陳 兵，劉金標(biāo)

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所, 湖北 宜昌 443003)

一種可旋轉(zhuǎn)抗沖擊減振機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

陳 兵，劉金標(biāo)

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所, 湖北 宜昌 443003)

針對(duì)水面艦船拖曳線列陣的特殊使用需要，設(shè)計(jì)了一種可旋轉(zhuǎn)抗沖擊減振機(jī)構(gòu)，概要介紹了其組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用環(huán)境。并將其制造出來，進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明：該減振機(jī)構(gòu)能夠有效地吸收一定的沖擊能量，極大地提高了纜索抗沖擊能力，減輕了纜索整體重量以及消除了纜索在工作中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

抗沖擊；可旋轉(zhuǎn)；減振機(jī)構(gòu)

Abstract: To the special needs of the warship towing array, a kind of rotating snubbing mechanism of shock resistance is designed. Its structure characteristics, material compositions and operating environment are briefly introduced. The product is manufactured and simulated.The results show that the snubbing mechanism can effectively absorb the impact energy, greatly improve the anti-impact capacity of cables, reduce the weight of cables, and eliminate the twisting mode in the work.

Key words: shock resistance；rotating；snubbing mechanism

0 引 言

目前對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)或清除水下危險(xiǎn)物通常采用水面艦船拖曳線列陣方法。所謂線列陣是指將若干探測(cè)或清掃設(shè)備拖曳纜索串接成一體，拖帶在母船后數(shù)百米處隨船運(yùn)動(dòng)。然而在運(yùn)動(dòng)過程中如遇惡劣天氣或受水下爆炸沖擊的影響，可能使拖纜索崩斷，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)設(shè)備丟失。為避免造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，通常采用的方法是增加纜徑，以提高其承載能力，然必導(dǎo)致拖帶重量增加，下懸度過大，甚至使設(shè)備掛底而損壞；同時(shí)柔性亦變差，使在工作中拖纜易扭轉(zhuǎn)，影響拖體在水中的航行姿態(tài)。為解決上述問題，在纜索與設(shè)備間連接一種具備一定抗沖能力并能夠自由旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，減小外界對(duì)纜索和設(shè)備的影響。

1 設(shè)計(jì)目的及要求

設(shè)計(jì)出一種安裝于水下拖曳纜索與拖帶載體之間，在工作過程中作自由旋轉(zhuǎn)且具有抗沖擊能力的減振機(jī)構(gòu)，具備以下特性。

(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、工作可靠，便于裝配與維護(hù)保養(yǎng)。

(2) 裝配后不受外界干擾，能承受一定的外界沖擊，能自動(dòng)釋放外界作用其上的扭力。

2 組成及特點(diǎn)

為滿足某工程上實(shí)際使用要求，設(shè)計(jì)出一套減振機(jī)構(gòu)，組裝成型后的結(jié)構(gòu)見圖1所示，主要由外護(hù)套1、鋼珠2、內(nèi)護(hù)套3、減振橡膠4、連接桿5和固定栓6組成。本文采用嵌入模塊式設(shè)計(jì)方法，依據(jù)不同的使用工況選用不同性能的構(gòu)件進(jìn)行組裝，保證內(nèi)、外護(hù)套間均能沿軸線方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在工作過程中能夠自動(dòng)釋放纜索內(nèi)部的扭力，其主要特點(diǎn)如下。

(1) 由于其工作狀態(tài)是纜索一端掛接在母船后甲板上，另一端呈自由狀態(tài)，故在工作過程中遇到外力時(shí)能夠自動(dòng)釋放施加于纜索上的扭力，確保拖曳載體在水中的航行姿態(tài)。

(2) 將起減振作用的橡膠件制成圓錐臺(tái)形和圓柱體與圓錐體的結(jié)構(gòu)，并制造出來，使其具備壓縮型與剪切型橡膠減振器的特性。

圖1 裝配結(jié)構(gòu)圖 1.外護(hù)套 2.鋼珠 3.內(nèi)護(hù)套 4.減振橡膠 5.連接桿 6.固定栓

(3) 為保證內(nèi)、外護(hù)套間的連接強(qiáng)度，在構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置鋼珠，使其與內(nèi)護(hù)套內(nèi)裝配的減振橡膠有機(jī)地結(jié)合，確保在遇到突發(fā)事件時(shí)，該機(jī)構(gòu)能吸收一定的外界沖擊力，降低外界沖擊力對(duì)拖纜(索)的作用。

3 設(shè)計(jì)及使用說明

由于該減振器安置在水下拖曳纜索與拖曳載體之間并隨船運(yùn)動(dòng)，為滿足設(shè)計(jì)時(shí)提出的使用要求，采用模塊化設(shè)計(jì)思路將其設(shè)計(jì)成圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。

采用的具體設(shè)計(jì)方法如下：將該機(jī)構(gòu)與拖曳纜索或拖曳載體間的相連接部位設(shè)計(jì)成絞形結(jié)構(gòu)，既方便連接又使該處具備一定的自由度。為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)將兩連接部位的一端與外護(hù)套設(shè)計(jì)成一體，另一連接部設(shè)計(jì)在連接桿上。為保證該機(jī)構(gòu)能承受來至水中各方向的沖擊力和同時(shí)具備沿軸線可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能力，在外護(hù)套的內(nèi)表面上開設(shè)有兩道環(huán)狀凹弧形半圓槽，并在凹弧半圓形槽的正上方開有一螺紋通孔，所開設(shè)的孔徑略大于凹弧形半圓槽直徑，作用如下：①便于裝配承力鋼珠；②是用于安裝固定栓，阻止工作時(shí)承力鋼珠被擠出。在內(nèi)護(hù)套的外表面相應(yīng)的位置上同樣開有環(huán)狀凹弧半圓形槽，裝配完成后兩凹弧半圓形槽正好構(gòu)成圓形槽，其直徑略大于鋼珠的直徑，將承力鋼珠包容其內(nèi)部。由于在構(gòu)成的環(huán)狀圓形槽內(nèi)布有若干鋼珠，使得內(nèi)外兩護(hù)套同時(shí)承力，既提高構(gòu)件的連接強(qiáng)度又限制兩構(gòu)件間的位置[1]。

為保證鋼珠運(yùn)轉(zhuǎn)自如或不出現(xiàn)相互擠壓現(xiàn)象，解決的方法如下：將固定栓與鋼珠相接觸的一端設(shè)計(jì)成類似球體結(jié)構(gòu)或半球體結(jié)構(gòu)，其外形尺寸與承力鋼珠的外徑相同，使得鋼珠裝入內(nèi)外護(hù)套構(gòu)成的環(huán)狀圓形槽內(nèi)時(shí)，在預(yù)留的空間內(nèi)由固定栓填充，固定栓的圓弧面不得與內(nèi)護(hù)套上的凹弧半圓形槽的底面接觸。為保證固定栓可靠連接，采用螺紋膠或點(diǎn)焊工藝將其與外護(hù)套固成一體。為使構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)自如，采用雙滾道結(jié)構(gòu)，以防偏轉(zhuǎn)而增大其摩擦力[1]。為降低外界沖擊對(duì)纜索的影響，將起緩沖作用的橡膠件設(shè)計(jì)成圓錐臺(tái)形加圓柱體結(jié)構(gòu)，使形成的減振機(jī)構(gòu)既具有壓縮型又具備剪切型橡膠減振器的特性[2]。

當(dāng)拖曳系統(tǒng)受到外界的沖擊作用時(shí)，橡膠件被壓縮，其剛度隨載荷的增加而增大。此時(shí)隨著載荷的加大橡膠件不斷被壓縮而使其中部鼓起(如圖1中單線箭頭所示)，與內(nèi)護(hù)套的接觸面也隨之增大，同時(shí)連接桿向右移動(dòng)，直至橡膠外表面與內(nèi)護(hù)套內(nèi)壁完全貼合，在上述運(yùn)動(dòng)過程中橡膠件亦吸收了大部動(dòng)能，減小了外力施加在纜索上的力。然而此時(shí)減振橡膠僅起到壓縮減振作用。為彌補(bǔ)上述缺陷，在減振作用橡膠C處所示部位設(shè)計(jì)成喇叭口形，其錐面與橡膠外表面上形成的錐面同斜率，將固定栓上斜面7設(shè)計(jì)成與護(hù)套內(nèi)表面8相同的斜率，使在受外界沖擊時(shí)橡膠在C處亦向外膨脹，由于該處為敞開結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)對(duì)橡膠無約束，使固定栓留有一定的活動(dòng)范圍，當(dāng)受到垂直于軸線之作用時(shí)，使得橡膠件一部位受壓，另一部位受拉，實(shí)現(xiàn)其既有壓縮型又有剪切型橡膠減振器的特性。為確保橡膠件與連接桿間連接強(qiáng)度，采用硫化工藝將其固結(jié)。為提高減振效能，橡膠材料選用抗沖擊、耐海水腐蝕，且回彈性高的改性聚氨酯制成。為確保減振機(jī)構(gòu)整體的強(qiáng)度，將圖1上的A面的斜率設(shè)計(jì)成較表面8的斜率大些，提高開口處的強(qiáng)度，同時(shí)將B處設(shè)計(jì)成圓滑過渡，避免工作時(shí)銳角對(duì)固定栓影響。

4 模擬驗(yàn)證簡(jiǎn)述

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)并制造出樣機(jī)一套，模擬實(shí)際工況，將樣機(jī)與二根16 mm的鋼索連接，同時(shí)將二根鋼索的另一端與試驗(yàn)區(qū)水中的系纜樁相連。要求能承受相對(duì)水深30 m，正橫距離20 m，用1 000 kgTNT沉底爆炸的沖擊，此時(shí)纜索承受的Fman=160～240 kN，考慮0 m正橫距時(shí)也應(yīng)滿足連接索強(qiáng)度，其Fman=300 kN，作用時(shí)間為0.5 ms。由于實(shí)際使用過程中纜索一端與母船后甲板相連，另一端呈自由狀態(tài)。為使模擬裝置趨于實(shí)際使用工況，使二根鋼索呈松弛狀態(tài)。進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下：對(duì)20 m正橫距，30 m水深的爆炸，連接索的沖擊拉力的半波長(zhǎng)為0.5～1 ms左右，由圖2～圖5可見，裝了減振器后，最大張力不到8 kN, 即使考慮二次波, 和0正橫距的情況, 沖擊拉力也不會(huì)超過峰值300 kN半波長(zhǎng)時(shí)間5 ms的沖擊能量, 加裝抗沖擊減振器后，最大拉力不可能超過40 kN, 最大變形在8mm以下。

圖2 拉力, F0=300 kN, 圖3 水平位移, F0 =300 kN, t0 =0.5 ms t0 =0.5 ms

圖4 拉力, F0=300 kN, 圖5 水平位移, F0 =300 kN, t0 =1 ms t0 =1 ms

結(jié)論：安裝抗沖擊減振器后，連接索的直徑能夠減小，僅需選用破斷力為40 kN的規(guī)格即可。

5 結(jié) 語(yǔ)

將可旋轉(zhuǎn)抗沖擊減振機(jī)構(gòu)安置在水下拖曳纜索和拖曳載體之間，因此在工作中可吸收來自外界各方的沖擊力，減小或降低了外界作用力對(duì)拖曳纜索的影響，為此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)使用工況選用了承較小拉力的拖曳纜索，降低了成本或選用直徑較細(xì)的拖曳纜索，減輕了纜索整體重量，解決了拖曳纜索工作時(shí)下懸度過大問題。

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(新版)[M].第3卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 彭拾義.減振器[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1979.

Design for the Rotating Snubbing Mechanism of Shock Resistance

CHEN Bing， LIU Jin-biao

(YichangTestingTechniqueResearchInstitute,YichangHubei443003,China)

2014-06-20

陳 兵(1963-)，男，湖北宜昌人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究方面的工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0142-02