CN104986306B - 一种旋水推进型主从式水下救援装置 - Google Patents

Abstract

一种旋水推进型主从式水下救援装置，属于海洋水下作业技术领域。本发明为了解决现有打捞方式普遍存在效率低、实施困难的问题。本装置的头部结构、中部结构、尾部结构依次布置；头部结构与中部结构之间采用软体结构进行连接，将头部壳体与中部壳体连接在一起，尾部结构通过尾部托盘固定安装到中部结构的壳体上，来实现尾部结构与中部结构之间的连接，头部结构用于吸附沉没船舶壁面，中部结构为动力输出装置，其为头部结构及尾部结构提供动力，尾部结构为缆绳缠绕机构，用于与母船建立连接；利用吸盘吸附到被救援物体表面，来完成救援作业；吸盘连接部的密封部件，具有适应壁面的性能。本发明主要用于海洋水下突发事故的救援及打捞作业。

Description

一种旋水推进型主从式水下救援装置

技术领域

本发明涉及一种水下救援装置，具体的说是涉及一种旋水推进型主从式水下救援装置，主要用于海洋水下突发事故的救援及打捞作业，属于海洋水下作业技术领域。

背景技术

海上运输和海洋工程开发日益增多，海洋中的事故时有发生。在高海况情况下，为了实现沉没船舶人员的救援、救护或重要物品的水下打捞，需要进行缆绳的对接，之后可以进行后续的紧急救援工作。由于工作条件恶劣、海下周围环境复杂多变，水下作业难度大，根据波浪弥散关系，σ²＝k×g×tanh(kh)，其中：σ为圆频率，σ＝2c/T，T为波浪周期；h为水深；g为重力加速度；k为波数，与波长的关系满足L＝2π/k，小振幅波动在相当于半个波长的深度以下，其波形已可忽略，故当水深|z0|≥l/2时，即可当作深水波来处理。水下20米左右处于平稳区域，可以利用波浪弥散关系进行拖拽打捞，采用主从式的传递方法，将货物或出事人员输送上船。

目前打捞从方式上一般区分为采用人员下潜和水下机器人及无人遥控潜水器(ROV)，这些打捞方式普遍存在效率低、实施困难等问题。

遥控潜水器主要有：有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种现有的有缆潜器，缆线专指具有电缆(动力缆或信号缆)、光缆(单模或多模光缆)、液压或化学药剂管(钢管或软管)的组合功能的水下脐带缆，通过脐带缆，为水下生产系统提供电能,系统传感器数据。

同时，在拖缆缠绕上可分为：单进单出和双进双出方式。通过遥控方式进行主从式双进双出拖缆，可以协调、互动拖缆过程，技术上没有障碍，主从式拖缆能够克服单进单出方式滚筒绕绳越绕越大，移动距离决定于绳长的问题，而具有滚筒不存绳的优势。

基于水下作业多用性要求，本发明提出了具有一定的灵活性、高效性、多用性要求的水下拖缆救援装置。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种旋水推进型主从式水下救援装置，以至少解决现有打捞方式普遍存在效率低、实施困难的问题。

本发明的一种旋水推进型主从式水下救援装置，包括头部结构、中部结构及尾部结构；头部结构位于装置的顶端，中部结构位于装置的中间位置，尾部结构位于装置的末端；尾部结构通过尾部托盘固定安装到中部结构的壳体上，来实现尾部结构与中部结构之间的连接，头部结构用于吸附沉没船舶壁面，中部结构为动力输出装置，其为头部结构及尾部结构提供动力，尾部结构为缆绳缠绕机构，用于与母船建立连接；所述头部结构包括第一吸盘、第二吸盘、第三吸盘、第一锥齿轮传动系统、第一螺纹伸缩装置、第二螺纹伸缩装置、第三螺纹伸缩装置、第一动力轴、第一离合器、万向节、头部壳体和头部外罩，所述第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘均为包括底座和吸盘两部分，吸盘与底座的连接处设置密封部件，所述第一锥齿轮传动系统设置在头部壳体内，第一锥齿轮传动系统的主动锥齿轮与第一动力轴固定连接，第一动力轴通过万向节及第一离合器与动力输出装置连接；第一螺纹伸缩装置、第二螺纹伸缩装置和第三螺纹伸缩装置分别与第一锥齿轮传动系统的一个从动锥齿轮连接，第一螺纹伸缩装置与第一吸盘的底座连接，第二螺纹伸缩装置与第二吸盘的底座连接，第三螺纹伸缩装置与第三吸盘的底座连接，头部壳体上开有底座运动导向孔，所述头部外罩罩装在头部壳体外部，且头部外罩上开有吸盘运动导向孔，头部结构的头部外罩与中部结构之间采用软体结构进行连接，将头部壳体与中部壳体连接在一起，软体结构与中部结构的连接处设置有密封环，软体结构上设置有柔性环。

进一步地：所述第一锥齿轮传动系统包括传动壳体、三个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；传动壳体设置在头部壳体内，传动壳体呈四棱台结构，传动壳体的底壁上安装有主动锥齿轮，传动壳体的顶壁上安装有一个从动锥齿轮，传动壳体的相对的两个侧壁上个安装有一个从动锥齿轮，主动锥齿轮与侧壁上的两个从动锥齿轮啮合，侧壁上的两个从动锥齿轮与顶壁上的从动锥齿轮啮合。

进一步地：所述头部外罩为椭球壳体结构，且椭球壳体结构的后端为平面，第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘的吸盘轴线与各自所处的吸盘运动导向孔的轴线之间具有一定角度。如此设置，保证吸盘更好地吸附在沉船表面。

进一步地：所述中部结构包括两个无螺杆螺旋推进器、双出轴电机、第一传动轴、第二传动轴、第一差速器、第二差速器、第一带传动系统、第二带传动系统、第三带传动系统、第四带传动系统、第一齿轮传动系统、第二齿轮传动系统、第三齿轮传动系统、第四齿轮传动系统、第五齿轮传动系统、第六齿轮传动系统、中部壳体和两个筒形支撑结构；两个筒形支撑结构位于中部壳体上下两侧，双出轴电机固定安装在中部壳体的中间位置，两个无螺杆螺旋推进器分列在筒形支撑结构内与筒形支撑结构连接；双出轴电机固定安装在中部壳体的中间位置，两个无螺杆螺旋推进器分列在双出轴电机的两侧并与中部壳体连接；双出轴电机首端通过第一差速器连接第一齿轮传动系统的输入端和第二齿轮传动系统的输入端，第一齿轮传动系统的输出端与第一带传动系统的输入端连接，第二齿轮传动系统的输出端与第二带传动系统的输入端连接，双出轴电机末端通过第二差速器连接第三齿轮传动系统的输入端和第四齿轮传动系统的输入端，第三齿轮传动系统的输出端与第三带传动系统的输入端连接，第四齿轮传动系统的输出端与第四带传动系统的输入端连接，第一带传动系统和第三带传动系统的输出端与一个无螺杆螺旋推进器连接，第二带传动系统和第四带传动系统输出端与另一个无螺杆螺旋推进器连接；第一差速器的输入轴上安装有第五齿轮传动系统；第二差速器的输入轴上安装有和第六齿轮传动系统，第五齿轮传动系统上安装有第一传动轴，第六齿轮传动系统上安装有第二传动轴，第一传动轴通过第一离合器和万向节与第一动力轴连接，第二传动轴与尾部结构连接，软体结构与中部结构的中部壳体连接，所述筒形支撑结构的进水端安装有进水口挡板，筒形支撑结构的出水端安装有出水口挡板。

进一步地：所述第一带传动系统、第二带传动系统、第三带传动系统和第四带传动系统均包括输出带轮轴、输入带轮轴和传动带，输出带轮轴与无螺杆螺旋推进器连接，输入带轮轴转动安装在中部壳体上，输入带轮轴与相应的齿轮传动系统的输出端连接，传动带用于连接输出带轮轴和输入带轮轴。

进一步地：所述第一齿轮传动系统、第二齿轮传动系统、第三齿轮传动系统和第四齿轮传动系统均包括输入齿轮轴和输出齿轮轴，输入齿轮轴的齿轮和输出齿轮轴的齿轮相互啮合，输入齿轮轴与相应的差速器连接，输出齿轮轴与相应的带传动系统的输入带轮轴连接。

进一步地：所述第五齿轮传动系统和第六齿轮传动系统均包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮安装在差速器输入轴上，从动齿轮与相应的传动轴连接。

整体结构的动力由中部结构的双出轴电机提供，通过齿轮传动系统将动力传送到各组带传动装置，带传动装置将动力传送到两侧的无螺杆螺旋推进器，无螺杆螺旋推进器的转动对水流产生推力，无螺杆螺旋推进器所受反作用力带动整体结构运动。其中一个无螺杆螺旋装置的动力传输过程中，通过一组齿轮啮合来进行过度用来实现改变无螺杆螺旋的旋向，从而达到两个无螺杆螺旋同向旋转的目的。

进一步地：所述尾部结构包括第二动力轴、两个第一绕绳装置、第二绕绳装置、辅助绕绳装置组、尾部托架、锥齿轮传动系统、绳索、尾部壳体和第二离合器，两个第一绕绳装置、第二绕绳装置和辅助绕绳装置组固定安装在尾部托架上，尾部托架固定安装在中部壳体上，两个第一绕绳装置装于尾部托架的两侧，第二绕绳装置装于尾部托架的末端，辅助绕绳装置组排布在尾部托架上，且位于第一绕绳装置和第二绕绳装置之间，第二传动轴通过第二离合器与第二动力轴的输入端连接，第二动力轴通过第二锥齿轮传动系统与两个第一绕绳装置建立连接，缆绳缠绕在两个第一绕绳装置、辅助绕绳装置组和第二绕绳装置上。

进一步地：所述第二锥齿轮传动系统包括两个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；主动锥齿轮与第二动力轴连接，两个从动齿轮安装在第一绕绳装置的滚筒上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合。

进一步地：所述第一绕绳装置和第二绕绳装置均包括滚筒，滚筒通过支座转动安装在尾部托架上。

本发明所达到的效果为：

1.中部结构的双出轴电机不仅提供无螺杆螺旋推进器的动力，而且将动力传输到头部结构及尾部结构，可以提供吸盘及绕绳装置的动力，实现了动力的同步输出，提高了能量的利用效率，实现了结构的能量利用的高效性。

2.无螺杆螺旋推进器的传动装置配有差速器，可实现两无螺杆螺旋的差速运动，达到整体结构可以在水中运动的过程中可以自由转弯的目的，实现了结构的运动灵活性。

3.吸盘通过螺纹伸缩装置伸出或收回，头部结构的前部及两侧均配有吸盘装置，这样不仅可以吸附平整表面的物体，还可以吸附有凹槽不规则表面的物体，实现了结构的多用性。

4.采用无螺杆螺旋装置作为整体结构在水中运动的执行机构，不但在具有在水中运动的灵活多变性，而且可以通过无螺杆螺旋所受水流阻力而产生水平前进方向及竖直升降方向的分力来减少母船的负担。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的一种旋水推进型主从式水下救援装置立体结构图；

图2是根据本发明的实施例的一种旋水推进型主从式水下救援装置的主剖结构图；

图3是根据本发明的实施例的头部结构I的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的中部结构II的结构示意图；

图5是根据本发明的实施例的及尾部结构III的结构示意图；

图6是根据本发明的实施例的一种旋水推进型主从式水下救援装置的俯视图；

图7是根据本发明的实施例的一种旋水推进型主从式水下救援装置的俯视剖视图；

图8是无螺杆螺旋传动水作用简化模型；

图9是轴向水作用与螺旋传动转速对比图；

图10是流体速度矢量图；

图11是无螺杆螺旋头部与尾部压强分布云图；

图12是转速ω＝200rad/s的无螺杆螺旋轴向压强云图；

图13是转速ω＝-200rad/s的无螺杆螺旋轴向压强云图；

图14是水作用随转速拟合曲线；

图15是推动力施加曲线；

图16是装置运动速度曲线；

图17是装置转向作用力学模型；

图18是转向过程中角速随时间变化曲线；

图19是转向过程中角加速随时间变化曲线；

图20是转向过程中水平移动速度随时间变化曲线；

图21是进、出水口挡板调整示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种旋水推进型主从式水下救援装置，包括头部结构I、中部结构II及尾部结构III；头部结构I位于装置的顶端，中部结构II位于装置的中间位置，尾部结构III位于装置的末端；尾部结构III通过尾部托盘52固定安装到中部结构II的中部壳体7上，来实现尾部结构III与中部结构II之间的连接，头部结构I用于吸附沉没船舶壁面，中部结构II为动力输出装置，其为头部结构I及尾部结构III提供动力，尾部结构III为缆绳缠绕机构，用于与母船建立连接；所述头部结构I包括第一吸盘2、第二吸盘31、第三吸盘19、第一锥齿轮传动系统3、第一螺纹伸缩装置1、第二螺纹伸缩装置33、第三螺纹伸缩装置32、第一动力轴4、第一离合器5、万向节61、头部壳体20和头部外罩201，所述第一吸盘2、第二吸盘31和第三吸盘19均为包括底座和吸盘两部分，吸盘与底座的连接处设置密封部件203，所述第一锥齿轮传动系统3设置在头部壳体20内，第一锥齿轮传动系统3的主动锥齿轮与第一动力轴4固定连接，第一动力轴4通过万向节61及第一离合器5与动力输出装置连接；第一螺纹伸缩装置1、第二螺纹伸缩装置33和第三螺纹伸缩装置32分别与第一锥齿轮传动系统3的一个从动锥齿轮连接，第一螺纹伸缩装置1与第一吸盘2的底座连接，第二螺纹伸缩装置33与第二吸盘31的底座连接，第三螺纹伸缩装置32与第三吸盘19的底座连接，头部壳体20上开有吸盘底座运动导向孔，所述头部外罩201罩装在头部壳体20外部，且头部外罩201上开有吸盘运动导向孔，头部结构I的头部外罩201与中部结构II之间采用软体结构17进行连接，将头部壳体20与中部壳体7连接在一起，软体结构17与中部结构II的连接处设置有密封环501，软体结构17上设置有柔性环202。

本发明的第一吸盘、第二吸盘和第三吸盘的吸附方式分为两种：一种方式是吸盘采用橡胶制成，利用压强原理吸附到被救援物体表面，来完成救援作业；另一种方式是吸盘采用电磁吸盘，采用电磁原理，通过吸盘内部线圈通电产生磁力，经过导磁面板，将接触在电磁吸盘表面的被救援物体紧紧吸住，来完成救援过程，吸盘在连接部分采用的弹性材料制成的密封部件，具有适应壁面的性能。

另外，根据一种实现方式，如图2和图3所示，所述第一锥齿轮传动系统3包括传动壳体18、三个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；传动壳体18设置在头部壳体20内，传动壳体18呈四棱台结构，传动壳体18的底壁上安装有主动锥齿轮，传动壳体18的顶壁上安装有一个从动锥齿轮，传动壳体18的相对的两个侧壁上个安装有一个从动锥齿轮，主动锥齿轮与侧壁上的两个从动锥齿轮啮合，侧壁上的两个从动锥齿轮与顶壁上的从动锥齿轮啮合。

另外，根据一种实现方式，如图2和图3所示，所述头部外罩201为椭球壳体结构，且椭球壳体结构的后端为平面，第一吸盘2、第二吸盘31和第三吸盘19的吸盘轴线与各自所处的吸盘运动导向孔的轴线之间具有一定角度。如此设置，保证吸盘更好地吸附在沉船表面。

另外，根据一种实现方式，如图2和图4、图7所示，所述中部结构II包括两个无螺杆螺旋推进器15、双出轴电机23、第一传动轴25、第二传动轴44、第一差速器22、第二差速器21、第一带传动系统6、第二带传动系统16、第三带传动系统8、第四带传动系统14、第一齿轮传动系统41、第二齿轮传动系统42、第三齿轮传动系统46、第四齿轮传动系统45、第五齿轮传动系统24、第六齿轮传动系统43、中部壳体7和两个筒形支撑结构204；两个筒形支撑结构204位于中部壳体7上下两侧，双出轴电机23固定安装在中部壳体7的中间位置，两个无螺杆螺旋推进器15分列在筒形支撑结构204内与筒形支撑结构204连接；双出轴电机23首端通过第一差速器22连接第一齿轮传动系统41的输入端和第二齿轮传动系统42的输入端，第一齿轮传动系统41的输出端与第一带传动系统6的输入端连接，第二齿轮传动系统42的输出端与第二带传动系统16的输入端连接，双出轴电机23末端通过第二差速器21连接第三齿轮传动系统46的输入端和第四齿轮传动系统45的输入端，第三齿轮传动系统46的输出端与第三带传动系统8的输入端连接，第四齿轮传动系统45的输出端与第四带传动系统14的输入端连接，第一带传动系统6和第三带传动系统8的输出端与一个无螺杆螺旋推进器15连接，第二带传动系统16和第四带传动系统14输出端与另一个无螺杆螺旋推进器15连接；第一差速器22的输入轴上安装有第五齿轮传动系统24；第二差速器21的输入轴上安装有和第六齿轮传动系统43，第五齿轮传动系统24上安装有第一传动轴25，第六齿轮传动系统43上安装有第二传动轴44，第一传动轴25通过第一离合器5和万向节61与第一动力轴4连接，第二传动轴44与尾部结构III连接，软体结构17与中部结构II的中部壳体7连接。

所述筒形支撑结构204的进水端安装有进水口挡板502，筒形支撑结构204的出水端安装有出水口挡板503。参见附图21。如此设置，在旋转过程中，在整体救援装置的转弯过程中，可以通过控制两侧无螺杆螺旋的进水量来进行完成。通过控制两侧进水量的不同，可以使两侧的受力呈现一个差值，从而达到转向的目的。

另外，根据一种实现方式，如图4所示，所述第一带传动系统6、第二带传动系统16、第三带传动系统8和第四带传动系统14均包括输出带轮轴、输入带轮轴和传动带，输出带轮轴与无螺杆螺旋推进器15连接，输入带轮轴转动安装在中部壳体7上，输入带轮轴与相应的齿轮传动系统的输出端连接，传动带用于连接输出带轮轴和输入带轮轴。

另外，根据一种实现方式，如图4所示，所述第一齿轮传动系统41、第二齿轮传动系统42、第三齿轮传动系统46和第四齿轮传动系统45均包括输入齿轮轴和输出齿轮轴，输入齿轮轴的齿轮和输出齿轮轴的齿轮相互啮合，输入齿轮轴与相应的差速器连接，输出齿轮轴与相应的带传动系统的输入带轮轴连接。

另外，根据一种实现方式，如图7所示，所述第五齿轮传动系统24和第六齿轮传动系统43均包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮安装在差速器输入轴上，从动齿轮与相应的传动轴连接。

另外，根据一种实现方式，如图2和图5、图6、图7所示，所述尾部结构III包括第二动力轴53、两个第一绕绳装置9、第二绕绳装置11、辅助绕绳装置组10、尾部托架52、锥齿轮传动系统12、绳索51、尾部壳体和第二离合器13，两个第一绕绳装置9、第二绕绳装置11和辅助绕绳装置组10固定安装在尾部托架52上，尾部托架25固定安装在中部壳体7上，两个第一绕绳装置9装于尾部托架52的两侧，第二绕绳装置11装于尾部托架52的末端，辅助绕绳装置组10排布在尾部托架上，且位于第一绕绳装置9和第二绕绳装置11之间，第二传动轴44通过第二离合器13与第二动力轴53的输入端连接，第二动力轴53通过第二锥齿轮传动系统12与两个第一绕绳装置9建立连接，缆绳51缠绕在两个第一绕绳装置9、辅助绕绳装置组10和第二绕绳装置11上。

另外，根据一种实现方式，如图5所示，所述第二锥齿轮传动系统12包括两个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；主动锥齿轮与第二动力轴53连接，两个从动齿轮安装在第一绕绳装置的滚筒上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合。

另外，根据一种实现方式，如图5所示，所述第一绕绳装置9和第二绕绳装置11均包括滚筒，滚筒通过支座转动安装在尾部托架52上。

本发明的一种旋水推进型主从式水下救援装置动力由中部双输出电机提供，分别由离合器、差速器向头部和尾部输出动力，整体装置通过尾部结构的绳索与母船连接。尾部“U”型双绳型独特缆绳释放组合机构保证缆绳从救援船抛下和在海水中运动过程中，协调控制救援缆绳的收放速度。母船远程、动态协调中心电机控制救援装置尾部的拖带脐带缆的放缆、送缆速度。无螺杆螺旋推进器配有差速器，当需要整体结构在水中转弯时可以分别调整两个无螺杆螺旋推进器的转速来实现整体结构的转弯的过程。

尾部结构的动力由中部结构中的双出轴电机的另一端通过齿轮传动系统、传动轴、离合器、第二锥齿轮传动系统等装置进行传输，动力传送到绕绳装置从而实现绕绳装置的转动，绳索缠绕在绕绳装置上并交错缠绕辅助绕绳装置上，绳索的另一头固定到母船体上，通过绕绳装置的转动控制绳索的长度来实现整体结构在水中的位置。

头部吸盘呈“品”字形布置，由螺旋副驱动，可沿导轨收放，能够适应沉没船舶壁面上不规则的焊缝，具有良好的吸附能力，形成独特的船体附着的装置：头部结构的动力由中部结构中的双出轴电机通过齿轮传动系统、传动轴、联轴器来进行传输，轮啮合传动通过螺纹伸缩装置来控制吸盘的动作，实现吸盘的伸出或缩回，当吸盘吸附到物体表面之后可以带动物体在水中运动。

水下救援工作时，首先由母船通过绳索将无杆双螺旋推进器水下缆控救援装置下放至预定深度水域中，尾部结构的动力由中部结构中的双出轴电机的通过传动轴、离合器、齿轮传动装置等装置进行传输，动力传送到绕绳装置从而实现绕绳装置的转动，绳索缠绕在绕绳装置上并交错缠绕辅助绕绳装置上，绳索的另一头固定到母船体上，通过绕绳装置的转动控制绳索的长度来实现整体结构在水中的位置。当达到预定水域深度之后，调整整体装置在水中的姿态及位置，整体结构在水中运动的动力由中部结构的双出轴电机提供，将动力传送到带轮，带轮通过传动带将动力传送到两侧的无螺杆螺旋装置，使无杆螺旋组转动从而带动整体结构运动，来进行整体装置在水中的姿态及位置的调整。当整体装置位置靠近被救援物体及姿态位置调整结束后，头部结构开始动作，头部结构的动力由中部结构中的双出轴电机通过传动轴、离合器来进行传输，齿轮啮合传动通过螺纹伸缩装置来控制吸盘的动作，实现吸盘的伸出或缩回，当吸盘吸附到物体表面之后，通过母船控制伸缩的长度来使被救援物体运动提升至水面，完成救援工作。

通过以上描述可知，上述根据本发明用于海洋水下突发事故的救援及打捞作业，是具有一定的灵活性、高效性、多用性要求的水下拖缆救援装置。

仿真实验：

1.无螺杆螺旋CFD数值仿真

简化模型如图8所示，无螺杆螺旋以角速度ω稳定旋转，圆筒中，中心型无螺杆螺旋的水作用对装置产生轴向推力和纵向漂浮力，取单头螺杆参数为：L×d＝3000mm×1200mm，L为长度，d为直径，其中螺距P＝300mm，进行无螺杆螺旋传动转速与水作用关系分析，水作用力关系与ω关系如表1：

表1无螺杆螺旋传动转速与水作用关系

同时，选定无螺杆螺旋的杆长等于原长的1/2，其它参数不变，进行轴向力随转速ω的测试。结果如图9所示。从图9可知，当螺旋长度缩为原来一半后，所受力近似为无螺杆螺旋的杆长原长的一半。

螺杆以200rad/s的角速度转动，由于流体与无螺杆螺旋面间存在黏性，流体会沿螺旋面产生向上的运动趋势，即可产生沿螺旋轴线的速度分量，如图10所示。根据动量定理，此分量可对无螺杆螺旋产生轴向力分量。同时，选择两组无螺杆螺旋进行水作用力采样，螺旋参数如表2，传动转速与水作用关系如表2：

表2无螺杆螺旋模型参数

由图11-图13可知，无螺杆螺旋在做正向旋转时头部最大压强达到：2.31×10⁵Pa，尾部最小压强约为：-1.35×10⁵Pa，无螺杆螺旋的头尾截面存在明显压差，从而形成推力，为整个装置的前后移动提供动力。由图12可知，当改变螺旋转向时，螺旋受力方向发生改变。

表3无螺杆螺旋1传动转速与水作用关系

表4无螺杆螺旋2传动转速与水作用关系

拟合表3，曲线方程为:

F＝a₀+a₁ω+a₂ω²+a₃ω³+a₄ω⁴(1)

+a₅ω⁵+a₆ω⁶+a₇ω⁷+a₈ω⁸+a₉ω⁹

其中a₀到a₉取值如表5。

表5拟合曲线各系数

如图14所示，根据方程拟合数据曲线,水作用随转速增加而增加。

2.双无螺杆螺旋受力分析

水下救援装置无螺杆螺旋成对使用，作为整个装置的动力源；同时,改变无螺杆螺旋的转速转向，在头部，通过柔性环节辅助下，可实现整个装置的前进、后退，使两无螺杆螺旋差速运动可实现左右转向功能。

2.1直线运动的功能实现

直线运动时,静水中流体阻力:

$F_f=\frac{1}{2}{C}_D{\mathrm{\ρAv}}^2---\left(3\right)$

其中：C_D为阻尼系数，ρ为水的密度，A为沿水流方向装置的横截面积，v为结构相对流体的运动速度。

装置结构尺寸为:LxDxH＝300x500x1000，取C_D＝0.4，静水中流体阻力F_f由公式3，静水中流体阻力可知：

F_f＝10.9v²(2)

两螺杆启动规律相同,且以同样的转速稳定运转,以转速ω＝-100rad/s为例，两螺旋共同作用产生529.4N的力，代入公式2，载荷增加曲线如图15。

当推动力达到最大且装置运动达到稳定状态过程中，速度的变化规律如图16。

因此,装置静水中稳定状态下,直线转运速度可达25km/h.同时，可以通过控制无螺杆螺旋的转向，来控制整个装置的前进和后退。

2.2转向运动的功能实现

装置转向作用力学模型如图17，装置采用移动副模拟头部转动，即调整方向运动，F1,F2分别为螺杆推进力，其方向随本体运动，始终与边长平行。转向作用通过同步接口处的柔性环节实现调向，螺杆推力可由螺杆转向、相位角以及转速调节。

在(0,2s)内，上、下调向长度为+15mm与-15mm,(35s,40s)内，头部上、下柔性环节调向长度为-15mm与+15mm；(0,35s)内，本体螺杆驱动推力F1＝-F2＝248.5N，(35s,40s)内，F1＝-F2＝0,转向角速\角加速曲线如图18和图19,水平移动速度如图20所示。

可见,拖缆装置能够通过不附加外动力,快速实现转向。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种旋水推进型主从式水下救援装置，包括头部结构(I)、中部结构(II)及尾部结构(III)；头部结构(I)位于装置的顶端，中部结构(II)位于装置的中间位置，尾部结构(III)位于装置的末端；尾部结构(III)通过尾部托盘(52)固定安装到中部结构(II)的中部壳体(7)上，来实现尾部结构(III)与中部结构(II)之间的连接，头部结构(I)用于吸附沉没船舶壁面，中部结构(II)为动力输出装置，其为头部结构(I)及尾部结构(III)提供动力，尾部结构(III)为缆绳缠绕机构，用于与母船建立连接；其特征在于：所述头部结构(I)包括第一吸盘(2)、第二吸盘(31)、第三吸盘(19)、第一锥齿轮传动系统(3)、第一螺纹伸缩装置(1)、第二螺纹伸缩装置(33)、第三螺纹伸缩装置(32)、第一动力轴(4)、第一离合器(5)、万向节(61)、头部壳体(20)和头部外罩(201)，所述第一吸盘(2)、第二吸盘(31)和第三吸盘(19)均为包括底座和吸盘两部分，吸盘与底座的连接处设置密封部件(203)，所述第一锥齿轮传动系统(3)设置在头部壳体(20)内，第一锥齿轮传动系统(3)的主动锥齿轮与第一动力轴(4)固定连接，第一动力轴(4)通过万向节(61)及第一离合器(5)与动力输出装置连接；第一螺纹伸缩装置(1)、第二螺纹伸缩装置(33)和第三螺纹伸缩装置(32)分别与第一锥齿轮传动系统(3)的一个从动锥齿轮连接，第一螺纹伸缩装置(1)与第一吸盘(2)的底座连接，第二螺纹伸缩装置(33)与第二吸盘(31)的底座连接，第三螺纹伸缩装置(32)与第三吸盘(19)的底座连接，头部壳体(20)上开有吸盘底座运动导向孔，所述头部外罩(201)罩装在头部壳体(20)外部，且头部外罩(201)上开有吸盘运动导向孔，头部结构(I)的头部外罩(201)与中部结构(II)之间采用软体结构(17)进行连接，将头部壳体(20)与中部壳体(7)连接在一起，软体结构(17)与中部结构(II)的连接处设置有密封环(501)，软体结构(17)上设置有柔性环(202)。

2.根据权利要求1所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第一锥齿轮传动系统(3)包括传动壳体(18)、三个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；传动壳体(18)设置在头部壳体(20)内，传动壳体(18)呈四棱台结构，传动壳体(18)的底壁上安装有主动锥齿轮，传动壳体(18)的顶壁上安装有一个从动锥齿轮，传动壳体(18)的相对的两个侧壁上个安装有一个从动锥齿轮，主动锥齿轮与侧壁上的两个从动锥齿轮啮合，侧壁上的两个从动锥齿轮与顶壁上的从动锥齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述中部结构(II)包括两个无螺杆螺旋推进器(15)、双出轴电机(23)、第一传动轴(25)、第二传动轴(44)、第一差速器(22)、第二差速器(21)、第一带传动系统(6)、第二带传动系统(16)、第三带传动系统(8)、第四带传动系统(14)、第一齿轮传动系统(41)、第二齿轮传动系统(42)、第三齿轮传动系统(46)、第四齿轮传动系统(45)、第五齿轮传动系统(24)、第六齿轮传动系统(43)、中部壳体(7)和两个筒形支撑结构(204)；两个筒形支撑结构(204)位于中部壳体(7)上下两侧，双出轴电机(23)固定安装在中部壳体(7)的中间位置，两个无螺杆螺旋推进器(15)分列在筒形支撑结构(204)内与筒形支撑结构(204)连接；双出轴电机(23)首端通过第一差速器(22)连接第一齿轮传动系统(41)的输入端和第二齿轮传动系统(42)的输入端，第一齿轮传动系统(41)的输出端与第一带传动系统(6)的输入端连接，第二齿轮传动系统(42)的输出端与第二带传动系统(16)的输入端连接，双出轴电机(23)末端通过第二差速器(21)连接第三齿轮传动系统(46)的输入端和第四齿轮传动系统(45)的输入端，第三齿轮传动系统(46)的输出端与第三带传动系统(8)的输入端连接，第四齿轮传动系统(45)的输出端与第四带传动系统(14)的输入端连接，第一带传动系统(6)和第三带传动系统(8)的输出端与一个无螺杆螺旋推进器(15)连接，第二带传动系统(16)和第四带传动系统(14)输出端与另一个无螺杆螺旋推进器(15)连接；第一差速器(22)的输入轴上安装有第五齿轮传动系统(24)；第二差速器(21)的输入轴上安装有和第六齿轮传动系统(43)，第五齿轮传动系统(24)上安装有第一传动轴(25)，第六齿轮传动系统(43)上安装有第二传动轴(44)，第一传动轴(25)通过第一离合器(5)和万向节(61)与第一动力轴(4)连接，第二传动轴(44)与尾部结构(III)连接，软体结构(17)与中部结构(II)的中部壳体(7)连接，所述筒形支撑结构(204)的进水端安装有进水口挡板(502)，筒形支撑结构(204)的出水端安装有出水口挡板(503)。

4.根据权利要求3所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第一带传动系统(6)、第二带传动系统(16)、第三带传动系统(8)和第四带传动系统(14)均包括输出带轮轴、输入带轮轴和传动带，输出带轮轴与无螺杆螺旋推进器(15)连接，输入带轮轴转动安装在中部壳体(7)上，输入带轮轴与相应的齿轮传动系统的输出端连接，传动带用于连接输出带轮轴和输入带轮轴。

5.根据权利要求4所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第一齿轮传动系统(41)、第二齿轮传动系统(42)、第三齿轮传动系统(46)和第四齿轮传动系统(45)均包括输入齿轮轴和输出齿轮轴，输入齿轮轴的齿轮和输出齿轮轴的齿轮相互啮合，输入齿轮轴与相应的差速器连接，输出齿轮轴与相应的带传动系统的输入带轮轴连接。

6.根据权利要求5所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第五齿轮传动系统(24)和第六齿轮传动系统(43)均包括相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮安装在差速器输入轴上，从动齿轮与相应的传动轴连接。

7.根据权利要求3所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述尾部结构(III)包括第二动力轴(53)、两个第一绕绳装置(9)、第二绕绳装置(11)、辅助绕绳装置组(10)、尾部托架(52)、锥齿轮传动系统(12)、绳索(51)和第二离合器(13)，两个第一绕绳装置(9)、第二绕绳装置(11)和辅助绕绳装置组(10)固定安装在尾部托架(52)上，尾部托架(25)固定安装在中部壳体(7)上，两个第一绕绳装置(9)装于尾部托架(52)的两侧，第二绕绳装置(11)装于尾部托架(52)的末端，辅助绕绳装置组(10)排布在尾部托架上，且位于第一绕绳装置(9)和第二绕绳装置(11)之间，第二传动轴(44)通过第二离合器(13)与第二动力轴(53)的输入端连接，第二动力轴(53)通过第二锥齿轮传动系统(12)与两个第一绕绳装置(9)建立连接，缆绳(51)缠绕在两个第一绕绳装置(9)、辅助绕绳装置组(10)和第二绕绳装置(11)上。

8.根据权利要求7所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第二锥齿轮传动系统(12)包括两个从动锥齿轮和一个主动锥齿轮；主动锥齿轮与第二动力轴(53)连接，两个从动齿轮安装在第一绕绳装置的滚筒上，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合。

9.根据权利要求8所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述第一绕绳装置(9)和第二绕绳装置(11)均包括滚筒，滚筒通过支座转动安装在尾部托架(52)上。

10.根据权利要求1所述的一种旋水推进型主从式水下救援装置，其特征在于：所述头部外罩(201)为椭球壳体结构，且椭球壳体结构的后端为平面，第一吸盘(2)、第二吸盘(31)和第三吸盘(19)的吸盘轴线与各自所处的吸盘运动导向孔的轴线之间具有一定角度。