模塊化碳纖維打撈工具的結構設計方案

易學平

(中國船舶集團公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

目前國內海上水下設備的打撈工具大都采用傳統的工具，如用竹竿固定撐頭和鉤頭，在打撈過程中作為撐桿和鉤桿使用。防擺繩固定的傳統方法一是吊車起吊水下設備靠近船舷邊，操作人員在船舷邊固定防擺繩；二是母船靠近水下設備后用鉤桿打撈設備上提前固定好的防擺繩。這些傳統方法和傳統工具存在操作使用不方便、重量大、水上作業時間長等缺點，且存在較大的人身安全隱患，特別是掛接防擺繩的方法存在操作使用問題，第二種掛接防擺繩的方法，防擺繩在水下容易被水流沖散與水下設備打攪，在水面防擺繩被鉤桿鉤斷后易與水下設備打攪，防擺繩不易取到母船上，影響了水下設備的安全回收。為了有效解決上述問題，采用碳纖維材料制成的碳纖維管代替竹竿，并且設計專用捕捉桿用于掛接防擺繩。碳纖維是一種纖維復合材料，是由基體材料和增強材料等兩種以上組合材料在宏觀上組合而成，碳纖維材料“外柔內剛”，其具有強度高、比剛度大、重量輕和耐腐蝕性能好等優點，在海洋工程中廣泛使用。設計專門的捕捉桿，在母船上可以方便操作捕捉桿實現掛接防擺繩，實現與水下設備的捕捉，使用成功率高，操作方便。在碳纖維管頭部更換不同頭部功能組件(撐頭、鉤頭和捕捉頭)實現打撈工具不同的功能，通過模塊化設計形成系列化打撈工具[1]。

1 打撈工具的結構和原理

打撈工具根據功能不同分為撐桿、鉤桿和捕捉桿，不同功能打撈工具直接通過更換不同頭部功能組件實現，頭部功能組件可以是撐頭、鉤頭和捕捉頭，捕捉桿的結構最復雜，下面重點介紹捕捉桿的結構特點。圖1為捕捉桿結構示意圖，它主要由捕捉頭、碳纖維管組件等組成，碳纖維管組件和頭部功能組件可拆卸，兩者之間通過連接螺釘連接成一體，為了保證捕捉頭與碳纖維管之間的連接強度，在碳纖維管內部墊上內襯墊加強，尾蓋的作用是封住碳纖維管組件內孔，保證產品美觀。

1-捕捉頭；2-加強內襯套；3-連接螺釘；4-碳纖維管組件；5-尾蓋

根據打撈工具使用特點，采用分段式結構，即根據不同使用要求調整碳纖維管組件數量從而調整打撈工具總長度。碳纖維管組件主要由碳纖維管、連接接頭Ⅰ和連接接頭Ⅱ等組成，如圖2所示。碳纖維管通過兩端連接接頭Ⅰ和Ⅱ連接，連接接頭與碳纖維管內部灌滿專用環氧膠，為了防止長時間使用后環氧膠出現松動現象，連接接頭與碳纖維管通過圓柱銷加強固定，碳纖維管和連接接頭不拆卸；連接接頭Ⅰ和連接接頭Ⅱ之間通過螺紋連接，兩者之間可拆卸，連接接頭外表面滾網紋，增大操作人員使用時摩擦力防止操作人員脫落。

捕捉頭的主要作用是實現捕捉功能，是捕捉桿功能實現的關鍵部件，捕捉頭主要由轉舌、壓縮彈簧、鋼球、解脫桿、鋼球內套軸、扭簧和軸用擋圈等組成，如圖3所示。壓縮彈簧2壓緊鋼球3防止解脫桿4與鋼球內套軸5分離，扭簧6壓緊轉舌1保證轉舌1壓緊解脫桿4，鋼球內套軸5與碳纖維管連接成一體，兩者之間不可拆卸。捕捉桿的工作原理如下：根據母船船舷高度、水下設備在水中的位置和母船操作空間等因素選擇捕捉桿長度，調整不同數量的碳纖維管組件實現捕捉桿合適長度，并在捕捉桿上固定防擺繩，當母船靠近水下設備后，操作人員操作捕捉桿，使捕捉桿與水下設備相連(水下設備上設計有相應的捕捉環)，在扭簧作用下，捕捉桿與水下設備相連后不會分離(轉舌通過扭簧扭力壓緊捕捉桿捕捉口)；用力拉動碳纖維管，在外力作用下鋼球推動壓縮彈簧壓縮，使得鋼球內套軸與解脫桿分離，解脫桿固定在水下設備上，碳纖維管組件與解脫桿分離后放置在母船上，操作人員利用掛接在設備上的解脫桿的防擺繩控制水下設備回收過程中的擺動，增加水下設備回收過程中的安全性。

1-碳纖維管；2-連接接頭Ⅰ；3-圓柱銷；4-連接接頭Ⅱ

1-轉舌；2-壓縮彈簧；3-鋼球；4-解脫桿；5-鋼球內套軸(與碳纖維管連接成一體)；6-扭簧；7-軸用擋圈

2 結構參數計算

2.1 扭簧計算

扭簧的作用是保證解脫桿與水下設備相連后，解脫桿在波浪力和海流等外力作用下不會與水下設備分開[4]。轉舌轉動半徑l1=150 mm,假設需要F1=10 N外力將轉舌轉動，平時預加F0=3 N彈簧扭力在轉舌處，轉舌工作轉動扭轉角θ1=15°。扭簧材料選擇65Mn，材料等級Ⅱ，許用彎曲應力[σ1]=570 MPa。

彈簧鋼絲直徑由下式確定：

(1)

其中：K1為曲度系數，當扭轉方向為順向時，K1=1；M1為扭矩，N·mm，M1=F1×l1=10×150=1 500 N·mm；[σ1]為許用彎曲應力,MPa。

將相關參數代入式(1)，經計算得到彈簧鋼絲直徑d1=2.99 mm，圓整后取d1=3 mm，故彈簧鋼絲直徑確定為3 mm。

旋繞比C1=6，則彈簧中徑D1=C1d1=6×3=18 mm。

彈簧有效圈數由下式確定：

(2)

其中：E為彈簧彈性模量，E=210×103MPa；θ1為轉舌工作轉動扭轉角，θ1=15°。

將相關參數代入式(2)，經計算得彈簧有效圈數n1=2.58，圓整后取n1=3，故彈簧有效圈數為3圈。

彈簧內徑D2=D1-d1=15 mm，彈簧外徑D3=D1+d1=21 mm，彈簧的自由長度H1=n1d1+d1=12 mm。

彈簧扭轉剛度由下式計算：

(3)

將相關參數代入式(3)，經計算得彈簧扭轉剛度M=85.8 N·mm/(°)。

扭簧預加變形角度θ0由下式計算:

(4)

將相關參數代入式(4)，計算得θ0=5.2°。

2.2 壓縮彈簧計算

壓縮彈簧的作用是通過彈簧的壓縮力壓緊鋼球防止捕捉頭與解脫桿在波浪力和海流等外力作用下分離，另外在操作人員外力作用下方便其分離。設計時在徑向上采用6個鋼球[4]，假設每個鋼球工作載荷F2=4 N，壓縮變形量λ2=2.5 mm，壓縮彈簧材料選擇65Mn，材料等級Ⅱ，許用切應力[τ]=455 MPa，切變模量G=78×103MPa。

(5)

將相關參數代入式(5)，計算得彈簧鋼絲直徑d2=0.46 mm，圓整后取d2=0.5 mm，故彈簧鋼絲直徑確定為0.5 mm。

(6)

其中：G為材料切變模量，G=78×103MPa。

將相關參數代入式(6)，計算得彈簧工作圈數n2=5.95，圓整后取n2=6,故彈簧工作圈數確定為6。

彈簧內徑D5=D4-d2=3.5 mm ，彈簧外徑D6=D4+d2=4.5 mm 。

彈簧支承圈端部結構有磨平端，彈簧總圈數n3=n2+2.5=8.5，彈簧各圈留有間距δ2=1，節距t2=d2+δ2=1.5 mm。彈簧自由高度H2=n2δ2+(n3-0.5)d2=10 mm。

3 結束語

碳纖維打撈工具在多個產品海上試驗中得到使用，使用情況良好，打撈工具操作方便，特別是捕捉桿縮短了回收作業時間，提高了掛接防擺繩成功率，降低了操作者人身安全隱患，特別是在惡劣海況下可以方便作業，為水下設備的安全回收提供了有力保障。總之，隨著科學技術的不斷進步，不斷改進和優化打撈工具的結構與材料，利用模塊化設計實現打撈工具系列化，有力地保障了水下設備的布放和回收工作。該系列化碳纖維打撈工具應用前景較好，適用于水下設備的湖上和海上打撈回收[5]。