鎧裝電纜機械鎖緊接頭的設(shè)計

鄧明川　褚偉　霍文軍　張興發(fā)　鄧玉聰

摘 要：介紹了一種用于海底設(shè)備吊放，并為海底設(shè)備提供通訊信號、電力的雙層鎧裝電纜的機械鎖緊接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，理論計算方法。

關(guān)鍵詞：鎧裝電纜；機械鎖緊接頭；設(shè)計

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0096-03

Abstract： This paper introduces the structure design and theoretical calculation method of mechanical locking joint of double-deck sheathed cable used for submarine equipment hoisting and laying， and providing communication signal and electric power for submarine equipment.

Keywords： sheathed cable； mechanical locking joint； design

1 概述

鎧裝電纜是一種在普通電力和通訊電纜外層包裹防護鋼帶或鋼絲的電纜。目的是增加電纜的機械強度，提高防侵蝕能力，為易受機械破壞和極易受侵蝕的應(yīng)用領(lǐng)域使用而設(shè)計的電纜，延長電纜使用壽命。應(yīng)用范圍有：埋設(shè)地底的動力電纜、海底通信電纜等。

本文所指的鎧裝電纜是一種內(nèi)置傳輸視頻、控制信號和電力的電纜，屏蔽銅絲，電纜間灌注隔水介質(zhì)，外面包覆一層防水的聚乙烯護套，外置兩層按一定節(jié)距排列，螺旋方向相反鋼絲的水下電纜。除了具備傳統(tǒng)鎧裝電纜的優(yōu)越性及應(yīng)用領(lǐng)域，鎧裝電纜的兩層鋼絲通過機械鎖緊接頭承載水下設(shè)備，利用吊放系統(tǒng)實現(xiàn)水面對海底設(shè)備的收放，應(yīng)用領(lǐng)域為ROV、拖曳聲納、海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋石油勘探、水下攝像、海底工作站等。

鎧裝電纜與設(shè)備之間的機械鎖緊接頭是水下系統(tǒng)連接中最薄弱的連接環(huán)節(jié)，也是拖曳或吊放系統(tǒng)最有可能出事故的環(huán)節(jié)之一，國外在鎧裝電纜和承重頭工程設(shè)計及安裝中具有豐富的經(jīng)驗，具備實現(xiàn)機械受力和信號/電源的連接。目前我國在產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃中加大了對海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)的支持力度，推動了海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化的加速發(fā)展，海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的重點方向。七五O試驗場與中海油田服務(wù)股份有限公司合作研制了鉆井平臺水下電視系統(tǒng)項目，項目實現(xiàn)了鎧裝電纜的國產(chǎn)化研制及機械鎖緊接頭的工程設(shè)計及應(yīng)用。

2 機械鎖緊接頭結(jié)構(gòu)

機械鎖緊接頭的鎧裝電纜外層鋼絲排布在夾具體和外錐之間，內(nèi)層鋼絲排布在外錐和內(nèi)錐之間，要求鋼絲在錐套上的排列均勻整齊，保證各鋼絲的受力一致，螺栓和壓緊螺母用于將各錐套壓緊鎧裝鋼絲。連接座和鎖緊銷軸用于連接海底設(shè)備。機械鎖緊接頭結(jié)構(gòu)及實物見圖1。

3 機械鎖緊接頭的設(shè)計

3.1 機械鎖緊接頭的設(shè)計分析

鎧裝電纜的兩層鋼絲需要通過機械鎖緊接頭可靠的連接來承受水下設(shè)備吊放時的工作載荷，對于所示結(jié)構(gòu)圖，在工作載荷已知的情況下，應(yīng)保證螺栓聯(lián)接預(yù)緊后，兩層鋼絲與連接錐面所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于工作載荷。

由于螺栓和被連接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力除和預(yù)緊力Qp，工作拉力F有關(guān)外，還受到螺栓剛度Cb及被連接件剛度Cm等因素的影響，因此，從螺栓連接的受力和變形入手，先找出螺栓總拉力與工作載荷的關(guān)系，根據(jù)聯(lián)接的受載要求，計算出螺栓所受的總拉力。根據(jù)螺栓所受的總拉力、工作載荷與預(yù)緊力的關(guān)系，確定螺栓預(yù)緊力Qp，為了確保機械鎖緊接頭的可靠連接，實際應(yīng)用中還需確定螺栓拉伸伸長量？駐L與預(yù)緊力Qp的關(guān)系，通過測量變形量？駐L控制預(yù)緊力Qp。然后根據(jù)螺栓總拉力與螺栓直徑的關(guān)系，確定螺栓的直徑。最后通過兩層鋼絲與錐面在承受螺栓預(yù)緊力及工作載荷情況下聯(lián)接的受力分析，根據(jù)實際應(yīng)用情況推導(dǎo)出機械鎖緊接頭的錐度角度與結(jié)合面數(shù)、結(jié)合面摩擦系數(shù)、防滑系數(shù)的關(guān)系，確定錐面角度。

3.1.1 螺栓總拉力的確定

在預(yù)緊力Qp的拉伸作用下，螺栓產(chǎn)生的變形量為λb ，相反，被聯(lián)接件夾具體則在預(yù)緊力Qp的壓縮作用下，其變形量為λm。當螺栓承受工作載荷后，因所受的拉力由預(yù)緊力Qp增至總拉力Q而導(dǎo)致螺栓繼續(xù)伸長，其變形量增加Δλ，總變形量為λb+Δλ，與此同時，原來被壓縮的被聯(lián)接件，因螺栓伸長而放松，其變形量也隨之減小，根據(jù)聯(lián)接的變形協(xié)調(diào)條件，則被聯(lián)接件壓縮變形的減小量應(yīng)等于螺栓拉伸變形的增加量為Δλ，因此，螺栓的總變形量為λm-Δλ。而被聯(lián)接件的壓縮力由Qp減至Qp'，Qp'為殘余預(yù)緊力。上述的螺栓和被聯(lián)接件的受力與變形關(guān)系見圖2：

4 結(jié)束語

本文對雙層鎧裝電纜的機械鎖緊接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算方法進行了分析，從理論上提供了雙層鎧裝電纜的機械鎖緊接頭的設(shè)計、分析方法。

根據(jù)本文提出的機械鎖緊接頭的設(shè)計方法，設(shè)計了承載能力為5T，用于鉆井平臺水下電視系統(tǒng)吊放的機械鎖緊接頭。通過實際應(yīng)用證明，本文提出的設(shè)計方法可行，滿足了鉆井平臺水下電視系統(tǒng)鎧裝電纜吊放水下設(shè)備的要求。

參考文獻：

[1]趙明生，等.機械工程師手冊（第二版）[M].機械工業(yè)出版社，2000，5.

[2]濮良貴.機械設(shè)計（第五版）[M].高等教育出版社，1990，04.

[3]李昕瞳.現(xiàn)代機械設(shè)計的創(chuàng)新方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（08）：41-42.

[4]劉敬.現(xiàn)代機械設(shè)計的創(chuàng)新方法研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（07）：59.

[5]張琦.現(xiàn)代機械設(shè)計的創(chuàng)新方法研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（14）：119.