DOI:10.3969/j.issn.1009-671X.201501014
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2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
深水软管、脐带缆或其他柔性连续体的水下铺设是一项较为困难的海工作业，由于铺设过程中存在着柔性管缆自身运动与铺管敷缆船运动的相互叠加，并且还存在着海洋环境的影响，铺设作业效果在极大程度上依赖于铺设装备的性能[1, 2, 3]。因此，要求铺设装备不仅能够满足工作负载，同时能够对外界扰动具有一定的适应补偿能力，保证软管及脐带缆铺设安全[4, 5]。
1 深水软管及脐带缆铺设系统图 1为深水软管及脐带缆铺设系统，主要包括铺设塔、张紧器、滚筒驱动装置3类装备。其中铺设塔的主要功能是支撑和导向，对柔性管缆进行退扭并控制其入水角度。张紧器的主要功能是夹持并输送柔性管缆，维持水下管缆的张力。滚筒驱动装置主要用以驱动缠绕有待铺设管缆的滚筒旋转放出管缆，并维持与张紧器之间段管缆的铺设张力。
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| 图 1 深水软管铺设系统 |
深水柔性管缆的水下铺设需首先完成滚筒驱动装置与滚筒的对接并将滚筒传送到规定的铺设位置，调节铺设塔倾角以及对管缆端头进行预处理等工作。接着由绞车牵引管缆端头上升至铺设塔并进入张紧器，并且这一过程中还需要滚筒驱动装置配合旋转放出管缆。最后当管缆端头通过张紧器后，则由张紧器开始拉紧管缆并控制其运动。此时滚筒驱动装置需提供阻尼制动力矩以维持与张紧器之间段管缆的张力，直至管缆端头触底并连接后开始正式铺设[6, 7]。
2 滚筒驱动装置机械结构设计在上述重点装备中，特别是浅水铺设工况下，滚筒驱动装置[8, 9]是系统铺设动力的主要来源。 图 2为滚筒驱动装置样机，主要包括主驱动盘旋转驱动系统、调整主驱动盘位置的垂向、横向滑块系统以及纵向行走系统等几个部分。
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| 图 2 滚筒驱动装置样机 |
内层水平滑块系统上布置有主驱动盘及其旋转驱动单元，并通过水平导轨与外层垂直滑块系统相连。垂直滑块系统通过垂向导轨与主机架相连。行走拖车系统则与主机架通过液压缸相连。通过水平、垂直滑块系统及行走拖车系统相互配合，可实现主驱动盘位置的任意调整，实现滚筒的对接、夹持及举升操作。
图 3为主驱动盘旋转驱动单元传动原理。主要动力元件包括1个驱动马达和1个阻尼泵，二者经一系列传动系统与主驱动盘相连，用于驱动滚筒旋转启动或在稳定铺设阶段对滚筒进行动力制动。由于采用的阻尼泵为单向泵，故在阻尼泵与传动系之间增设液压离合器，用于滚筒逆铺设方向旋转时将阻尼泵脱开，防止泵反转。
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| 图 3 主驱盘旋转驱动单元传动原理 |
图 4为旋转驱动单元驱动马达及阻尼泵液压驱动原理[10]。阻尼泵出口回路中的比例调压阀和阻尼元件组成了阻尼制动回路，其产生的高压回油阻力形成了阻碍滚筒旋转的阻尼制动力矩。同时，在回路耦合电磁阀开启、阻尼泵输出油液分流进入驱动马达的状态下，阻尼泵与驱动马达组成了驱动控制回路。可通过调整马达排量来动态调整马达驱动力矩，控制滚筒转速，进而实现对管道张力的控制。
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| 图 4 旋转驱动系统液压驱动原理 |
深水软管及脐带缆滚筒驱动装置样机设计总重约290 t，最大可承载375 t重管缆滚筒。主驱动单元设计总功率75 kW，最大可提供15 t铺设张力、铺设速度最大达30 m/min。主驱动盘位置调整部分横向最大位移0.75 m、垂向2.3 m、纵向不受限制，可对接直径8.6～11.4 m范围内的各型号滚筒。
3 滚筒驱动装置样机模拟试验研究 3.1 模拟试验原理由于陆地试验条件下不易实现铺管敷缆船运动对铺设装备造成的干扰，并且以大量管缆的重力对系统加载也将占用较大的空间，故搭建模拟试验系统来模拟实际铺管敷缆作业的负载及环境状况。
图 5为模拟试验原理，以负载模拟绞车牵引试验滚筒旋转作为加载方式，通过调整绞车拉力即可模拟管缆开始下水到触底以及管缆自重拖拽滚筒旋转的状态。根据相对运动原理，采取由波浪模拟液压缸推拉绞车基座在导轨上运动的方式模拟铺管敷缆船运动对系统造成的干扰。试验系统所测试的数据包括铺设张力及速度，所配测试元件包括布置于波浪模拟液压缸上的称重传感器以及布置于传动系中的扭矩传感器和编码器。
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| 图 5 模拟试验系统 |
初始铺设试验验证驱动装置能够驱动滚筒旋转，并能提供与模拟负载相平衡的阻尼力矩。试验首先由波浪模拟液压缸固定绞车基座，然后驱动装置启动放出试验管缆，绞车则随动收回模拟管缆但不对其施加拉力。设定目标铺设速度为2.5 m/min，图 6为控制系统输出的驱动力矩及扭矩传感器实测值，图 7为由编码器实测数据折算的铺设速度。可见驱动系统能够根据控制信号调节马达输出力矩，使静止的滚筒启动旋转并稳定在目标铺设速度。
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| 图 6 系统驱动力矩 |
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| 图 7 铺管速度 |
逐渐增大绞车拉力，模拟实际情况下入水管缆重量不断增加的过程。随着绞车拉力增加，试验滚筒逐渐加速，控制程序逐渐减小马达驱动力矩并增 大阻尼泵制动力矩，当系统输出力矩与绞车拉力矩 相平衡时，系统达到稳定铺设状态。
图 8为滚筒所受驱动马达及阻尼泵力矩曲线，图 9为铺设速度曲线。可见随着阻尼泵的启动，驱动装置逐渐过渡到带载状态，铺设速度先增加而后恢复原值。并且此过程中模拟铺管敷缆系统已经承受了工作负载，试验管缆受到拉伸，产生铺设张力。
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| 图 8 系统输出力矩 |
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| 图 9 铺管速度 |
恒张力铺设试验是验证在模拟位移扰动下驱动装置能够迅速补偿、控制管缆张力。在恒张力铺设状态下，由自动控制程序检测并记录扭矩传感器及编码器数据并反馈给控制器，动态调整驱动马达排量以调整驱动系统总输出力矩。当波浪模拟液压缸的位移扰动造成管缆张力增加、铺设速度加快时，程序控制驱动马达排量减小，加速放出管缆以对张力上升加以补偿。取波浪模拟液压缸扰动作用时间为30 s，扰动位移值为0.2 m进行试验。图 10、11为驱动装置输出力矩保持不变的恒阻尼模式和力矩自动调整的恒张力模式下管缆张力及铺设速度曲线。恒张力铺设有效地降低了管缆张力的增加，且反应速度较快，但张力调节的同时却造成铺设速度的波动幅度明显增大。
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| 图 10 管道张力 |
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| 图 11 铺设速度 |
表 1为取波浪模拟液压缸扰动位移分别为0.2 m、0.3 m及0.4 m等3种工况试验所测得的管缆张力及铺设速度与理想稳定值之间的标准差。可见随着波浪模拟液压缸位移扰动的增强，管缆张力波动增大。驱动装置的恒张力铺设功能可大幅度减小张力上升，特别对于小扰动的情况，张力波动减小量达70％以上。随着位移扰动程度的加剧，张力补偿能力减弱，最大模拟扰动下，张力波动减少了约36％左右。
| 标准差 | 工况 | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| 恒阻尼状态下管缆张力 / kN | 7.32 | 11.98 | 15.01 |
| 恒张力状态下管缆张力 / kN | 2.03 | 6.68 | 9.58 |
| 恒阻尼状态下铺设速度 /m·min-1 | 0.06 | 0.017 | 0.031 |
| 恒张力状态下铺设速度 /m·min-1 | 0.13 | 0.32 | 0.48 |
文中介绍了深水软管及脐带缆铺设作业过程及管缆滚筒驱动装置样机的研制。以负载模拟绞车牵引试验滚筒模拟水下悬挂段管缆重力，以波浪模拟液压缸推拉绞车基座运动模拟铺管敷缆船运动，搭建了陆地模拟试验系统。针对初始铺设以及恒张力铺设工况进行了模拟试验。结果标明深水软管及脐带缆滚筒驱动装置能够正向驱动滚筒旋转放出管缆，且能够产生与负载运动方向相反的阻尼制动力矩，建立铺设张力。在模拟铺管船位移扰动下，驱动装置能够对管缆张力进行调节补偿控制，可降低50％~70％的管缆张力波动，效果良好。
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