模块化碳纤维打捞工具的结构设计方案

易学平

(中国船舶集团公司 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

目前国内海上水下设备的打捞工具大都采用传统的工具，如用竹竿固定撑头和钩头，在打捞过程中作为撑杆和钩杆使用。防摆绳固定的传统方法一是吊车起吊水下设备靠近船舷边，操作人员在船舷边固定防摆绳；二是母船靠近水下设备后用钩杆打捞设备上提前固定好的防摆绳。这些传统方法和传统工具存在操作使用不方便、重量大、水上作业时间长等缺点，且存在较大的人身安全隐患，特别是挂接防摆绳的方法存在操作使用问题，第二种挂接防摆绳的方法，防摆绳在水下容易被水流冲散与水下设备打搅，在水面防摆绳被钩杆钩断后易与水下设备打搅，防摆绳不易取到母船上，影响了水下设备的安全回收。为了有效解决上述问题，采用碳纤维材料制成的碳纤维管代替竹竿，并且设计专用捕捉杆用于挂接防摆绳。碳纤维是一种纤维复合材料，是由基体材料和增强材料等两种以上组合材料在宏观上组合而成，碳纤维材料“外柔内刚”，其具有强度高、比刚度大、重量轻和耐腐蚀性能好等优点，在海洋工程中广泛使用。设计专门的捕捉杆，在母船上可以方便操作捕捉杆实现挂接防摆绳，实现与水下设备的捕捉，使用成功率高，操作方便。在碳纤维管头部更换不同头部功能组件(撑头、钩头和捕捉头)实现打捞工具不同的功能，通过模块化设计形成系列化打捞工具[1]。

1 打捞工具的结构和原理

打捞工具根据功能不同分为撑杆、钩杆和捕捉杆，不同功能打捞工具直接通过更换不同头部功能组件实现，头部功能组件可以是撑头、钩头和捕捉头，捕捉杆的结构最复杂，下面重点介绍捕捉杆的结构特点。图1为捕捉杆结构示意图，它主要由捕捉头、碳纤维管组件等组成，碳纤维管组件和头部功能组件可拆卸，两者之间通过连接螺钉连接成一体，为了保证捕捉头与碳纤维管之间的连接强度，在碳纤维管内部垫上内衬垫加强，尾盖的作用是封住碳纤维管组件内孔，保证产品美观。

1-捕捉头；2-加强内衬套；3-连接螺钉；4-碳纤维管组件；5-尾盖

根据打捞工具使用特点，采用分段式结构，即根据不同使用要求调整碳纤维管组件数量从而调整打捞工具总长度。碳纤维管组件主要由碳纤维管、连接接头Ⅰ和连接接头Ⅱ等组成，如图2所示。碳纤维管通过两端连接接头Ⅰ和Ⅱ连接，连接接头与碳纤维管内部灌满专用环氧胶，为了防止长时间使用后环氧胶出现松动现象，连接接头与碳纤维管通过圆柱销加强固定，碳纤维管和连接接头不拆卸；连接接头Ⅰ和连接接头Ⅱ之间通过螺纹连接，两者之间可拆卸，连接接头外表面滚网纹，增大操作人员使用时摩擦力防止操作人员脱落。

捕捉头的主要作用是实现捕捉功能，是捕捉杆功能实现的关键部件，捕捉头主要由转舌、压缩弹簧、钢球、解脱杆、钢球内套轴、扭簧和轴用挡圈等组成，如图3所示。压缩弹簧2压紧钢球3防止解脱杆4与钢球内套轴5分离，扭簧6压紧转舌1保证转舌1压紧解脱杆4，钢球内套轴5与碳纤维管连接成一体，两者之间不可拆卸。捕捉杆的工作原理如下：根据母船船舷高度、水下设备在水中的位置和母船操作空间等因素选择捕捉杆长度，调整不同数量的碳纤维管组件实现捕捉杆合适长度，并在捕捉杆上固定防摆绳，当母船靠近水下设备后，操作人员操作捕捉杆，使捕捉杆与水下设备相连(水下设备上设计有相应的捕捉环)，在扭簧作用下，捕捉杆与水下设备相连后不会分离(转舌通过扭簧扭力压紧捕捉杆捕捉口)；用力拉动碳纤维管，在外力作用下钢球推动压缩弹簧压缩，使得钢球内套轴与解脱杆分离，解脱杆固定在水下设备上，碳纤维管组件与解脱杆分离后放置在母船上，操作人员利用挂接在设备上的解脱杆的防摆绳控制水下设备回收过程中的摆动，增加水下设备回收过程中的安全性。

1-碳纤维管；2-连接接头Ⅰ；3-圆柱销；4-连接接头Ⅱ

1-转舌；2-压缩弹簧；3-钢球；4-解脱杆；5-钢球内套轴(与碳纤维管连接成一体)；6-扭簧；7-轴用挡圈

2 结构参数计算

2.1 扭簧计算

扭簧的作用是保证解脱杆与水下设备相连后，解脱杆在波浪力和海流等外力作用下不会与水下设备分开[4]。转舌转动半径l1=150 mm,假设需要F1=10 N外力将转舌转动，平时预加F0=3 N弹簧扭力在转舌处，转舌工作转动扭转角θ1=15°。扭簧材料选择65Mn，材料等级Ⅱ，许用弯曲应力[σ1]=570 MPa。

弹簧钢丝直径由下式确定：

(1)

其中：K1为曲度系数，当扭转方向为顺向时，K1=1；M1为扭矩，N·mm，M1=F1×l1=10×150=1 500 N·mm；[σ1]为许用弯曲应力,MPa。

将相关参数代入式(1)，经计算得到弹簧钢丝直径d1=2.99 mm，圆整后取d1=3 mm，故弹簧钢丝直径确定为3 mm。

旋绕比C1=6，则弹簧中径D1=C1d1=6×3=18 mm。

弹簧有效圈数由下式确定：

(2)

其中：E为弹簧弹性模量，E=210×103MPa；θ1为转舌工作转动扭转角，θ1=15°。

将相关参数代入式(2)，经计算得弹簧有效圈数n1=2.58，圆整后取n1=3，故弹簧有效圈数为3圈。

弹簧内径D2=D1-d1=15 mm，弹簧外径D3=D1+d1=21 mm，弹簧的自由长度H1=n1d1+d1=12 mm。

弹簧扭转刚度由下式计算：

(3)

将相关参数代入式(3)，经计算得弹簧扭转刚度M=85.8 N·mm/(°)。

扭簧预加变形角度θ0由下式计算:

(4)

将相关参数代入式(4)，计算得θ0=5.2°。

2.2 压缩弹簧计算

压缩弹簧的作用是通过弹簧的压缩力压紧钢球防止捕捉头与解脱杆在波浪力和海流等外力作用下分离，另外在操作人员外力作用下方便其分离。设计时在径向上采用6个钢球[4]，假设每个钢球工作载荷F2=4 N，压缩变形量λ2=2.5 mm，压缩弹簧材料选择65Mn，材料等级Ⅱ，许用切应力[τ]=455 MPa，切变模量G=78×103MPa。

(5)

将相关参数代入式(5)，计算得弹簧钢丝直径d2=0.46 mm，圆整后取d2=0.5 mm，故弹簧钢丝直径确定为0.5 mm。

(6)

其中：G为材料切变模量，G=78×103MPa。

将相关参数代入式(6)，计算得弹簧工作圈数n2=5.95，圆整后取n2=6,故弹簧工作圈数确定为6。

弹簧内径D5=D4-d2=3.5 mm ，弹簧外径D6=D4+d2=4.5 mm 。

弹簧支承圈端部结构有磨平端，弹簧总圈数n3=n2+2.5=8.5，弹簧各圈留有间距δ2=1，节距t2=d2+δ2=1.5 mm。弹簧自由高度H2=n2δ2+(n3-0.5)d2=10 mm。

3 结束语

碳纤维打捞工具在多个产品海上试验中得到使用，使用情况良好，打捞工具操作方便，特别是捕捉杆缩短了回收作业时间，提高了挂接防摆绳成功率，降低了操作者人身安全隐患，特别是在恶劣海况下可以方便作业，为水下设备的安全回收提供了有力保障。总之，随着科学技术的不断进步，不断改进和优化打捞工具的结构与材料，利用模块化设计实现打捞工具系列化，有力地保障了水下设备的布放和回收工作。该系列化碳纤维打捞工具应用前景较好，适用于水下设备的湖上和海上打捞回收[5]。