一種海上拖曳復合電纜連接器的設計與應用特性分析

(中船重工集團總公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

船拖拖曳是海洋環境監測常采用的方法之一。有些水下探測設備體積和重量較大，遇意外船需減速或轉向時，由于慣性作用，拖帶設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，此時與設備連接處的纜索接頭由于彎曲半徑過小，可能導致復合拖纜接頭處損壞。為此，設計一種高承載力連接器安裝在拖帶設備與拖纜端頭的連接處，保證拖曳纜索及其拖帶設備工作時的安全和可靠性，消除或降低因突發事件引起船速突然降低或改變航行方向時拖曳設備對纜索接頭部位造成損傷。

1 設計思路及機構組成

在拖曳設備與纜索接頭間加裝抗沖擊且可在一定范圍內旋轉的調節機構，裝配位置見圖1中的A處。要求結構簡單、便于裝配，而且不改變拖曳設備的運行姿態及不影響設備供電。

圖1 裝配后工作原理

連接器結構見圖2。

如遇緊急情況，拖船需臨時停車或突然轉向，此時拖曳設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。增設該機構可減小設備對纜索接頭慣性力的作用。

圖2 連接器結構

2 構件及主要零件說明

2.1 緩沖簧

彈簧的設計、制造以及熱處理方法等相關技術已相當成熟，在此主要對半成品彈簧的長度調整做說明。調整彈簧長度實質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。繼續壓縮仍有“初壓縮量”的現象，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所受的力，經過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]。

經過初壓縮后的彈簧發生永久性的變形，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，調整半成品簧(未經最后熱處理)最后的長度，應當等于彈簧的自由長度L0加上初壓縮量δ0。

圖3 壓力彈簧的初壓縮量現象

2.2 絞套與球鉸頭

該機構工作在海洋環境中經常受到交變應力的作用，從圖1結構分析，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，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自由轉動，但轉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，經多方比對后選用鈦合金材料。為限制球鉸頭在絞套內沿絞套軸線旋轉而損壞纜索，在球鉸頭上對稱開有兩道凹槽，其結構見圖4。

圖4 球鉸頭結構

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

3.3 調節構件

該機構的主要功能是遇意外情況或環境突變時能及時消除拖曳設備對拖曳電纜的沖擊力。從完成裝配后的調節機構和使用工況看，球鉸頭在絞套內可沿軸線做直線運動，同時亦可自由轉動；作業過程中若遇突發情況，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備對拖曳電纜的沖擊力，同時由于球鉸頭在絞套內可在360°范圍內做一定角度的擺動，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部，為保證球鉸接頭運動自如，將密封護罩設計成波紋管狀結構，并通過硫化技術在其波峰上均勻布置若干剛性支撐環[3]，這樣即保證運動件能在一定角度內自由旋轉，又能在一定范圍內作直線位移，提高了密封護罩使用壽命。

3 結論

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

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

3) 機構上的密封護罩既能起到密封作用，又具備足夠的柔韌性。

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

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

[2] 王國強.機械優化設計[M].北京： 機械工業出版社，2009.

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