(中船重工集團總公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

船拖拖曳是海洋環(huán)境監(jiān)測常采用的方法之一。有些水下探測設(shè)備體積和重量較大，遇意外船需減速或轉(zhuǎn)向時，由于慣性作用，拖帶設(shè)備仍會向前運行一段距離才能與船速保持相同的速度航行，此時與設(shè)備連接處的纜索接頭由于彎曲半徑過小，可能導(dǎo)致復(fù)合拖纜接頭處損壞。為此，設(shè)計一種高承載力連接器安裝在拖帶設(shè)備與拖纜端頭的連接處，保證拖曳纜索及其拖帶設(shè)備工作時的安全和可靠性，消除或降低因突發(fā)事件引起船速突然降低或改變航行方向時拖曳設(shè)備對纜索接頭部位造成損傷。

1 設(shè)計思路及機構(gòu)組成

在拖曳設(shè)備與纜索接頭間加裝抗沖擊且可在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)機構(gòu)，裝配位置見圖1中的A處。要求結(jié)構(gòu)簡單、便于裝配，而且不改變拖曳設(shè)備的運行姿態(tài)及不影響設(shè)備供電。

圖1 裝配后工作原理

連接器結(jié)構(gòu)見圖2。

如遇緊急情況，拖船需臨時停車或突然轉(zhuǎn)向，此時拖曳設(shè)備在慣性力的作用下仍保持原速度和方向航行，勢必對纜索接頭施以作用力，可能損傷或破壞纜索的使用性能。增設(shè)該機構(gòu)可減小設(shè)備對纜索接頭慣性力的作用。

圖2 連接器結(jié)構(gòu)

2 構(gòu)件及主要零件說明

2.1 緩沖簧

彈簧的設(shè)計、制造以及熱處理方法等相關(guān)技術(shù)已相當(dāng)成熟，在此主要對半成品彈簧的長度調(diào)整做說明。調(diào)整彈簧長度實質(zhì)上是為了控制其初壓縮量。若把制成原始長度的彈簧，用較大的力壓縮到工作高度L1或壓縮至它的拼緊高度L01后再放開，它便不能回到原長度，彈簧變短了。這種現(xiàn)象稱作彈簧的“初壓縮量”。進行第二次壓縮，它的長度會再次縮短，但減短的程度比第一次小得多。繼續(xù)壓縮仍有“初壓縮量”的現(xiàn)象，但長度減短的程度愈來愈小。試驗證明，一般彈簧材料在許可范圍內(nèi)所受的力，經(jīng)過3～5次壓縮后，便不再減短，這時彈簧“立定”起來。圖3所示為彈簧從“初壓縮量”到“立定”的過程[1]。

經(jīng)過初壓縮后的彈簧發(fā)生永久性的變形，使用時即使受到超出材料彈性限度以外的力，也能維持其工作長度。因此，調(diào)整半成品簧(未經(jīng)最后熱處理)最后的長度，應(yīng)當(dāng)?shù)扔趶椈傻淖杂砷L度L0加上初壓縮量δ0。

圖3 壓力彈簧的初壓縮量現(xiàn)象

2.2 絞套與球鉸頭

該機構(gòu)工作在海洋環(huán)境中經(jīng)常受到交變應(yīng)力的作用，從圖1結(jié)構(gòu)分析，絞套選用高強度合金鋼制作，以承受較大拉力的作用；球鉸頭裝配在絞套內(nèi)，可在一定范圍沿其軸線做直線運動，又能在一定角度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動時受到絞套的制約，因而選擇材料時即要考慮抗拉力強度，又要具有抗彎的能力，經(jīng)多方比對后選用鈦合金材料。為限制球鉸頭在絞套內(nèi)沿絞套軸線旋轉(zhuǎn)而損壞纜索，在球鉸頭上對稱開有兩道凹槽，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 球鉸頭結(jié)構(gòu)

裝配完成后用定向栓定位，這樣設(shè)計的目的是：保證了球鉸頭在絞套內(nèi)能在一定角度內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)和在一定范圍內(nèi)作直線位移，又限制了其繞絞套軸線的旋轉(zhuǎn)[2]。

3.3 調(diào)節(jié)構(gòu)件

該機構(gòu)的主要功能是遇意外情況或環(huán)境突變時能及時消除拖曳設(shè)備對拖曳電纜的沖擊力。從完成裝配后的調(diào)節(jié)機構(gòu)和使用工況看，球鉸頭在絞套內(nèi)可沿軸線做直線運動，同時亦可自由轉(zhuǎn)動；作業(yè)過程中若遇突發(fā)情況，可借助球鉸頭做直線運動時壓縮緩沖簧以消除或減小拖曳設(shè)備對拖曳電纜的沖擊力，同時由于球鉸頭在絞套內(nèi)可在360°范圍內(nèi)做一定角度的擺動，因而可降低對拖曳電纜彎曲要求。由于該機構(gòu)在海上工作，為防止海水及微生物的侵蝕，采用密封護罩將運動件封裝在其內(nèi)部，為保證球鉸接頭運動自如，將密封護罩設(shè)計成波紋管狀結(jié)構(gòu)，并通過硫化技術(shù)在其波峰上均勻布置若干剛性支撐環(huán)[3]，這樣即保證運動件能在一定角度內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，又能在一定范圍內(nèi)作直線位移，提高了密封護罩使用壽命。

3 結(jié)論

1) 該機構(gòu)在水下運動過程中受外力作用時，具有方向自調(diào)節(jié)功能，可降低外力對拖纜端頭的作用力，提高復(fù)合拖纜的使用壽命；

2) 該機構(gòu)在外力發(fā)生突變時可吸收部分能量，具有緩沖能力，降低設(shè)備在運動過程中的沖擊力；

3) 機構(gòu)上的密封護罩既能起到密封作用，又具備足夠的柔韌性。

應(yīng)用該機構(gòu)在某海上進行了多次試驗驗證，在5級海況下作業(yè)，使用效果良好且安全可靠。

[1] 高 頻.螺旋壓縮彈簧的設(shè)計及失效控制[J].機械管理開發(fā)，2008(4)：7-8.

[2] 王國強.機械優(yōu)化設(shè)計[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 王汝美. 實用機械密封技術(shù)問答[M].北京：中國石化出版社，2006.