可控尾靶設計

(中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451)

目前，為了提高勘探效率，海上石油地震勘探廣泛使用多線陣拖曳系統，而目前電纜尾部的尾靶只能夠定位，在船體轉彎時拖纜尾靶之間容易發生纏繞；特別在拖纜間距要求較窄的作業要求時，尾靶之間發生纏繞的可能性更大，給生產造成巨大損失。為了克服現有定位尾靶的缺點，提出了一種可控的拖纜定位尾靶，能夠定位拖纜尾部位置，尤其能夠控制拖纜尾部間距，避免拖纜發生纏繞。

本文提出的可控尾靶利用固定在系統支撐架上的聲學裝置對電纜尾部位置進行實時監測，然后通過微處理器控制傳動機構的工作來實現舵攻角的變化，從而實現電纜尾部位置的調節，使各可控尾靶之間的距離達到設定目標距離，滿足多纜作業的要求，從而提高生產作業的效率。

1 技術方案

可控尾靶主要由浮體模塊、電池組模塊、傳動機構模塊、舵模塊以及尾標系統控制驅動模塊組成。浮體模塊為其他模塊的水上承載體，電池模塊在尾標斷電的情況下提供電源，傳動機構模塊、舵模塊及尾標系統控制驅動模塊提供尾標控制及控制動力。可控尾靶的整體設計見圖1。

圖1 可控尾靶組成示意

可控尾靶區別于以往簡單的浮筒式尾靶的核心在于舵的加入，而舵設計的主要關鍵問題有舵型的選擇、舵各幾何要素的確定以及傳動機構的設計。

1.1 舵型的選擇

根據舵面積對轉動軸位置的分布將舵分為普通舵、平衡舵以及半平衡舵[1]，特點見表1。

表1 舵型的比較

根據可控尾靶的實際應用環境可知，可控尾靶作業時航行速度較低，對舵的強度高度要求不高，選用轉舵力矩較小的舵型可以降低功耗，因此通過比較選用加工方便，所需的轉舵力矩小的平衡舵。考慮到制造工藝的方便，舵的外形選擇為矩形。

1.2 舵各幾何要素的確定

1)平衡系數。平衡系數越大，舵葉的最大水動力力矩越小，即舵傳動系統的轉舵力矩越小；舵的平衡系數葉不宜過大，否則在常用舵角范圍內回舵時需要克服的轉舵力矩就可能較大，從而增加功耗。一般舵的平衡系數在0.15～0.50之間[2]，可控尾靶舵的平衡系數選為0.25。

2)NACA型剖面升力系數較大、阻力系數較小的特點而被廣泛應用[3]。這類翼型前部半徑大，有利于帶舵尾靶的低速運行。

3)展弦比對升力系數的影響見圖2，從尾靶的操縱性來看，希望在小舵角時升力系數Cy值較大。對某一舵，隨攻角α增大，升力系數也隨之增加。當α比較小時，升力系數與之成線性關系。

圖2 展弦比對升力系數的影響

在相同攻角時，展弦比較大的舵在失速前具有較大的升力系數，但是臨界攻角較小。NACA型不同厚度比對升力系數Cy和阻力系數Cp的影響見圖3。

4)舵力影響因素。舵力的大小與舵角、舵葉浸水面積、舵相對水流的前進速度和舵的斷面形狀等因素有關。舵的進速增大，舵力也就明顯增大；當舵速一定時，轉船力矩則隨舵角而變，當船舵角達滿舵時，轉船力矩也達最大值。若繼續增大舵角，轉船力矩反而開始下降[4]。舵角處于25°～32°之間時，舵效最好。

根據實際作業情況，尾靶舵的轉動角度設置為-30°～30°之間，其中0～-30°與0～30°所需轉動力矩呈對稱相等關系，由圖2可知，在可控尾靶舵轉動常用角度15°～25°、-15°～-25°之間，展弦比為2時升力系數最大，在可控尾靶舵轉動常用角度15°～25°、-15°～-25°之間，厚度比為0.12時升力系數和阻力系數最合適，綜上所述舵葉剖面形狀采用NACA0012(厚度比為0.12)，展弦比為2。

按DNV(挪威船級社)規定計算舵面積

式中：L為浮體長度；T為吃水；Cb為方形系數(與浮體形狀有關)；B為浮體寬度。根據尾靶浮體參數計算得A′=0.059 m2。因為沒有螺旋槳，面積應擴大30%，計算有舵的面積A=0.08 m2。舵系統結構圖見圖4。

圖4 舵系統結構

1.3 傳動機構設計

設計要求為：轉動力矩大于25 N·m且小于196 N·m。

傳動機構工作原理為傳動系統在接收到控制系統的指令后轉動電機，并通過減速器將速度降到設計值，帶動舵桿的轉動，使舵在規定功角下工作。傳動機構控制電機的速度、轉動方向、啟停位置。傳動機構結構組成圖見圖5。

圖5 傳動機構結構

為了獲得較大的轉矩，選用蝸輪蝸桿傳動結構，舵桿轉速為n2=0.1 r/min，選取減速器最大輸出軸轉矩為6 N·m，傳動機構的效率η=0.3，則傳動比i=14.5，Z1=2。

根據蝸桿轉速、傳動比等條件選用ZA蝸桿，蝸桿材料采用35CrMo，表面淬火，硬度為45～50 HRC。蝸輪選用鑄鋁鐵青銅，金屬膜鑄造。

2 系統控制模塊設計

系統控制驅動模塊組成見圖6。

圖6 控制驅動模塊組成

2.1 通信模塊

尾標控制系統的通信模塊分為解調部分和調制部分。解調部分主要實現對船上控制單元下發的FSK信號進行接收解調，并將解調出的信息傳輸至微處理器。調制模塊主要將單片機應答的指令信號調制為FSK信號，并通過線圈發送到船載控制器DMU。

2.2 微處理器模塊

控制部分單片機，分主控單片機和輔控單片機。主控單片機完成與上位機的通訊、采集姿態數據和獲得聲學信息等功能，輔控單片機主要完成對電機部分的控制和舵角度反饋采集。

2.3 電機驅動模塊

選擇24 V電機，驅動單元供電采用升壓器件提供驅動電源，通過專用驅動芯片采用PWM方式驅動電機啟動、停止和剎車。

2.4 聲學接收處理模塊

聲學接收模塊的組成見圖7。

圖7 聲學接收模塊組成

聲學接收模塊和控制電路模塊通過串口線和控制線連接的，控制模塊通過FSK接收上位機的配置信息，并將配置信息傳輸給聲學模塊，聲學模塊依據配置信息選擇不同時間接收不同頻率的聲信號；當控制模塊接收到同步指令時，就給聲學模塊發送一個啟動接收的信號，聲學模塊按照配置信息開始通過換能器進行接收；當控制模塊給聲學模塊一個停止接收信號，聲學模塊停止換能器的接收，并計算出每個信道接收信號的時延信息，將信息上傳給控制電路板，控制電路板按照數據格式要求發送給船載控制系統完成整個接收的工作過程。

2.5 通信方式

如圖8所示，尾標依據聲學模塊解算出電纜相同節點處的時間延時信息或距離信息，將這個信息轉換為電纜之間的距離數據，通過位置控制算法計算出尾標舵板需要調整的角度數據，傳輸給尾標進行調整。

圖8 位置控制數據流流向示意

具體的位置控制算法處理方式：計算某一電纜某一節點到基準電纜相同節點之間的距離，將此距離與目標距離進行比較，利用比較的結果計算出的尾標舵的角度數據，水平控制軟件將該角度數據發送給尾標。

3 形成實驗樣機

通過如下方式完成可控尾靶與船載系統之間的信息傳輸及控制。船上的拖纜水平控制主機向數據處理器(DMU)發送參數、角度等指令信息，數據處理器(DMU)將指令信息發送給電纜通信控制器(LIU)，電纜通信控制器(LIU)分析指令后，發送給相應的電纜的水下設備；水下電纜上的設備(聲學鳥、水平鳥、尾標)傳送回位置信息和電纜設備的狀態信息，位置信息通過LIU和DMU進行處理，傳送給導航系統，導航系統計算出每條電纜節點之間的實際距離信息，并將距離信息發送給拖纜水平控制主機，拖纜水平控制軟件依據這些距離信息計算出維持電纜按照目標間距所需轉動的翼板攻角，發送給水下電纜上的尾標，通過尾標的舵攻角變化來調整電纜尾部之間的距離，使電纜尾部之間距離達到目標間距。