拖曳式缆索连接器的设计与制造方法

谭华（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌443003）

拖曳式缆索连接器的设计与制造方法

谭华
（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌443003）

对水下拖曳式缆索连接器的工作状态及设计思路和要求作了简要叙述，在此基础上对原结构在工作中出现的故障进行了分析，得出断裂的主要因素是构件承受交变应力和冲击力的联合作用而引起的结论。据此提出了改进设计，并对该连接器的主要组成部分的设计及功能特性作了扼要叙述与说明。

连接器；自由旋转拖曳

0　概述

在海洋地质勘探中常采用船拖拖曳方式对水下地质表层进行观察与探测，所谓船拖拖曳就是将水下探测设备串接在复合拖缆或拖索上，挂接在船体尾部随船运动。然而在实际工作过程中，特别是在恶劣海洋天气或在行进过程中挂到鱼网，导致拖力突然增大，使得探测设备与拖缆（索）分离而造成重大经济损失。为此有必要在缆（索）与探测设备连接处加装缓冲机构，以达到消除或减弱偶遇的冲击载荷对其的作用。

1　设计思路及要求

为保证拖曳缆索及其所拖带设备工作时的安全与可靠性，在工作中应能消除或降低因船速突然降低或改变方向等原因受到的加大力，使拖曳设备与缆索接头部位仍能可靠连接成一体。设计思路是在两者间加装具有一定的抗冲击、可在一定范围内旋转且能伸缩的调节机构，其工作示意见图1，机构装配位置如图1中A处所示。要求结构简单、便于装配，工作时不改变拖曳设备的运行姿态及对设备供电等无影响；同时能在上下方向-30°～+30°，左右方向-10°～+40°范围内自由运动，且具备一定的防腐蚀及抗冲击能力。

图1　装配后工作原理

2　原结构故障分析简介

图1所示状态表明连接器一端与设备相连，另一端与缆索连接，工作时受外界因素影响较大，连接器受多方位交变应力及冲击力的作用，使用条件恶劣。原缆索连接器的结构示意见图2，工作中在B－B处出现断裂，断裂部位实物照片见图3所示。经扫描实验，通过对零件断裂处宏观断裂原因分析（图4），断面呈纤维状，中部为纤维区，周边有明显剪切唇。说明零件外表面存有明显加工痕迹或留有刀痕；裂纹起始于断口一侧边缘区，表明连接器单边受力，承力部位局部弯曲引起应力集中。从微观形貌断裂分析（图5）可知，零件断裂部位形貌呈现韧窝特征，说明断裂面为韧性断口，且未发现明显的冶金缺陷，可判断所用材料内部无缺陷。结论：连接器断裂处圆滑过渡较小，应力集中系数高，是薄弱环节所在；从宏微观形貌看，材料无缺陷，断面呈韧性断口，且从一侧边缘区开裂，说明材料在断裂时发生了明显的塑性变形，承受了较大载荷的作用，超出了材料的许用极限；从使用状态分析，断裂处承受交变应力和冲击力的联合作用引起开裂，最终扩展断裂[1]。

图2　原连接件结构

图3　断裂部位

图4　46×

图5　100×

3　结构改进及说明

3.1结构及性能

改进后的水下缆索连接器见图6所示。为确保使用时的可靠性，该结构主要由承力件1、绞套2、定向杆球铰头3、密封罩4、缓冲簧5、受力件6和保险索7等通过紧固件连接成一密封体。该机构的特性是：遇紧急情况，如拖船临时停车、突然转向或受涌浪等环境影响时，拖带设备在惯性力作用下仍保持原速和方向行驶，势必对缆索接头施以附加的作用力，由于该连接器具有一定的柔性，因而能吸收一定量的附加作用力。

3.2设计说明

由于连接器工作在海洋环境中，受交变应力及水中冲击力的联合作用，为满足使用要求，绞套选用高强度合金钢制作，以承受较大拉力的作用。定向杆球铰头选用强度高、韧性好的钛合金制作，装配在绞套内，可在一定范围内沿轴线做直线运动，同时在一定角度范围内可旋转，值得注意的是在设计时应确保定向杆与球铰头过渡处有较大的圆角、加工时应圆滑过渡，避免构件在工作中应力集中。由于定向杆球铰头相对于绞套运动件，在工作时受到绞套的制约，特别是遇到突发事件定向杆与球铰头过渡处易在定向杆与球铰头过渡处形成较高的应力集中，导致此处断裂，为此在绞套与定向杆球铰头过渡面相接处设有耐磨、抗冲击能力强的聚氨酯材料，如图6所示C处，目的是起到吸收能量的作用[2]。为限制球铰头在绞套内沿绞套轴线方向产生旋转而损坏缆索，在球铰头上对称开有两道凹槽，装配完成后用定向栓定位，其目的是保证球铰头在绞套内能在一定角度内自由旋转，限制其绕绞套轴线的旋转。

图6　结构示意图

为避免使该构件在工作过程中遇意外情况或环境突变时损坏缆索，同时消除拖曳设备对拖曳电缆的冲击力。在连接器内设置有压缩缓冲簧，借助球铰头做直线运动时缓冲簧壳被压缩的特性，消除或减小外界冲击力对设备的影响，利用定向杆球铰头在绞套内可在一定角度范围内旋转的特点，降低了系统工作时对拖曳缆弯曲的要求。由于该构件长期处于海水中，为防海水中的微生物的侵蚀而影响其正常工作，在构件外围设置有密封护罩，将运动件封装在其内部，使其与外界隔离，既保证了定向杆球铰头能运动自如，又可防止海水中有害微生物的侵蚀。为提高密封护罩的使用性能，将其结构设计成波纹管状，再通过二次硫化工艺在波峰上均匀布置刚性支撑环，这样既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，亦可选用不锈钢制成[3]。为防止缆索连接器中的定向杆球铰头因偶然事件被折断后，探测设备也不会与缆索分离，采用的设计方法是在定向杆球铰头中心开设一通孔，在其内敷设一定抗拉强度的钢索或承力较高的非金属缆绳，所起的功能是即使缆索连接器因过载发生断裂时，钢索或承力非金属缆绳也能起到保险作用。

为提高整体构件的抗疲劳能力，采用表面强化工艺，可增强构件表层金属的强度和硬度。同时在设计时采用增大球铰根部的过渡圆角，减少相接触构件间的应力集中等常规方式亦能提高构件的承载能力。

4　主要特点及结论

按上述方法设计制造出的水下缆索连接器结构简单、使用方便，且在一定范围内具有伸缩及旋转功能，经试验验证，该结构具有以下特点：

（1）工作中遇外力发生突变时可适时吸收部分能量，降低外力对系统的作用力；

（2）在水下运动过程中具有方向自调节能力，可吸收外力对拖缆端头的作用，提高复合拖缆的使用寿命；

（3）可防海水中有害生物的侵蚀，具备过载保险功能。

综上所述，在某些具有特殊要求或在特定环境条件下使用的设备，可根据实际使用工况，将多个连接器串并联成一体，即可在恶劣环境下提高设备的抗冲击能力。

［1］成大先.机械设计手册：第四版第1卷［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］杨荣柏.机械优化设计［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［3］沈锡华.机械密封技术问答［M］.北京：机械工业出版社.1986.

(编辑：向飞)

The Design and M anufactureM ethodsof Towed Cable Connector

TANHua
（Yichang Testing Technique Research Institute，Yichang443003，China）

The article introduced thework status，designmethods and demand of the towed cable connector used underwater，analyzed trouble happened of the old structure，obtained conclusion of that the break factor was alternation stress and wallop.Then proposed the improved design,and introduced the design and function of themain composeof connector.

connector；free rotation；tow

U615.35

A

1009－9492(2015)04－0082－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.022

2014－12－05

谭华，男，1979年生，湖北宜昌人，硕士，高级工程师。研究领域：海洋环境监测。已发表论文7篇。