系留式水中漂浮物自動收放裝置的設計與運用

毛 磊

(中國船舶重工集團公司第七一O研究所，湖北宜昌 443003)

1 引言

在海洋工程與海洋環(huán)境勘探中，有時需對某海域環(huán)境的變化進行深入的了解，獲取準確的海洋氣候數(shù)據(jù)，就需將海洋監(jiān)測設備可靠地系留在這一海域某范圍內(nèi)，可隨波逐流地漂浮在海面或海水中。但目前采用的系留方式:一是定長系留，即依據(jù)海域深度，放出一定長度的錨鏈使監(jiān)測儀漂浮在設定的位置范圍內(nèi)，但遇惡劣天氣時，儀器可能超出設定值;二是采用水下收放絞車的方法確保儀器漂浮體在設定的范圍內(nèi)，但配置電源、電機及壓力傳感器等設備，且需定期維護保養(yǎng)。為此，有必要設計出一種既能保證上述系留后的載有儀器的浮體浮于水面，又無需配設電能或其他驅動設備就能達到自動收放錨鏈的裝置。

2 設計要求

要求設計制造出的錨系系統(tǒng)工作可靠，便于裝配與維護保養(yǎng)，同時具備以下特性。

(1)結構簡單、造價低廉，能承受一定的沖擊載荷作用，且保證工作時定深索不會出現(xiàn)纏繞。

(2)收放機構無需配置動力源，僅依靠外界環(huán)境的變化就能達到自動收放纜索之目的。

3 裝置組成及工作原理

系留式水中漂浮物自動收放裝置主要包含渦卷彈簧組件1、杠桿機構2、壓緊機構3、離合機構4、絞盤組件5和支撐座6等組成，見圖1所示。

圖1 總體結構

其中渦卷彈簧組件由渦卷簧外罩7、卷簧8、主軸9和卷簧杠桿轉銷10等組成;杠桿機構2由杠桿側板11、杠桿轉銷12、杠桿座13和作用球桿14等組成。壓緊機構4由預緊調(diào)節(jié)螺母15、彈簧壓片16、壓縮彈簧17、彈簧導柱18、壓板19和剎車片20等組成;離合機構4由離合器21、輪轂22及其相應連接的鍵等組成。

工作原理:在實際工程應用中，當水面浮球所受水阻力增大到一定值時，即使錨鏈所受到的拉力大于剎車片對輪轂的摩擦阻力與卷簧對軸的扭矩的合力，絞盤組件放出錨鏈，卷簧隨之收緊，卷簧對主軸放出錨鏈方向的轉動阻力扭矩增大，其外圈帶動杠桿側板偏轉運動，則相連的球桿向上移動推動壓板繞壓板轉軸運動，此時固定在壓板上的剎車片對輪轂的壓力減小，即壓緊機構對主軸放出錨鏈方向的摩擦阻力扭矩變小。此時決定錨鏈放出的阻力有:壓緊機構對主軸放出錨鏈方向的摩擦阻力扭矩，卷簧反向回復力對主軸放出錨鏈方向的阻力扭距［1］。

4 設計及制造說明

為滿足設計提出的要求，采用模塊化設計思路，即將裝置的各功能件設計成整體結構后組裝到基座上，這樣即簡化了結構又降低整體結構的重量，便于布放及維護。該裝置組裝成型后如圖1所示，其裝配步驟是:先進行試裝，即將渦卷彈簧組件、杠桿機構、壓緊機構、離合機構和絞盤組件組裝到主軸上后，再裝配到公共支撐座上，經(jīng)初步調(diào)試正常滿足要求后，用緊固螺栓固接。具體實施方法是將主軸穿過絞盤組件上的中心孔后，固定在支撐座上的相應位置上，絞盤組件與主軸間采用的是通用的花鍵連接方式，以降低裝配要求;將渦卷簧外罩安裝在支撐座的相應位置后，再將渦卷簧裝配在主軸上，采用的連接方式為標準的平面渦卷彈簧的安裝形式，隨后將卷簧外圈簧片的一端用卷簧杠桿轉銷與杠桿機構上的杠桿采用絞連的方式連接后，將杠桿側板裝配到杠桿座上，并用杠桿轉銷連接，杠桿側板的另一端與作用球桿連接，采用的原理雷同于機械鐘表發(fā)條的結構形式。裝配完成后，渦卷簧即與杠桿側板和杠桿座構成一體，這樣即增強了杠桿機構的強度，又提高了其整體剛性。值得注意的是裝配完成后的卷簧是處于自然松弛狀態(tài)，見圖1(b)所示。其設計的目的是:當裝載在漂浮浮體內(nèi)的探測設備隨外界環(huán)境變化，所受到的水阻力增大或減小到一定值時，與之相連的錨鏈所受到的拉力也將隨之發(fā)生變化，如增大到足以克服剎車片對輪轂的摩擦阻力，此時絞盤組件工作并帶動主軸做旋轉運動，放出繞制在絞盤組件上的系留錨鏈，此時卷簧被收緊，儲存一定能量，當錨鏈所受拉力降低到一定值時，儲存在卷簧內(nèi)的能量釋放，將系留錨鏈收回到絞盤組件上的絞盤上，達到自動收放錨鏈之功能［2］。

從圖1(a)可知:完成裝配后作用球桿帶圓球一端向上緊貼壓板表面，當作用球桿向上移動時圓球便以一定的力作用在壓板上，這樣即可改變壓板的受力狀態(tài)，又可達到調(diào)整壓板對剎車片的位置狀態(tài);壓緊機構和離合機構裝配實施方法:如圖1(c)所示，先將離合器裝入主軸相應的軸頸上，并用標準鍵連接，隨后用相同的方法將輪轂固定在離合器外圈上。壓板和剎車片采用粘接或鉚接工藝連接后將壓板帶軸孔的一端絞接在壓板支座上，之后將彈簧導柱插入壓板另一端的腰形孔內(nèi)［3］，并與支撐座固定，再依次從上端裝入彈簧、彈簧壓片和預緊調(diào)節(jié)螺母。其目的是當作用球桿向上移動時，將以一定力作用在壓板下表面上，增加了剎車片對輪轂的作用力，從而調(diào)節(jié)壓緊機構對主軸的轉動阻力達到制動目的。

5 結論

從上述結構和設計說明得出:該錨鏈收放裝置具有結構簡單、無需設置動力源，僅借助水位上升下降或涌浪大小的改變，即可利用漂浮在水中的浮體所受流阻大小變化，帶動錨鏈在水中所受到的張力發(fā)生改變，達到自動收放之目的，同時還具備以下特點。

(1)裝置中設置有渦卷彈簧組件，可借助外界環(huán)境的變化，在一定水深范圍內(nèi)，利用卷簧自身具有貯存與釋放一定能量的特性［3］，達到自動收放錨鏈之目的。

(2)可通過調(diào)節(jié)壓緊機構上的預緊調(diào)節(jié)螺母控制壓縮彈簧的長短來獲得施加到剎車片上所需的預緊力，使得絞盤組件具備啟停的開關功能。

［1］ 金 穜.航空金屬學［M］.北京:北京科學出版社，1961.

［2］ 機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 成大先.機械設計手冊［M］.第四版.北京:化學工業(yè)出版社，2002.