一种可旋转抗冲击减振机构设计*

陈 兵，刘金标

(宜昌测试技术研究所, 湖北 宜昌 443003)

一种可旋转抗冲击减振机构设计*

陈 兵，刘金标

(宜昌测试技术研究所, 湖北 宜昌 443003)

针对水面舰船拖曳线列阵的特殊使用需要，设计了一种可旋转抗冲击减振机构，概要介绍了其组成、结构特点及使用环境。并将其制造出来，进行了模拟验证，结果表明：该减振机构能够有效地吸收一定的冲击能量，极大地提高了缆索抗冲击能力，减轻了缆索整体重量以及消除了缆索在工作中产生扭转的现象。

抗冲击；可旋转；减振机构

Abstract: To the special needs of the warship towing array, a kind of rotating snubbing mechanism of shock resistance is designed. Its structure characteristics, material compositions and operating environment are briefly introduced. The product is manufactured and simulated.The results show that the snubbing mechanism can effectively absorb the impact energy, greatly improve the anti-impact capacity of cables, reduce the weight of cables, and eliminate the twisting mode in the work.

Key words: shock resistance；rotating；snubbing mechanism

0 引 言

目前对海洋环境监测或清除水下危险物通常采用水面舰船拖曳线列阵方法。所谓线列阵是指将若干探测或清扫设备拖曳缆索串接成一体，拖带在母船后数百米处随船运动。然而在运动过程中如遇恶劣天气或受水下爆炸冲击的影响，可能使拖缆索崩断，导致监测设备丢失。为避免造成重大的经济损失，通常采用的方法是增加缆径，以提高其承载能力，然必导致拖带重量增加，下悬度过大，甚至使设备挂底而损坏；同时柔性亦变差，使在工作中拖缆易扭转，影响拖体在水中的航行姿态。为解决上述问题，在缆索与设备间连接一种具备一定抗冲能力并能够自由旋转的机构，减小外界对缆索和设备的影响。

1 设计目的及要求

设计出一种安装于水下拖曳缆索与拖带载体之间，在工作过程中作自由旋转且具有抗冲击能力的减振机构，具备以下特性。

(1) 结构简单、造价低廉、工作可靠，便于装配与维护保养。

(2) 装配后不受外界干扰，能承受一定的外界冲击，能自动释放外界作用其上的扭力。

2 组成及特点

为满足某工程上实际使用要求，设计出一套减振机构，组装成型后的结构见图1所示，主要由外护套1、钢珠2、内护套3、减振橡胶4、连接杆5和固定栓6组成。本文采用嵌入模块式设计方法，依据不同的使用工况选用不同性能的构件进行组装，保证内、外护套间均能沿轴线方向做旋转运动，且在工作过程中能够自动释放缆索内部的扭力，其主要特点如下。

(1) 由于其工作状态是缆索一端挂接在母船后甲板上，另一端呈自由状态，故在工作过程中遇到外力时能够自动释放施加于缆索上的扭力，确保拖曳载体在水中的航行姿态。

(2) 将起减振作用的橡胶件制成圆锥台形和圆柱体与圆锥体的结构，并制造出来，使其具备压缩型与剪切型橡胶减振器的特性。

图1 装配结构图 1.外护套 2.钢珠 3.内护套 4.减振橡胶 5.连接杆 6.固定栓

(3) 为保证内、外护套间的连接强度，在构件内部设置钢珠，使其与内护套内装配的减振橡胶有机地结合，确保在遇到突发事件时，该机构能吸收一定的外界冲击力，降低外界冲击力对拖缆(索)的作用。

3 设计及使用说明

由于该减振器安置在水下拖曳缆索与拖曳载体之间并随船运动，为满足设计时提出的使用要求，采用模块化设计思路将其设计成图1所示的结构形式。

采用的具体设计方法如下：将该机构与拖曳缆索或拖曳载体间的相连接部位设计成绞形结构，既方便连接又使该处具备一定的自由度。为简化机构将两连接部位的一端与外护套设计成一体，另一连接部设计在连接杆上。为保证该机构能承受来至水中各方向的冲击力和同时具备沿轴线可做旋转运动的能力，在外护套的内表面上开设有两道环状凹弧形半圆槽，并在凹弧半圆形槽的正上方开有一螺纹通孔，所开设的孔径略大于凹弧形半圆槽直径，作用如下：①便于装配承力钢珠；②是用于安装固定栓，阻止工作时承力钢珠被挤出。在内护套的外表面相应的位置上同样开有环状凹弧半圆形槽，装配完成后两凹弧半圆形槽正好构成圆形槽，其直径略大于钢珠的直径，将承力钢珠包容其内部。由于在构成的环状圆形槽内布有若干钢珠，使得内外两护套同时承力，既提高构件的连接强度又限制两构件间的位置[1]。

为保证钢珠运转自如或不出现相互挤压现象，解决的方法如下：将固定栓与钢珠相接触的一端设计成类似球体结构或半球体结构，其外形尺寸与承力钢珠的外径相同，使得钢珠装入内外护套构成的环状圆形槽内时，在预留的空间内由固定栓填充，固定栓的圆弧面不得与内护套上的凹弧半圆形槽的底面接触。为保证固定栓可靠连接，采用螺纹胶或点焊工艺将其与外护套固成一体。为使构件运转自如，采用双滚道结构，以防偏转而增大其摩擦力[1]。为降低外界冲击对缆索的影响，将起缓冲作用的橡胶件设计成圆锥台形加圆柱体结构，使形成的减振机构既具有压缩型又具备剪切型橡胶减振器的特性[2]。

当拖曳系统受到外界的冲击作用时，橡胶件被压缩，其刚度随载荷的增加而增大。此时随着载荷的加大橡胶件不断被压缩而使其中部鼓起(如图1中单线箭头所示)，与内护套的接触面也随之增大，同时连接杆向右移动，直至橡胶外表面与内护套内壁完全贴合，在上述运动过程中橡胶件亦吸收了大部动能，减小了外力施加在缆索上的力。然而此时减振橡胶仅起到压缩减振作用。为弥补上述缺陷，在减振作用橡胶C处所示部位设计成喇叭口形，其锥面与橡胶外表面上形成的锥面同斜率，将固定栓上斜面7设计成与护套内表面8相同的斜率，使在受外界冲击时橡胶在C处亦向外膨胀，由于该处为敞开结构，在一定范围内对橡胶无约束，使固定栓留有一定的活动范围，当受到垂直于轴线之作用时，使得橡胶件一部位受压，另一部位受拉，实现其既有压缩型又有剪切型橡胶减振器的特性。为确保橡胶件与连接杆间连接强度，采用硫化工艺将其固结。为提高减振效能，橡胶材料选用抗冲击、耐海水腐蚀，且回弹性高的改性聚氨酯制成。为确保减振机构整体的强度，将图1上的A面的斜率设计成较表面8的斜率大些，提高开口处的强度，同时将B处设计成圆滑过渡，避免工作时锐角对固定栓影响。

4 模拟验证简述

根据理论计算的结果设计并制造出样机一套，模拟实际工况，将样机与二根16 mm的钢索连接，同时将二根钢索的另一端与试验区水中的系缆桩相连。要求能承受相对水深30 m，正横距离20 m，用1 000 kgTNT沉底爆炸的冲击，此时缆索承受的Fman=160～240 kN，考虑0 m正横距时也应满足连接索强度，其Fman=300 kN，作用时间为0.5 ms。由于实际使用过程中缆索一端与母船后甲板相连，另一端呈自由状态。为使模拟装置趋于实际使用工况，使二根钢索呈松弛状态。进行试验，结果如下：对20 m正横距，30 m水深的爆炸，连接索的冲击拉力的半波长为0.5～1 ms左右，由图2～图5可见，装了减振器后，最大张力不到8 kN, 即使考虑二次波, 和0正横距的情况, 冲击拉力也不会超过峰值300 kN半波长时间5 ms的冲击能量, 加装抗冲击减振器后，最大拉力不可能超过40 kN, 最大变形在8mm以下。

图2 拉力, F0=300 kN, 图3 水平位移, F0 =300 kN, t0 =0.5 ms t0 =0.5 ms

图4 拉力, F0=300 kN, 图5 水平位移, F0 =300 kN, t0 =1 ms t0 =1 ms

结论：安装抗冲击减振器后，连接索的直径能够减小，仅需选用破断力为40 kN的规格即可。

5 结 语

将可旋转抗冲击减振机构安置在水下拖曳缆索和拖曳载体之间，因此在工作中可吸收来自外界各方的冲击力，减小或降低了外界作用力对拖曳缆索的影响，为此在系统设计时依据使用工况选用了承较小拉力的拖曳缆索，降低了成本或选用直径较细的拖曳缆索，减轻了缆索整体重量，解决了拖曳缆索工作时下悬度过大问题。

[1] 机械设计手册编委会.机械设计手册(新版)[M].第3卷.北京：机械工业出版社,2004.

[2] 彭拾义.减振器[M].北京：国防工业出版社,1979.

Design for the Rotating Snubbing Mechanism of Shock Resistance

CHEN Bing， LIU Jin-biao

(YichangTestingTechniqueResearchInstitute,YichangHubei443003,China)

2014-06-20

陈 兵(1963-)，男，湖北宜昌人，高级工程师，主要从事机械结构设计与研究方面的工作。

TH12

A

1007-4414(2014)04-0142-02