0 引 言

水下绞车是一种安装在水下主浮体或海底平台上的无人值守机电一体化装置，内置电机驱动实现电缆收放，从而控制通信浮标的升降。其主要功能是使通信浮标藏匿于水中不受人为、台风、海浪等的破坏，并且在完成信息收集或测量后将通信浮标升至海面。在海洋环境监测和资源调查中，经常需要对海洋环境的海水温度、海水电导率和压力等海洋环境要素进行长期、定点、实时、立体监测，实时传输潜标利用水下平台所携带的设备完成海洋环境要素测量后，采用水下绞车放索将通信浮标放出水面，通信浮标通过卫星通信方式将海洋环境要素数据发送到岸站。完成数据发送后，水下绞车通过收索将通信浮标收回水下。

1 水下绞车设计

水下绞车主要由安装架、驱动装置、传动机构、导索装置、索筒、系留通信缆及水下电滑环等组成，水下绞车总体结构图如图 1 所示。驱动装置主要包括直流电机、减速器及制动器等，其输出动力通过安装在齿轮箱内部的传动机构分别驱动排索机构和索筒，从而带动系留通信电缆左右移动缠绕在索筒上。水下绞车、双向丝杠等均通过安装接口与安装架相连。减速器输出与双向丝杠、索筒间采用齿轮传动方式。电缆与外部控制间采用油压补偿式水下电滑环连接。系留通讯缆采用直径不大于 8 mm 的承力电缆，系留通讯缆用于信号传输、采集通信浮标深度信号等。系留通讯缆安装在转动的索筒上，通过油压补偿式水下电滑环将系留通讯缆上的通信浮标信号与控制电路连接。为保证系统长时间水下工作，系统主体结构采用耐腐蚀不锈钢材料。系统各运动结构、轴承等运动部位均进行密封处理。

1.1 驱动装置设备选型及参数计算

根据总体结构，动力传动用电机参数：额定工作电压 24 V，额定工作电流 9.4 A，额定转速：3 710 r/min，额定转矩 485 N·m，效率：83%。减速器参数：传动比 308:1，最大输出扭矩 120 N·m，传递效率：70%。制动器参数：最大摩擦扭矩 0.4 N·m（制动直流电机）。

根据设备选型对系统设计参数，以收索来进行计算，假定收索平均速度 5 m/min，假设水下绞车出索端直径 200 mm，出索端索上的最大张力F _max = 1 000 N，则收（放）索时所需最大扭矩为（取索筒最大外径 200 mm）：

${M_{\max }} = F \times {R_{\max }} = 1000 \times 0.1 = 100 \,\, {\rm{N}} \cdot {\rm{m}}\text{，}$

水下绞车出索端有效输出最大功率要求为（按收索计算，不考虑传动效率及其他系统阻力）：

$P = F \times V = 1000 \times 5/60 = 84 \,\, {\rm{W}}\text{，}$

减速器输出端额定转速：

$3710 \div 308 = 12 \,\,{\rm{r/min}}\text{，}$

则系统所需功率：

$84 \div 0.83 \div 0.7 \div 0.7 = 207 \,\,{\rm{W}} < 250 \,\,{\rm{W}}\text{，}$

减速器输出端额定转矩：

$485 \,\,{\rm{Nm}} \times 308 = 149 \,\,{\rm{Nm}} > 100 \,\,{\rm{Nm}}\text{，}$

按卷索筒与减速器输出端传动比为 1:1 计算，那么电缆收放最小速度：

${V_{\min }} = \frac{{n \times \pi \times {D_{\min }}}}{{1000}} = \frac{{12 \times 3.14 \times 80}}{{1000}} = 3 \,\,{\rm{m}}/\min \text{，}$

电缆收放最大速度：

${V_{\max }}\!=\!\frac{{n \times \pi \times {D_{\max }}}}{{1000}}\!=\!\frac{{12 \times 3.14 \times 200}}{{1000}}\!=\!7.5 \,\,{\rm{m}}/\min \!\text{。}$

1.2 传动机构

传动机构采用齿轮传动方式，齿轮传动机构安装密封结构内，防止海水腐蚀。驱动装置通过传动机构同步实现排索和收、放索动作。传动结构中，驱动齿轮齿数 Z ₁ = 20，卷索筒绕索齿轮齿数 Z ₂ = 20 ，导索机构排索齿轮 Z ₃ = 60。卷索筒和导索机构之间的传动关系为 1:3，从而实现绕索、排索同步进行。

1.3 导索装置

排索机构采用双向丝杠方式，实现双向排索。其主要工作原理为：在丝杠转动的同时驱动索筒转动，同时丝杠带动导索机构移动，其移动速度与索筒转速相匹配。当导索机构到达丝杆一侧时，导索机构自动实现换向，实现反向排索。

1.4 水下绞车控制电路设计

水下绞车控制电路主要包括单片机、I/O 电路、隔离电路、串口通信接口、稳压模块、深度传感器、电流传感器、稳压模块、IPM 模块、驱动电路等部分组成。串口用于接收上位机指令，读取 FLASH 存储器中的内记数据。电流传感器用来测量水下绞车驱动回路中的电流，当电流超出正常的工作电流时，控制系统切断驱动回路，确保驱动电路和控制电机的安全。FLASH 存储器用于存放浮标升降运动过程中的深度数据。深度传感器用来测量通讯浮标所处的深度，作为水下绞车控制的依据。水下绞车控制系统框图如图 2 所示。单片机选用 ATmega128 单片机，该单片机是一款基于 AVR 单片机增强型 RISC 结构的低功耗 CMOS 八位微控制器。IPM 模块用来驱动电机，实现电机的正反转控制，IPM 模块具有如下特点：内置驱动电路、过流保护、短路保护、控制电源欠压保护、过热保护及外部输出的警报。单片机输出的控制信号经光耦送到IPM模块的输入端，6 路输入信号的电路结构均相同，光耦起隔离 IPM 驱动电路与控制电路的作用。

2 水下绞车在实时传输潜标中的应用

潜标如图 3 所示，主要包括卫星通信系统、CTD 测量系统、温盐链、水下绞车、主浮体、锚泊系统等。系统布放入水到达预定深度后，系统上电初始化，启动海洋环境要素测量，测量一段时间后，启动水下绞车放索将通信浮标释放到水面，通信浮标露出水面后水下绞车停止放索并通过卫星通信系统将海洋环境要素数据传送到岸站，数据发送完成后，水下绞车开始收索，当通信浮标到达设定水深后停止收索，系统进入下一个工作周期，如此循环往复直到工作结束。系统工作流程如图 4 所示。

3 结 语

随着社会的发展，科学技术的提高，海洋开发、海洋利用以及海洋调查工作将越来越重要。而海洋开发和海洋工程的发展，都需要海洋调查和海洋监测的支持，因此对水下绞车及其实时传输潜标的研究，实现无人值守条件下的海洋要素测量，以获取海域海洋环境要素动态状况，具有重要的理论和实际应用价值。