拖曳式纜索連接器的設計與制造方法

譚華（宜昌測試技術研究所，湖北宜昌443003）

拖曳式纜索連接器的設計與制造方法

譚華
（宜昌測試技術研究所，湖北宜昌443003）

對水下拖曳式纜索連接器的工作狀態及設計思路和要求作了簡要敘述，在此基礎上對原結構在工作中出現的故障進行了分析，得出斷裂的主要因素是構件承受交變應力和沖擊力的聯合作用而引起的結論。據此提出了改進設計，并對該連接器的主要組成部分的設計及功能特性作了扼要敘述與說明。

連接器；自由旋轉拖曳

0　概述

在海洋地質勘探中常采用船拖拖曳方式對水下地質表層進行觀察與探測，所謂船拖拖曳就是將水下探測設備串接在復合拖纜或拖索上，掛接在船體尾部隨船運動。然而在實際工作過程中，特別是在惡劣海洋天氣或在行進過程中掛到魚網，導致拖力突然增大，使得探測設備與拖纜（索）分離而造成重大經濟損失。為此有必要在纜（索）與探測設備連接處加裝緩沖機構，以達到消除或減弱偶遇的沖擊載荷對其的作用。

1　設計思路及要求

為保證拖曳纜索及其所拖帶設備工作時的安全與可靠性，在工作中應能消除或降低因船速突然降低或改變方向等原因受到的加大力，使拖曳設備與纜索接頭部位仍能可靠連接成一體。設計思路是在兩者間加裝具有一定的抗沖擊、可在一定范圍內旋轉且能伸縮的調節機構，其工作示意見圖1，機構裝配位置如圖1中A處所示。要求結構簡單、便于裝配，工作時不改變拖曳設備的運行姿態及對設備供電等無影響；同時能在上下方向-30°～+30°，左右方向-10°～+40°范圍內自由運動，且具備一定的防腐蝕及抗沖擊能力。

圖1　裝配后工作原理

2　原結構故障分析簡介

圖1所示狀態表明連接器一端與設備相連，另一端與纜索連接，工作時受外界因素影響較大，連接器受多方位交變應力及沖擊力的作用，使用條件惡劣。原纜索連接器的結構示意見圖2，工作中在B－B處出現斷裂，斷裂部位實物照片見圖3所示。經掃描實驗，通過對零件斷裂處宏觀斷裂原因分析（圖4），斷面呈纖維狀，中部為纖維區，周邊有明顯剪切唇。說明零件外表面存有明顯加工痕跡或留有刀痕；裂紋起始于斷口一側邊緣區，表明連接器單邊受力，承力部位局部彎曲引起應力集中。從微觀形貌斷裂分析（圖5）可知，零件斷裂部位形貌呈現韌窩特征，說明斷裂面為韌性斷口，且未發現明顯的冶金缺陷，可判斷所用材料內部無缺陷。結論：連接器斷裂處圓滑過渡較小，應力集中系數高，是薄弱環節所在；從宏微觀形貌看，材料無缺陷，斷面呈韌性斷口，且從一側邊緣區開裂，說明材料在斷裂時發生了明顯的塑性變形，承受了較大載荷的作用，超出了材料的許用極限；從使用狀態分析，斷裂處承受交變應力和沖擊力的聯合作用引起開裂，最終擴展斷裂[1]。

圖2　原連接件結構

圖3　斷裂部位

圖4　46×

圖5　100×

3　結構改進及說明

3.1結構及性能

改進后的水下纜索連接器見圖6所示。為確保使用時的可靠性，該結構主要由承力件1、絞套2、定向桿球鉸頭3、密封罩4、緩沖簧5、受力件6和保險索7等通過緊固件連接成一密封體。該機構的特性是：遇緊急情況，如拖船臨時停車、突然轉向或受涌浪等環境影響時，拖帶設備在慣性力作用下仍保持原速和方向行駛，勢必對纜索接頭施以附加的作用力，由于該連接器具有一定的柔性，因而能吸收一定量的附加作用力。

3.2設計說明

由于連接器工作在海洋環境中，受交變應力及水中沖擊力的聯合作用，為滿足使用要求，絞套選用高強度合金鋼制作，以承受較大拉力的作用。定向桿球鉸頭選用強度高、韌性好的鈦合金制作，裝配在絞套內，可在一定范圍內沿軸線做直線運動，同時在一定角度范圍內可旋轉，值得注意的是在設計時應確保定向桿與球鉸頭過渡處有較大的圓角、加工時應圓滑過渡，避免構件在工作中應力集中。由于定向桿球鉸頭相對于絞套運動件，在工作時受到絞套的制約，特別是遇到突發事件定向桿與球鉸頭過渡處易在定向桿與球鉸頭過渡處形成較高的應力集中，導致此處斷裂，為此在絞套與定向桿球鉸頭過渡面相接處設有耐磨、抗沖擊能力強的聚氨酯材料，如圖6所示C處，目的是起到吸收能量的作用[2]。為限制球鉸頭在絞套內沿絞套軸線方向產生旋轉而損壞纜索，在球鉸頭上對稱開有兩道凹槽，裝配完成后用定向栓定位，其目的是保證球鉸頭在絞套內能在一定角度內自由旋轉，限制其繞絞套軸線的旋轉。

圖6　結構示意圖

為避免使該構件在工作過程中遇意外情況或環境突變時損壞纜索，同時消除拖曳設備對拖曳電纜的沖擊力。在連接器內設置有壓縮緩沖簧，借助球鉸頭做直線運動時緩沖簧殼被壓縮的特性，消除或減小外界沖擊力對設備的影響，利用定向桿球鉸頭在絞套內可在一定角度范圍內旋轉的特點，降低了系統工作時對拖曳纜彎曲的要求。由于該構件長期處于海水中，為防海水中的微生物的侵蝕而影響其正常工作，在構件外圍設置有密封護罩，將運動件封裝在其內部，使其與外界隔離，既保證了定向桿球鉸頭能運動自如，又可防止海水中有害微生物的侵蝕。為提高密封護罩的使用性能，將其結構設計成波紋管狀，再通過二次硫化工藝在波峰上均勻布置剛性支撐環，這樣既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，亦可選用不銹鋼制成[3]。為防止纜索連接器中的定向桿球鉸頭因偶然事件被折斷后，探測設備也不會與纜索分離，采用的設計方法是在定向桿球鉸頭中心開設一通孔，在其內敷設一定抗拉強度的鋼索或承力較高的非金屬纜繩，所起的功能是即使纜索連接器因過載發生斷裂時，鋼索或承力非金屬纜繩也能起到保險作用。

為提高整體構件的抗疲勞能力，采用表面強化工藝，可增強構件表層金屬的強度和硬度。同時在設計時采用增大球鉸根部的過渡圓角，減少相接觸構件間的應力集中等常規方式亦能提高構件的承載能力。

4　主要特點及結論

按上述方法設計制造出的水下纜索連接器結構簡單、使用方便，且在一定范圍內具有伸縮及旋轉功能，經試驗驗證，該結構具有以下特點：

（1）工作中遇外力發生突變時可適時吸收部分能量，降低外力對系統的作用力；

（2）在水下運動過程中具有方向自調節能力，可吸收外力對拖纜端頭的作用，提高復合拖纜的使用壽命；

（3）可防海水中有害生物的侵蝕，具備過載保險功能。

綜上所述，在某些具有特殊要求或在特定環境條件下使用的設備，可根據實際使用工況，將多個連接器串并聯成一體，即可在惡劣環境下提高設備的抗沖擊能力。

［1］成大先.機械設計手冊：第四版第1卷［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［2］楊榮柏.機械優化設計［M］.北京：機械工業出版社，1988.

［3］沈錫華.機械密封技術問答［M］.北京：機械工業出版社.1986.

(編輯：向飛)

The Design and M anufactureM ethodsof Towed Cable Connector

TANHua
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang443003，China）

The article introduced thework status，designmethods and demand of the towed cable connector used underwater，analyzed trouble happened of the old structure，obtained conclusion of that the break factor was alternation stress and wallop.Then proposed the improved design,and introduced the design and function of themain composeof connector.

connector；free rotation；tow

U615.35

A

1009－9492(2015)04－0082－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.022

2014－12－05

譚華，男，1979年生，湖北宜昌人，碩士，高級工程師。研究領域：海洋環境監測。已發表論文7篇。