1、第31卷第5期 2009年5月 舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Vo131，No5 May，2009 深潜救生艇收放装置关键技术研究 穆 岩，陈黎明，祝捷，张祚良 (海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室，辽宁沈阳110168) 摘 要： 为了保证深潜救生艇下水和起吊过程的安全，提出了深潜救生艇收放装置关键技术，包括纵横摇缓 冲保护技术和恒张力控制技术。从理论分析出发，分析母船船体和深潜救生艇运动状态和受力情况，建立运动模型， 进行了计算机仿真，提出了收放装置纵横摇缓冲机构的设计原则。在恒张力控制研究方面，重点分析深潜救生艇在 水面的运动与受力状态，进行了起吊缆
2、恒张力控制仿真试验。利用起吊绞车试验模型进行起吊缆恒张力控制试验研 究，验证分析和仿真的结果，为设计提供了技术基础。 关键词： 深潜救生艇；收放装置；纵横摇缓冲；恒张力控制 中图分类号： U6676 文献标识码：A 文章编号： 16727649(2009)05011605 DOI：103404jissn16727649200905027 Key technologies research on launching and recovering device of deep submergence rescue vehicle MU Yah，CHEN Li-ming，ZHU Jie，ZHANG
3、Zuo-liang (Representative Department for Forming Complete Sets of Naval Ships in the Area of Shenyang，Shenyang 1 10168，China) Abstract： In order to ensure safety of deep submergence rescue vehicle in the process of launching and hoisting，this paper puts forward the key technologies on launching and
4、recovering device of deep submergence rescue vehicleThey include buffering protection technology of pitching and rolling，and constant tension control technologyThe motion and force state of support shipS hull and deep submergence rescue vehicle is analyzedThe motion model is built and simulation tes
5、t is finishedThe design principle of pitching and rolling buffing machine for launching and recovering device is gottenIn the case of constant tension control，the surface motion and force state of deep submergence rescue vehicle is researched speciallyThe simulation test for cable constant tension c
6、ontrol is finishedWinch test model is used to finish the test of constant tension contro1The outcome of analysis and simulation is validatedIt is technology bases for design Key words：deep submergence rescue vehicle；launching and recovering device；rolling and pitching buffering；constant tension cont
7、rol 0 引 言 在现代高技术条件下的海战中，潜艇仍是海军战略 战术威慑的重要力量。但是，随着潜艇潜深和数量的不 断增加，加之由于材料缺陷、操作失误、碰撞、火灾和爆 炸等意外因素造成的潜艇失事时有发生，任何一种潜艇 都存在着失事沉没的可能。为充分保障潜艇人员的安 全，发达国家海军均建设了以深潜救生艇(DSRV)为主 要救生手段的援潜救生系统。深潜救生艇是载人潜水 器，能够在水下一定深度范围内与失事潜艇对接，将失 收稿日期：20090227；修回日期：20090327 作者简介：穆岩(1980一)，男，助理工程师，现主要从事舰船辅机技术研究。 第5期 穆 岩，等：深潜救生艇收放装置关键技术研究
8、 117 事潜艇上的被困艇员直接转移到救生船进行救治，因 此，深潜救生艇在潜艇脱险与救援方面具有其他救生设 备所无法比拟的重要作用。 为了保障深潜救生艇安全迅速地完成潜水救援 工作，在母船上必须配置专用的收放装置，以实现深 潜救生艇的释放和回收工作。深潜救生艇收放装置 是深潜救生艇的水面支持系统，是援潜救生系统的重 要组成部分，担负着将深潜救生艇从母船甲板释放到 水面和从水面回收放到母船的任务。为了争取救援 时间，能在恶劣海况条件下安全、快速收放深潜救生 艇是十分重要的，因此能在较高海况下收放深潜救生 艇的收放装置是援潜救生体系中的关键设备之一。 国外的深潜救生艇，如瑞典海军的URF、英国的
9、LR5、韩国的LR5K、意大利的SRV300等的收放装置 大都采用A形架的结构形式。各种A形架式的收放 装置虽然各有不同，但共同的特点是起吊绞车具有恒 张力控制功能及其他程度不同的缓冲保护功能。 我国尚未装备带缓冲保护装置的深潜救生艇收 放装置，目前各种船只上已有的一些收放设备，包括 ROV的收放装置，其A形架系统的绞车不具备恒张 力控制功能，这是由于ROV系统的起吊缆通常采用 的是起吊与动力和通讯传输集成为一体的铠装电缆， 难以在绞车上实现，而采取其他形式的缓冲保护装 置 。为了实现深潜救生艇的安全起吊，必须对纵 横摇缓冲保护技术和对高速起吊绞车的恒张力驱动 和控制进行更进一步的研究，采用新
10、型的驱动和控制 方式，以达到安全使用要求。 图1 深潜救生艇收放装置结构示意图 Fig1 Frame picture of launching and recovering device for deep submergence rescue vehicle 1 纵横摇缓冲保护技术研究 11 深潜救生艇收放装置运动和受力分析 深潜救生艇收放装置的组成主要包括：A形门架 及其驱动液压缸、摆动架、起吊绞车、伸缩架、对接装 置、纵摇、横摇缓冲液压缸，牵引绞车，液压和控制系 r 0=0405sintot=0405sin0757t Yo=0735sintot=0735sin0757t tz0=0985s
11、intot=0985sin0757t。 1=一65(1一cosO )=一65 X 2= 0031cos151t一0031， Yl=0， l=65sinO；=650：=283 sinO757to 船体横摇角0 =0136sin0757t，船体的横摇使 A形架产生相应的运动，其运动方程为： r 2=0， Y2：一39(1一cosO)=0018cos151t一0018， tz2=39sin0h=053sinO757t。 112摆动架+救生艇体的运动学和动力学分析 深潜救生艇在收放过程中，摆动架与救生艇体对 接。对摆动架+救生艇体(以下简称救生艇)的运动 和动力分析分为2种情况：无缓冲状态和有缓冲状
12、态。主要分析有缓冲状态，救生艇的运动是由船体质 心运动、纵摇使A形架产生运动与救生艇在有阻尼 缓冲条件下绕A形架横梁支点运动和救生艇体横向 摆动的合成。 救生艇因船体质心运动和纵摇运动而受迫摆动。 救生艇质心距转动轴的距离Z。，摆动角 ，阻尼比 ， 救生艇固有频率 救生艇的质量m。，转动惯量，。， 则救生艇受迫摆动的微分方程为： +2 1 + 2 1 =004sintot。 代入相关数据，则： = l+ 2=0054te-1 +0017 sin(0757t一105)。 救生艇绕A形架横梁支点的运动方程为： 1 18 舰船科学技术 第31卷 ， 4 =21 sing=01 sin(0757t一1
13、05)， ?Y4 =0， L ：Zl(1一c0s ) =Z1 2=0。 救生艇体因船体质心运动和横摇运动而受迫横向 摆动。救生艇体质心距转动轴的距离z ，摆动角0，阻尼 比 ，救生艇体固有频率 ，救生艇体的质量m ，转动 惯量 ，则救生艇体受迫横向摆动的微分方程为： 0+2(oJ 20+2 20=021 sintot， 代入相关数据，则： 0：0 十0，：019te一 “+0038sin(0757t一066)。 救生艇体横向摆动的运动方程为： r 4”=0， Y4”=12sin0=0075sin(0757t一066)， 【 4”=Z2(1一cosO)=120。2=0。 因此，救生艇的运动方程为
14、： E= o+ 1+ 4 + 4 =0405sin0757t+ 01 sin(0757t105)+ 0031cos51t0031， YE=Yo七y4 +Y4 =0735sin0757t+ 0075 sin(0757t一066)， L E= 0+z1+ 4 + 4 救生艇的动力方程为： M=Fr sin =，。 ， M=F。，。一m：gl sin0=，2 ， =F =m 。 式中：F为有缓冲状态时产生的纵摇缓冲力；r为纵摇 缓冲力的力臂；F 为有缓冲状态时产生的横摇缓冲 力；r 为横摇缓冲力的力臂。 12计算结果 根据同样的分析方法，通过以上的分析可以得到 5级海况条件下A形架、摆动架、救生艇的
15、运动状态 和受力情况。同理，也可获得在34级海况条件下 的运动状态和受力情况。 13仿真结果分析 在上述对船体、A形架、摆动架以及深潜救生艇 收放过程的运动和受力情况理论分析的基础上，进行 了仿真试验。通过仿真试验可知，当母船受风浪影响 产生一定的纵摇和横摇运动时，必然会使深潜救生艇 在对接回收状态产生相应的摇摆运动。而在收放装 置上增设缓冲阻尼机构后，能大大降低深潜救生艇的 摇摆幅度，这对于深潜救生艇和艇内人员，对收放装 表1 收放装置主要运动指标对比表 Tab1 Contrast list of main motion index for launching and recovering
16、device 项 目 3级海况4级海况5级海况 船体运动周期s 58 7 83 船体纵摇角(。) 066 155 25 船体横摇角(。) 106 388 72l 摆动架空载 无缓冲 161 287 504 摆动角(。) 有缓冲 O31 O57 115 摆动架带艇时 无缓冲 367 275 43 摆动角(。) 有缓冲 029 0，31 097 纵摇力kN 69 294 617 横摇力kN 266 1O5 l98 置自身的运动冲击都将大大降低，因此在深潜救生艇 收放装置的设计中应当增加纵摇和横摇缓冲机构。 在研究过程中，通过仿真试验虽然得到了纵摇和 横摇缓冲力，但由于在分析中对母船、深潜救生艇、风
17、 浪运动做了大量简化和假设，因此该结果还不能直接 作为依据进行设计缓冲机构，而需要在此基础上考虑 其他因素的影响，适当增加缓冲机构的范围，增大缓 冲力的最大设定值，同时还应该增加调节环节，以适 应海上实际情况的变化。 2 起吊缆恒张力控制研究 21 深潜救生艇在水面的运动与受力状态分析 深潜救生艇在回收时首先上浮到海面，当将其拖 曳到母船尾部A形架下方后(此时A形架摆动到舷 外位置)，由潜水员将起吊缆连接到起吊点上。在起 吊之前，深潜救生艇浮在水面随波浪的运动而上下起 伏，同时母船在风浪的影响下也做升沉运动，由于母 船的尺度和重量与深潜救生艇相差悬殊，因此两者的 运动是不一致的，即深潜救生艇和
18、母船的升沉幅度、 频率、相位等均有较大的差别。这样当起吊缆连接到 深潜救生艇上在起吊之前，由于深潜救生艇和母船运 动的不同，因此就可能导致起吊缆呈松驰一张紧一松 驰的状态变化。起吊缆的这种状态交替变化，在深潜 救生艇升沉幅度大、速度快时将使起吊缆产生强烈的 冲击，而这种冲击对于深潜救生艇、收放装置结构和 起吊缆都是非常有害的，轻者可能会降低起吊缆的使 用寿命，严重时可能造成起吊缆的断裂而导致发生无 法回收深潜救生艇的事故，甚至对艇内人员生命安全 造成威胁。为了保证深潜救生艇安全回收，必须对深 潜救生艇浮在水面自由升沉和起吊绞车恒张力控制 情况下的运动和受力状态进行分析和仿真。 第5期 穆 岩，
19、等：深潜救生艇收放装置关键技术研究 1 19 现假设深潜救生艇为圆柱体结构，质量m，圆柱 体高h，体积 已知，求得半径 。定义深潜救生艇 的连接点为原点0，其运动为Yc(t)，绳子的运动为 (t)，救生艇的初始原点在海平面以上h。处，初始 位置原点到悬挂点距离为 ，则物体在水下的高度为 h =2Rh。+ (t)一 (t)。在水面时，深潜救生艇 的运动和受力状态如下 ： 1)受到的浮力为： f=pg =，p一g“V 。x ，2 。 式中： s： s( 一( ) ) 。， lo 0； 2)阻力为： F： 1 sgnj，c()cp (f) 。 3)设起吊绞车的拉力为T(t)，则： T(f)一mg+厂
20、一F=mY (t)； 4)缆绳的运动为： (t)=H (t)+ ( )。 图2图4是对深潜救生艇在恒张力作用下运 动的仿真 。 6 4 暑2 0 一z _4 6 图2起吊绞车恒张力作用下速度仿真曲线 Fig2 Speed simulation Curve of rising winch in cable constant tension control 起吊绞车位移 、， 厂 八 、 厂、 V V V 救生艇位移 f-kLjL 图3起吊缆恒定恒张力作用下位移仿真曲线 Fig3 Displacement simulation curve of rising winch in cable cons
21、tant tension control 通过上述分析和仿真结果可知，深潜救生艇在出 水面之前的运动状态，与是否采用起吊缆恒张力控制 绞车作用力 k ，、 厂 厂， 。厂 、 V _ 图4起吊缆恒张力作用下力变化仿真曲线 Fig4 Force simulation curve of rising winch in cable constant tension control 有明显的关系，当采用恒张力控制时，能在一定程度 上降低深潜救生艇的运动速度，这对于起吊出水也是 非常有利的 。同时也发现，在深潜救生艇的升沉 运动过程中，起吊缆的恒张力并不是保持恒定不变， 而是在一定范围内波动。由于起吊缆
22、的恒张力始终 存在，这样就避免了起吊缆的“松驰一张紧一松驰” 情况的发生，也降低了由于这种冲击带来的危险。 22起吊缆恒张力控制的试验研究 221 试验装置 起吊绞车模型试验的目的是通过在模拟应用条 件下对起吊绞车模型恒张力功能的试验，对起吊绞 车、液压控制回路的功能和性能进行验证，并通过试 验确定起吊绞车的合理控制参数及技术指标，为深潜 救生艇收放装置的设计建造提供技术基础。 起吊绞车试验装置包括试验台、起吊绞车模型、 波浪模拟绞车、液压系统、控制系统等。 起吊绞车模型是一个液压马达驱动的绞车，由卷 筒、液压马达、减速机、制动器、安装支架构成。 波浪模拟绞车是由液压马达和减速机驱动的，以 预
23、定的运动规律往复转动，模拟深潜救生艇在水面的 起伏运动。 起吊绞车与波浪模拟绞车由钢丝绳通过滑轮连 接起来，能够检测垂直于回转轴的径向力。试验时， 由波浪模拟绞车产生模拟运动，起吊绞车则跟随进行 恒张力补偿转动。 222试验方法 使波浪模拟绞车在不同速度、不同运动幅度条件 下运转，对起吊绞车恒张力功能和性能进行验证。试 验结果如图5所示。 223 试验结果 通过对试验记录数据分析可知，在一个运动周期 中，波浪模拟绞车放出缆绳时的速度较高，而在收回 缆绳时的速度较低。这是由绞车液压系统的负载特 性造成的，当波浪模拟绞车向外放缆时起吊绞车收 120 舰船科学技术 第31卷 2 军 _=T ： 鎏
24、一1 一 一 0 5l伽 10JDo 1500 200o 2500 30JD0 图5绞车模型试验数据曲线 Fig5 Test data curve of winch model 缆，使波浪模拟的负载方向与运动方向一致，而当模 拟绞车收缆时，需要克服起吊绞车的阻力，因此使得 绞车在不同方向转动时的速度不同。 在波浪模拟绞车往复转动时，缆绳的恒张力也在 发生变化。当波浪模拟绞车放出缆绳时，2台绞车的 运动方向一致，恒张力较低。而收回缆绳时的恒张力 较高，这与起吊绞车的恒张力控制回路的特性一致。 试验结果表明，起吊绞车在速度小于90 mrain 的情况下能跟随波浪绞车的速度变化，并能实现缆绳 的恒张
25、力功能，缆绳的恒张力在1002 500 kgf之间 变化，在波动最大时，仍能够保持具有一定的张紧力， 没有发生完全松驰的现象。 由此证明，起吊绞车的恒张力控制方式和液压回 路的性能能够实现起吊绞车的恒张力控制波浪运动 补偿功能。 3 结 语 在研究工作中，对深潜救生艇在对接收放过程中 的运动受力情况进行了理论分析和仿真，对深潜救生 艇在水面的运动状态和恒张力控制状态进行了理论 分析和仿真。 在上述的理论分析和仿真的基础上，提出了收放 装置纵、横摇缓冲机构的设计原则，以及起吊绞车的 实现方案。并且制作了起吊绞车恒张力控制试验模 型，通过对起吊绞车恒张力控制模型试验，验证了所 提出方案的可行性，为
26、收放装置的设计完善提供了技 术支持。 参考文献： 1 张竺英，任福林潜水器恒张力收放轿车系统的建模与 仿真J机床与液压，2006，(9)：132136 2 付本国，孟庆鑫，刘汉明深潜救生艇现状及发展趋势 J海洋工程，2007，25(4)：120126 3 蒋新松，封锡盛，王棣棠，等水下机器人M沈阳：辽 宁科学技术出版社，2000 4 薛定宇，陈阳泉基于MATLABSimulink的系统仿真技 术与应用M北京：清华大学出版社，2002 5 王春行液压伺服控制系统M北京：机械工业出版 社。1985 (上接第115页) 参考文献： 1 王绍印故障模式和影响分析(FMEA)M广州：中 山大学出版社，2
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