系留式水中漂浮物自动收放装置的设计与运用

毛 磊

(中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北宜昌 443003)

1 引言

在海洋工程与海洋环境勘探中，有时需对某海域环境的变化进行深入的了解，获取准确的海洋气候数据，就需将海洋监测设备可靠地系留在这一海域某范围内，可随波逐流地漂浮在海面或海水中。但目前采用的系留方式:一是定长系留，即依据海域深度，放出一定长度的锚链使监测仪漂浮在设定的位置范围内，但遇恶劣天气时，仪器可能超出设定值;二是采用水下收放绞车的方法确保仪器漂浮体在设定的范围内，但配置电源、电机及压力传感器等设备，且需定期维护保养。为此，有必要设计出一种既能保证上述系留后的载有仪器的浮体浮于水面，又无需配设电能或其他驱动设备就能达到自动收放锚链的装置。

2 设计要求

要求设计制造出的锚系系统工作可靠，便于装配与维护保养，同时具备以下特性。

(1)结构简单、造价低廉，能承受一定的冲击载荷作用，且保证工作时定深索不会出现缠绕。

(2)收放机构无需配置动力源，仅依靠外界环境的变化就能达到自动收放缆索之目的。

3 装置组成及工作原理

系留式水中漂浮物自动收放装置主要包含渦卷弹簧组件1、杠杆机构2、压紧机构3、离合机构4、绞盘组件5和支撑座6等组成，见图1所示。

图1 总体结构

其中渦卷弹簧组件由渦卷簧外罩7、卷簧8、主轴9和卷簧杠杆转销10等组成;杠杆机构2由杠杆侧板11、杠杆转销12、杠杆座13和作用球杆14等组成。压紧机构4由预紧调节螺母15、弹簧压片16、压缩弹簧17、弹簧导柱18、压板19和刹车片20等组成;离合机构4由离合器21、轮毂22及其相应连接的键等组成。

工作原理:在实际工程应用中，当水面浮球所受水阻力增大到一定值时，即使锚链所受到的拉力大于刹车片对轮毂的摩擦阻力与卷簧对轴的扭矩的合力，绞盘组件放出锚链，卷簧随之收紧，卷簧对主轴放出锚链方向的转动阻力扭矩增大，其外圈带动杠杆侧板偏转运动，则相连的球杆向上移动推动压板绕压板转轴运动，此时固定在压板上的刹车片对轮毂的压力减小，即压紧机构对主轴放出锚链方向的摩擦阻力扭矩变小。此时决定锚链放出的阻力有:压紧机构对主轴放出锚链方向的摩擦阻力扭矩，卷簧反向回复力对主轴放出锚链方向的阻力扭距［1］。

4 设计及制造说明

为满足设计提出的要求，采用模块化设计思路，即将装置的各功能件设计成整体结构后组装到基座上，这样即简化了结构又降低整体结构的重量，便于布放及维护。该装置组装成型后如图1所示，其装配步骤是:先进行试装，即将渦卷弹簧组件、杠杆机构、压紧机构、离合机构和绞盘组件组装到主轴上后，再装配到公共支撑座上，经初步调试正常满足要求后，用紧固螺栓固接。具体实施方法是将主轴穿过绞盘组件上的中心孔后，固定在支撑座上的相应位置上，绞盘组件与主轴间采用的是通用的花键连接方式，以降低装配要求;将渦卷簧外罩安装在支撑座的相应位置后，再将渦卷簧装配在主轴上，采用的连接方式为标准的平面渦卷弹簧的安装形式，随后将卷簧外圈簧片的一端用卷簧杠杆转销与杠杆机构上的杠杆采用绞连的方式连接后，将杠杆侧板装配到杠杆座上，并用杠杆转销连接，杠杆侧板的另一端与作用球杆连接，采用的原理雷同于机械钟表发条的结构形式。装配完成后，渦卷簧即与杠杆侧板和杠杆座构成一体，这样即增强了杠杆机构的强度，又提高了其整体刚性。值得注意的是装配完成后的卷簧是处于自然松弛状态，见图1(b)所示。其设计的目的是:当装载在漂浮浮体内的探测设备随外界环境变化，所受到的水阻力增大或减小到一定值时，与之相连的锚链所受到的拉力也将随之发生变化，如增大到足以克服刹车片对轮毂的摩擦阻力，此时绞盘组件工作并带动主轴做旋转运动，放出绕制在绞盘组件上的系留锚链，此时卷簧被收紧，储存一定能量，当锚链所受拉力降低到一定值时，储存在卷簧内的能量释放，将系留锚链收回到绞盘组件上的绞盘上，达到自动收放锚链之功能［2］。

从图1(a)可知:完成装配后作用球杆带圆球一端向上紧贴压板表面，当作用球杆向上移动时圆球便以一定的力作用在压板上，这样即可改变压板的受力状态，又可达到调整压板对刹车片的位置状态;压紧机构和离合机构装配实施方法:如图1(c)所示，先将离合器装入主轴相应的轴颈上，并用标准键连接，随后用相同的方法将轮毂固定在离合器外圈上。压板和刹车片采用粘接或铆接工艺连接后将压板带轴孔的一端绞接在压板支座上，之后将弹簧导柱插入压板另一端的腰形孔内［3］，并与支撑座固定，再依次从上端装入弹簧、弹簧压片和预紧调节螺母。其目的是当作用球杆向上移动时，将以一定力作用在压板下表面上，增加了刹车片对轮毂的作用力，从而调节压紧机构对主轴的转动阻力达到制动目的。

5 结论

从上述结构和设计说明得出:该锚链收放装置具有结构简单、无需设置动力源，仅借助水位上升下降或涌浪大小的改变，即可利用漂浮在水中的浮体所受流阻大小变化，带动锚链在水中所受到的张力发生改变，达到自动收放之目的，同时还具备以下特点。

(1)装置中设置有渦卷弹簧组件，可借助外界环境的变化，在一定水深范围内，利用卷簧自身具有贮存与释放一定能量的特性［3］，达到自动收放锚链之目的。

(2)可通过调节压紧机构上的预紧调节螺母控制压缩弹簧的长短来获得施加到刹车片上所需的预紧力，使得绞盘组件具备启停的开关功能。

［1］ 金 穜.航空金属学［M］.北京:北京科学出版社，1961.

［2］ 机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2004.

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