的升沉補償系統(tǒng)須減小“蛟龍”號在隨海面升降的過程中給主絞車馬達帶來的額外負(fù)荷。
2.恒張力液壓控制系統(tǒng)
布放回收系統(tǒng)的升沉補償主要由拖曳絞車和主絞車的恒張力控制來實現(xiàn)。當(dāng)處于恒張力控制模式時，拖曳纜繩和主吊纜對“蛟龍”號的拉力被設(shè)定為恒定值，使拖曳纜繩和主吊纜始終處于張緊狀態(tài)。當(dāng)海面快速下降時，拖曳纜繩和主吊纜會在恒張力的作用下快速放出，放出的速度與“蛟龍”號因自身重力和母船晃動等因素造成的下降速度相當(dāng)，從而抵消“蛟龍”號下降產(chǎn)生的加速度負(fù)荷；當(dāng)海面快速上升使“蛟龍”號被抬高時，拖曳纜繩和主吊纜會在恒張力的作用下快速收回，使“蛟龍”號不會因海面快速下降而給主絞車馬達帶來額外的慣性負(fù)荷。
拖曳絞車的恒張力液壓控制系統(tǒng)如圖6所示。拖曳絞車的收放動作由1個三位四通換向閥控制，絞車的運行速度由液壓馬達的流量控制。為保護液壓馬達，在液壓馬達的主管路上設(shè)置1個高壓溢流閥。梭閥與三位四通換向閥的進油口和回油口相通，經(jīng)梭閥流出的液壓油通過減壓閥和順序閥，可釋放裝在拖曳絞車齒輪箱上的制動器，使齒輪箱可按要求工作。
①三位四通換向閥；②先導(dǎo)比例減壓閥；③梭閥；④先導(dǎo)減壓閥；;⑤先導(dǎo)順序閥；⑥平衡閥；⑦方向插裝閥；⑧高壓溢流閥；⑨液壓馬達
圖6 拖曳絞車的液壓控制系統(tǒng)
拖曳絞車的恒張力控制可通過先導(dǎo)比例減壓閥、高壓溢流閥和先導(dǎo)減壓閥來實現(xiàn)。由高壓溢流閥設(shè)定液壓系統(tǒng)輸出的最大壓力，通過遙控液壓閥的輸出，使拖曳絞車的纜繩保持張緊狀態(tài)，直到壓力到達設(shè)定的最大壓力。例如：當(dāng)絞車進行回收作業(yè)時，由先導(dǎo)比例減壓閥控制纜繩的張緊力，當(dāng)外部負(fù)荷增加到相當(dāng)于設(shè)定的最大系統(tǒng)壓力時，纜繩開始放出；當(dāng)外部負(fù)荷減小到設(shè)定的最大系統(tǒng)壓力以內(nèi)時，纜繩繼續(xù)收回。
①三位四通換向閥；②梭閥；③先導(dǎo)順序閥；④先導(dǎo)安全閥；⑤二位二通閥；⑥高壓溢流閥；⑦液壓馬達；⑧液壓馬達
圖7 主絞車的液壓控制系統(tǒng)
主絞車的恒張力液壓控制系統(tǒng)如圖7所示。主絞車由2臺液壓馬達驅(qū)動，每臺液壓馬達都通過1個行星齒輪箱與絞車卷筒連接，每臺齒輪箱都配有1個須使用液壓進行釋放的彈簧式剎車裝置，剎車裝置可由梭閥和先導(dǎo)順序閥控制。主絞車的恒張力控制須首先將2臺液壓馬達設(shè)定為最小流量的排角，以減小管路的壓降并提高主絞車的轉(zhuǎn)速。在二位二通閥動作后，液壓系統(tǒng)的主壓力即由高壓溢流閥較低的溢流壓力決定，從而提供恒張力所需的高速度和低負(fù)荷的液壓條件，實現(xiàn)主絞車的恒張力控制。
三、海上應(yīng)用
自2009年至今，布放回收系統(tǒng)已成功完成近200次“蛟龍”號的布放回收作業(yè)。實踐證明，拖曳絞車和主絞車的恒張力控制可很好地適應(yīng)惡劣海況下“蛟龍”號的快速升沉，布放回收系統(tǒng)可實現(xiàn)“蛟龍”號的三級海況布放和四級海況回收的作業(yè)要求。門架、伸縮柱、主絞車、鎖緊裝置和拖曳絞車等的控制開關(guān)被集成到1套可移動的遙控面板上，當(dāng)進行“蛟龍”號的布放回收作業(yè)時，操作人員可根據(jù)作業(yè)需求和合適地點，對布放回收系統(tǒng)各部件的動作進行遙控。
“蛟龍”號載人潛水器海上布放的流程為：①下潛人員經(jīng)由“蛟龍”號的維護平臺進入潛水器，在布放人員關(guān)閉潛水器艙蓋后，升降軌道車開始移動并移動至A形架的正下方，由布放人員將主吊纜與潛水器連接后，主吊纜提升，同時A形架向外擺動；②A形架外擺至母船尾部，由布放人員將拖曳纜繩與潛水器上的籠頭纜連接，A形架繼續(xù)向外擺動至最大位置，主吊纜緩慢釋放，在主吊纜與拖曳纜繩的合力下，潛水器可穩(wěn)定到達海面；③潛水器到達海面后，蛙人乘坐小艇靠近潛水器并解下主吊纜，使主吊纜與潛水器脫離，此時潛水器可開始下潛。
四、結(jié)語
“蛟龍”號載人潛水器的布放回收系統(tǒng)是我國首套用于載人潛水器的布放回收系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)部件包括A形架、拖曳絞車和升降軌道車。拖曳絞車和A形架主吊纜的恒張力控制可滿足“蛟龍”號三級海況布放和四級海況回收的要求，升降軌道車同時可作為“蛟龍”號日常存放、保養(yǎng)和檢修的載體。布放回收系統(tǒng)已成功布放回收“蛟龍”號近200次，為我國發(fā)展載人深潛事業(yè)積累了大量實踐經(jīng)驗。
來源：《海洋開發(fā)與管理》|由“溪流之海洋人生”編輯與整理
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