科考船绞车系统研究现状及发展趋势

葛杨元，杨 宇，李文华，林珊颖，潘瑞祥，娄兴建

（1. 南通力威机械有限公司，江苏南通 226500；2. 上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁大连 116026）

0 引言

认识海洋、经略海洋，需要具备对海洋观测、探测及预测的能力。海洋综合科考船是在传统海洋学科领域趋于逐步融合的背景下，配备技术先进的船舶操控装备和科考调查设备，具有多学科、多功能、多技术手段的综合科学考察能力，能在海洋上为各类学科提供同步调查和科考活动的船舶平台。科考绞车系统是海洋科考船的基本配置设备，科考船上配备有各种类型的绞车，来完成不同船载探测仪器的转运、投放和回收等作业，从而为海洋调查研究工作，特别是水文、生物和地质研究等的开展提供强有力的保障[1]。

1 科考船绞车系统的作用

科考绞车设备是指用于存储和收放科考作业用缆绳的各种类型绞车的总称。随着海洋调查装备技术的不断发展，如潜水器、水下机器人和水下作业仪器等调查仪器，需要有专门的绞车设备把调查仪器放入指定位置并进行回收。这些调查仪器大多数需要通过在科考船舶上设置的各种类型的绞车实现其升降和位置的定位与平衡[2]。如万米盐温深（Conductivity, Temperature, Depth，CTD）仪器绞车配合CTD收放装置，组成CTD收放系统，用于万米深海CTD取样器的收放及相关科考作业；全海深地质绞车用于全海深条件下海底地质取样及相关科考作业，可在最大海深区域内开展地质取样；光电缆绞车用于使用深海光电复合缆的科考作业，可以布放回收与光电缆适配的各型遥控无人潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）等。

2 科考船绞车系统的分类

出于不同的科学考查目的，科考船上安装的绞车也有各种不同的类型，按照不同的分类方法，科考绞车可分为如下类型，见图1[3]。

图1 科考船绞车系统分类

按装船形式的不同，可分为固定安装式绞车和移动安装式绞车；移动式绞车方便安装、更换，切换成本较低。

按缆绳种类的不同，可分为钢缆绞车、合成缆绞车、同轴缆绞车、光缆绞车等；不同缆绳功能特性不同，钢缆耐磨，合成缆水下质量轻，光缆可进行信号传输，用于可视抓斗、光学拖体、深海钻机等可视设备，而同轴缆一般用于深拖等。

按照工作功能的不同，可分为储缆绞车和牵引绞车；牵引绞车依靠轮槽间的摩擦力能大大减小缆绳上张力，储缆绞车则用于储存缆绳。

按作业类型的不同，可分为地质绞车、深拖绞车、电视取样绞车、水文生物绞车、CTD绞车、痕量金属绞车、ROV绞车、地震炮缆绞车、地震电缆绞车等；地质绞车用于投放海底地质取样设备，CTD绞车用于投放温深盐剖面仪及采水等，深拖绞车一般用于拖曳船后的地球物理观测仪器，水文绞车用于收放水文测量仪器，地震电缆绞车则用于收放地震电缆进行地质调查。

按结构形式的不同，可分为组合绞车（储缆＋牵引）和直拉绞车；直拉绞车一般用于浅海，采用储缆滚筒作为牵引机构牵引缆绳，缆绳回收之后直接缠绕在储缆滚筒上，一般载荷较小[4]，组合绞车包括牵引绞车和储缆绞车，通过牵引绞车减张力后，储缆绞车上能维持一个较小的张力，组合绞车可以承受更大负荷，容绳量更大。

按驱动形式的不同，可分为液压绞车和电动绞车；液压绞车具有优良的调速性能，可实现大范围的无极调速，而电动绞车操作简便，易于实现自动化。

3 国内外研究现状及应用

国外研发科考船绞车系统已有100多年历史，研发机构主要集中在欧美国家，如挪威RAPP Marine （ 被MacGreror 收 购）、 美 国Markey Machinery 、 丹 麦 MacArtney Underwater Technology、加拿大Hawboldt Industries、法国Kley france、英国Rolls-Royce、西班牙Ibercisa、芬兰MacGreror等。

国内南通力威机械有限公司于2015年先后为俄罗斯3艘科考船配备6套载荷分别为5 t/12 t/20 t的电动绞车，容绳量达8 000 m，并通过中国船级社（China Classification Society，CCS）认证，目前运行效果良好。2018年，大连海事大学联合南通力威机械有限公司等单位承担国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“全海深地质绞车系统研制”项目，成功研发国产全海深地质绞车系统“海威DJ11000”，见图1，容绳量达13 000 m，工作载荷≥20 t，系统性能及技术指标全面达到并部分超过国外同类主流产品水平，关键核心部件国产化率达100%，完全实现自主可控。2021年10月，“海威DJ11000”随自然资源部北海局“向阳红06”船在公海海域完成了首个航次的深海调查任务，获得多站位的深海样品。

图1 国产全海深地质绞车系统“海威DJ11000”

中国船舶集团有限公司第七〇四研究所研发的万米科考绞车，安装在“探索二号”科考船上[5]。无锡德林防务装备股份有限公司研制完成万米级光电复合缆深海科考绞车样机。江苏射阳远洋船舶机械科技有限公司研制完成DSWS-10000型万米钢缆深海绞车样机。湖南科技大学研制了电驱动主动升沉海洋绞车样机。

国外最近建造的艘科考船配置的绞车参数[6]：

1）新“太阳”号（Sonne）是德国联邦教研部新建的一艘全球级海洋综合科考船，该船的科考绞车系统为电动型，并埋舱安装，详细绞车系统情况见表1。

表1 新“太阳”号（Sonne）科考绞车系统

2）英国新“发现”号（Discovery）是一艘全球级的海洋综合科考船，该船科考绞车系统见表2。

表2 新“发现”号（Discovery）科考绞车系统

3）“Investigator”号是澳大利亚新建的1艘全球级的科学调查船，该船科考绞车系统见表3。

表3 “Investigator”号科考绞车系统

4 科考船绞车系统发展趋势

从目前国内外科考绞车的装备情况以及发展状况来看，未来科考船绞车系统将朝着以下6个方向发展：

1）控制自动化和智能化。随着信息技术的快速发展，未来绞车系统自动化程度会进一步提高，对绞车的运行能实现更智能的控制，实现更精准的缆绳收放及高精度的排缆。

2）深海化。随着海洋科考调查逐步迈入深水以及超深水领域，对于科考绞车设备也必然要满足深海化的需求，超过10 000 m的深海绞车的研制与应用将是发展趋势，更轻质、强度更高的纤维缆将得到广泛应用，同时带有牵引的恒张力绞车将会越来越多。

3）集成化。由于科考船甲板作业面积有限，而且科考船一般都要配备多台不同类型的绞车设备以满足不同的科考研究需要，科考绞车系统必然要趋于小型化，集成化，使得科考船作业甲板得到最大程度的利用。

4）波浪补偿功能。在高海况条件下进行科学考察时，由于船舶在波浪作用下不停的运动，使得科考仪器的收放困难，并且一些科考仪器需要固定在海底某个深度进行考查，船体的运动带动仪器上下运动无法满足科考需求，严重时还会损坏缆绳或科考设备，因此，将来科考绞车系统增加波浪补偿功能是必不可少的。

5）高适应、高可靠性。在海洋环境中工作的科考船绞车设备，由于洋流、海风等影响，需要对各种工作条件有更好的适应性，在海上恶劣的工作环境中要能保持系统的可靠运行。

6）信息化。绞车系统上设置大量故障报警点，通过信息采集技术，可以在线、实时地监控绞车的运行状况，通过远程接入端口，可以允许陆上接入，共同解决绞车系统运行中出现的问题。

5 结论

科考船绞车作为在海洋调查中投放科考仪器的设备，在海洋科学调查中起着决定科考作业是否成功的重要作用。本文介绍了科考绞车的作用，按照不同的分类方式对科考船绞车进行了系统的划分，分析了国外以及国内现阶段科考绞车系统的发展现状，并基于目前国内外整体研究情况，提出了未来科考船绞车系统的发展趋势，为我国深海和极地科考绞车技术发展提供参考。