一种海上拖曳复合电缆连接器的设计与应用特性分析

(中船重工集团总公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

船拖拖曳是海洋环境监测常采用的方法之一。有些水下探测设备体积和重量较大，遇意外船需减速或转向时，由于惯性作用，拖带设备仍会向前运行一段距离才能与船速保持相同的速度航行，此时与设备连接处的缆索接头由于弯曲半径过小，可能导致复合拖缆接头处损坏。为此，设计一种高承载力连接器安装在拖带设备与拖缆端头的连接处，保证拖曳缆索及其拖带设备工作时的安全和可靠性，消除或降低因突发事件引起船速突然降低或改变航行方向时拖曳设备对缆索接头部位造成损伤。

1 设计思路及机构组成

在拖曳设备与缆索接头间加装抗冲击且可在一定范围内旋转的调节机构，装配位置见图1中的A处。要求结构简单、便于装配，而且不改变拖曳设备的运行姿态及不影响设备供电。

图1 装配后工作原理

连接器结构见图2。

如遇紧急情况，拖船需临时停车或突然转向，此时拖曳设备在惯性力的作用下仍保持原速度和方向航行，势必对缆索接头施以作用力，可能损伤或破坏缆索的使用性能。增设该机构可减小设备对缆索接头惯性力的作用。

图2 连接器结构

2 构件及主要零件说明

2.1 缓冲簧

弹簧的设计、制造以及热处理方法等相关技术已相当成熟，在此主要对半成品弹簧的长度调整做说明。调整弹簧长度实质上是为了控制其初压缩量。若把制成原始长度的弹簧，用较大的力压缩到工作高度L1或压缩至它的拼紧高度L01后再放开，它便不能回到原长度，弹簧变短了。这种现象称作弹簧的“初压缩量”。进行第二次压缩，它的长度会再次缩短，但减短的程度比第一次小得多。继续压缩仍有“初压缩量”的现象，但长度减短的程度愈来愈小。试验证明，一般弹簧材料在许可范围内所受的力，经过3～5次压缩后，便不再减短，这时弹簧“立定”起来。图3所示为弹簧从“初压缩量”到“立定”的过程[1]。

经过初压缩后的弹簧发生永久性的变形，使用时即使受到超出材料弹性限度以外的力，也能维持其工作长度。因此，调整半成品簧(未经最后热处理)最后的长度，应当等于弹簧的自由长度L0加上初压缩量δ0。

图3 压力弹簧的初压缩量现象

2.2 绞套与球铰头

该机构工作在海洋环境中经常受到交变应力的作用，从图1结构分析，绞套选用高强度合金钢制作，以承受较大拉力的作用；球铰头装配在绞套内，可在一定范围沿其轴线做直线运动，又能在一定角度范围内自由转动，但转动时受到绞套的制约，因而选择材料时即要考虑抗拉力强度，又要具有抗弯的能力，经多方比对后选用钛合金材料。为限制球铰头在绞套内沿绞套轴线旋转而损坏缆索，在球铰头上对称开有两道凹槽，其结构见图4。

图4 球铰头结构

装配完成后用定向栓定位，这样设计的目的是：保证了球铰头在绞套内能在一定角度内自由旋转和在一定范围内作直线位移，又限制了其绕绞套轴线的旋转[2]。

3.3 调节构件

该机构的主要功能是遇意外情况或环境突变时能及时消除拖曳设备对拖曳电缆的冲击力。从完成装配后的调节机构和使用工况看，球铰头在绞套内可沿轴线做直线运动，同时亦可自由转动；作业过程中若遇突发情况，可借助球铰头做直线运动时压缩缓冲簧以消除或减小拖曳设备对拖曳电缆的冲击力，同时由于球铰头在绞套内可在360°范围内做一定角度的摆动，因而可降低对拖曳电缆弯曲要求。由于该机构在海上工作，为防止海水及微生物的侵蚀，采用密封护罩将运动件封装在其内部，为保证球铰接头运动自如，将密封护罩设计成波纹管状结构，并通过硫化技术在其波峰上均匀布置若干刚性支撑环[3]，这样即保证运动件能在一定角度内自由旋转，又能在一定范围内作直线位移，提高了密封护罩使用寿命。

3 结论

1) 该机构在水下运动过程中受外力作用时，具有方向自调节功能，可降低外力对拖缆端头的作用力，提高复合拖缆的使用寿命；

2) 该机构在外力发生突变时可吸收部分能量，具有缓冲能力，降低设备在运动过程中的冲击力；

3) 机构上的密封护罩既能起到密封作用，又具备足够的柔韧性。

应用该机构在某海上进行了多次试验验证，在5级海况下作业，使用效果良好且安全可靠。

[1] 高 频.螺旋压缩弹簧的设计及失效控制[J].机械管理开发，2008(4)：7-8.

[2] 王国强.机械优化设计[M].北京： 机械工业出版社，2009.

[3] 王汝美. 实用机械密封技术问答[M].北京：中国石化出版社，2006.