CN110761095A - 用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳及浮标锚系系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳及浮标锚系系统。该混合缆绳包括金属纤维混合绳芯和纤维绳皮，其中，金属纤维混合绳芯包括金属螺旋弹簧和设置在金属螺旋弹簧内部的纤维支撑芯，纤维绳皮由多股纤维绳股加捻编织而成，金属纤维混合绳芯的质量含量不大于混合缆绳质量的20％，纤维绳皮的质量含量不小于混合缆绳质量的80％。本申请实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，线密度小、断裂强度高，可以作为水下传感器与水面接收器之间的数据传输通道，又具有纤维锚系缆绳柔软、质轻、容易布放的特点，在海洋观测浮标锚系系统中有良好应用前景。

Description

用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳及浮标锚系系统
技术领域
本申请属于纤维绳索技术领域，具体涉及用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳及浮标锚系系统。
背景技术
海洋观测浮标基于其长期、连续性且无人值守的特点被广泛使用，成为海洋环境观测的最重要的手段。
锚系系统是海洋观测浮标的重要组成部分，例如，深海观测浮标的锚系系统长度可达几千米，为了控制锚系系统的重量，现有锚系系统采用链缆混合的结构形式，锚系系统的下部采用钢链，锚系系统中部的主体锚系部分使用纤维缆绳，锚系系统的上部锚系部分，即水下0～1000米部分，采用锚系缆绳。例如，浅海观测浮标的锚系系统也可以采用链缆混合的结构形式，锚系系统的下部采用钢链，锚系系统的上部锚系部分，即水下0～1000米部分，采用锚系缆绳。
目前锚系系统上部锚系部分的锚系缆绳通常采用包塑钢缆。包塑钢缆通常有三个作用，其一是浮标系泊作用，其二是把测量海水各种指标的水下传感器悬挂固定在包塑钢缆上，其三是进行水下传感器的信号传输。
包塑钢缆的两端裸露在海水中作为电极，利用海水的导电特性，包塑钢缆和海水构成一个完整的闭合回路，成为数据通信的信道；利用水下传感器和水面接收器之间耦合线圈间的电磁耦合作用，实现水下传感器向水面接收器的数据传输。
但是，目前使用在海洋观测浮标锚系系统上部作为锚系缆绳的包塑钢缆，存在重量大、刚度强、收纳半径大、布放困难的问题，严重影响锚系系统的使用。
发明内容
为了至少解决以上提到现有技术存在的技术问题之一，一方面，本申请实施例公开了一种用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，该混合缆绳包括金属纤维混合绳芯和纤维绳皮，其中，金属纤维混合绳芯包括金属螺旋弹簧和设置在金属螺旋弹簧内部的纤维支撑芯，纤维绳皮由多股纤维绳股加捻编织而成，金属纤维混合绳芯的质量含量不大于混合缆绳质量的20％，纤维绳皮的质量含量不小于混合缆绳质量的80％。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，金属螺旋弹簧由金属丝制作而成，金属丝外侧包覆有塑料绝缘层。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，金属螺旋弹簧的内径不大于混合缆绳直径的25％。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，纤维支撑芯与纤维绳皮由相同材质的纤维制成。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，纤维绳皮由相同数量的Z捻向纤维绳股和S捻向纤维绳股编织而成。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，制作纤维绳皮的纤维绳股的数量包括8股、12股、24股。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，制作纤维绳皮的纤维绳股由绳皮纤维经初捻、复捻得到。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，制作纤维绳皮的纤维绳股的捻度设置为30～70捻/米。
一些实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，绳皮纤维初捻的捻度设置为60～120捻/米，绳皮纤维复捻的捻度设置为50～110捻/米。
另一方面，本申请一些实施例公开了一种海洋观测浮标锚系系统，该浮标锚系系统包括本发明实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳。
本申请实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，线密度小、断裂强度高，可以作为水下传感器与水面接收器之间的数据传输通道，又具有纤维锚系缆绳柔软、质轻、容易布放的特点，可以应用于海洋观测浮标锚系系统上部锚系部分，有良好推广应用前景。
附图说明
图1实施例1用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳结构示意图
图2实施例1混合缆绳中金属纤维混合绳芯示意图
图3实施例1制作金属螺旋弹簧的圆柱形包塑金属丝横截面示意图
图4实施例1混合缆绳横截面结构示意图
具体实施方式
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本申请实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本申请中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本申请公开的内容。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本申请中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。
本公开所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。量和其它数值数据在本文中可以以范围格式表示或呈现。这样的范围格式仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围，因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。
在本公开，包括权利要求书中，所有连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由……构成”和“由……组成”是封闭连接词。
为了更好的说明本申请内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本申请的主旨。在不冲突的前提下，本申请实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本申请实施例公开的内容。本申请述及的Z捻向和S捻向仅为表述两个相反的加捻方向。
在一些实施方式中，用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳包括金属纤维混合绳芯和纤维绳皮，其中，金属纤维混合绳芯包括金属螺旋弹簧和设置在金属螺旋弹簧内部的纤维支撑芯，纤维绳皮由多股纤维绳股加捻编织而成，金属纤维混合绳芯的质量含量不大于混合缆绳质量的20％，纤维绳皮的质量含量不小于混合缆绳质量的80％。通常混合缆绳的强度主要由纤维绳皮提供。混合缆绳通常可以作为锚系系统的上部锚系部分，设置在水下0～1000米的位置上。
通常深海海洋观测浮标锚系系统中，不管是采用张紧式系留方式还是松弛式系留方式，锚系系统中部主体锚系部分的系留缆绳具有较大的伸长和回缩幅度，以吸收较高的风浪能量。在浮标受到较大风浪推力时，锚系系统中部主体锚系部分发生较大幅度的伸长，风浪的能量被纤维缆绳吸收，风浪平息之后，锚系系统中部的主体锚系部分发生回缩，使得浮标回复到观测原点。因此，在设计和制造本申请的混合缆绳用于深海海洋观测浮标锚系系统上部锚系部分时，混合缆绳的抗张强力和抗张刚度要大于锚系系统中部主体锚系部分使用的系留缆绳，在浮标锚系系统受到较大拉力时，锚系系统上部锚系部分混合缆绳并不发生较大幅度的伸长。
作为可选实施方式，金属纤维混合绳芯中纤维支撑芯的直径不大于金属螺旋弹簧的内径。纤维支撑芯通常作为金属螺旋弹簧的支撑材料，在混合缆绳拉伸、收缩、变形等过程中，可以随着金属螺旋弹簧的拉伸、收缩和变形等过程发生适当的变化，减少金属螺旋弹簧在横向受压变形的程度，保持良好的形状和结构，延长其使用寿命，通常由绳芯纤维制备得到的纤维支撑芯的直径根据金属螺旋弹簧的内径而确定，一般地，纤维支撑芯的直径不大于金属螺旋弹簧的内径，以便适配地设置在金属螺旋弹簧内部，既能支撑金属螺旋弹簧，防止其变形严重而失去恢复能力，也不对其形变过程带来额外阻力，影响金属螺旋弹簧的形变功能。
作为可选实施方式，纤维支撑芯由合成纤维集束而成。
作为可选实施方式，纤维支撑芯由合成纤维编织而成。
进一步，作为可选实施方式，纤维支撑芯由多根S捻向纤维绳股和相同数量的Z捻向纤维绳股编织而成。
作为可选实施方式，纤维支撑芯的纤维绳股由绳芯纤维经初捻、复捻得到。作为可选实施方式，绳芯纤维初捻的捻度设置为60～120捻/米，绳芯纤维复捻的捻度设置为50～110捻/米。
作为可选实施方式，绳芯纤维可选用聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维或其他合成纤维。
作为可选实施方式，金属螺旋弹簧由金属丝制作而成，金属丝外侧包覆有塑料绝缘层，形成包覆金属丝，包覆金属丝缠绕形成金属螺旋弹簧。通常包覆金属丝制作而成的金属螺旋弹簧的抗张刚度小于纤维绳皮的抗张刚度，当混合缆绳受到拉伸张力作用时，金属螺旋弹簧与绳皮同时发生伸长形变，当拉升张力消失时，金属螺旋弹簧与绳皮同时在自身弹力的作用下回缩。通常，当混合缆绳布设使用时，金属螺旋弹簧的两个金属端头裸露在海水中，包覆金属丝与海水之间电性连接，成为数据通信的信道，利用水下传感器和水面接收器之间的耦合线圈间的电磁耦合作用，实现水下传感器向水面接收器的数据传输。
作为可选实施方式，选择圆柱形不锈钢丝制作金属螺旋弹簧，例如直径为0.4～0.5mm的不锈钢丝。圆柱形不锈钢丝是指横截面为圆形。
作为可选实施方式，选择带状金属丝制作金属螺旋弹簧，带状金属丝又可以称为金属带，其横截面为长方形，或者椭圆形。例如，长方形金属带横截面的长度可选定在0.8～1.0mm之间，宽度可选定在0.3～0.4mm之间。
作为可选实施方式，金属丝的电阻率不大于10Ω/m，即R≤10Ω/m。
作为可选实施方式，金属螺旋弹簧的内径不大于混合缆绳直径的25％。
作为可选实施方式，编织绳皮的合成纤维原料可选用聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维或其他合成纤维，通常绳皮纤维的线密度可以根据混合缆绳的性能设定要求而确定。
作为可选实施方式，纤维绳皮由相同数量的Z捻向纤维绳股和S捻向纤维绳股编织而成。
作为可选实施方式，纤维绳皮的纤维绳股的捻度设置为30～70捻/米。
作为可选实施方式，制作绳皮的纤维绳股的数量通常设置为多个，例如可以设置为8股、12股、24股等，通常Z捻向纤维绳股和S捻向纤维绳股的数量设置为相等，捻度也设置为相等。
作为可选实施方式，制作绳皮的纤维绳股由绳皮纤维经初捻、复捻得到。作为可选实施方式，绳皮纤维初捻的捻度设置为60～120捻/米，绳皮纤维复捻的捻度设置为50～110捻/米。
作为可选实施方式，纤维支撑芯与纤维绳皮由相同材质的纤维制成。即，绳芯纤维与绳皮纤维采用相同材质的纤维。
进一步作为可选实施方式，绳皮纤维与绳芯纤维经过相同的初捻、复捻过程，分别制作为绳皮纤维绳股和绳芯纤维绳股。
在一些实施方式中，海洋观测浮标锚系系统包括本发明实施方式公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳。
通常深海海洋观测浮标锚系系统包括设置在下部的钢链部分、中部主锚系部分和上部锚系部分，本申请实施例公开的混合缆绳通常作为深海海洋观测浮标上部锚系部分，主要起浮标系留、水下传感器悬挂固定和传输水下传感器的数据通道的作用。
通常浅海海洋观测浮标锚系系统包括设置在下部的钢链部分和上部锚系部分，本申请实施例公开的混合缆绳可以作为浅海海洋观测浮标上部锚系系统部分，主要起浮标系留、水下传感器悬挂固定和传输水下传感器的数据通道的作用。
在一些实施方式中，用于观测浮标锚系系统的混合缆绳通过以下方法制作，具体包括：
多根绳皮纤维纱线并丝初捻得到纱线，多根纱线并线复捻，分别得到相同数量的Z捻向绳纱和S捻向绳纱；
多根同向加捻绳纱并线加捻，分别得到Z捻向和S捻向的绳皮绳股；
支撑芯纤维纱线集束，得到纤维支撑芯；
选定制作金属螺旋弹簧的包塑金属丝；
纤维支撑芯、包塑金属丝和绳皮绳股混合编织，得到混合缆绳；
在一些实施方式中，纤维支撑芯经过绳芯纤维初捻、复捻、编织得到。
以下结合实施例对技术细节做进一步说明。
实施例1
图1为实施例1公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳结构示意图，图2为混合缆绳中金属纤维混合绳芯的结构示意图，图3为制作金属螺旋弹簧的圆柱形包塑金属丝横截面示意图，图4为混合缆绳横截面示意图。
图1中，纤维支撑芯21设置在金属螺旋弹簧22内部，纤维支撑芯21和金属螺旋弹簧22组成金属纤维混合绳芯2，金属纤维混合绳芯2外编织有绳皮1。
图2中，绳芯纤维集束成一股，形成圆柱形纤维支撑芯21，纤维支撑芯21外缠绕有包塑金属丝，缠绕的包塑金属丝形成金属螺旋弹簧22，纤维支撑芯21的直径略小于金属螺旋弹簧22的直径。
图3中，包塑金属丝内部为圆柱形不锈钢丝221，不锈钢丝221外包覆有聚氯乙烯绝缘层222。
图4中，混合缆绳的直径为D，金属螺旋弹簧22的内径为Φ，其外径为D1，纤维支撑芯21的直径为d，其中，Φ不大于D的四分之一，d小于Φ，绳皮1的厚度为D-D1的一半。
实施例2
实施例2公开的用于观测浮标锚系系统的混合缆绳，通过以下步骤制备：
选用1260D聚酰胺6纤维复丝为原料，纤维复丝的断裂强度≥8.5cN/dtex，断裂伸长率等于22％；
采用5根1260D聚酰胺6纤维复丝并为1根纱线，并丝过程中进行初捻，捻度为110捻/米，再将三根纱线并为一根绳纱，并线过程中复捻，捻度为100捻/米，初捻和复捻的捻向都分为S捻向和Z捻向两种，分别得到S捻向绳纱和Z捻向绳纱；
将8根绳纱并纱为1根绳股，结构为中间一股周围7股结构，即7+1结构，并纱过程中加捻，捻度为40捻/米，分别得到Z捻向和S捻向的绳皮绳股；
选用圆柱形包塑不锈钢丝制作金属螺旋拉伸弹簧，不锈钢丝直径为0.5mm，电阻率R＝3.7Ω/m，得到的金属螺旋拉伸弹簧内径为2mm，金属螺旋拉伸弹簧每米重量为5.5g，即其线密度为5.5g/m；
选用15根1260D聚酰胺6纤维复丝集束成一根支撑芯，得到纤维支撑芯，其线密度为2.1g/m，直径为1.9mm；
采用8股编织结构，将绳股编织成绳，在制绳过程中，将纤维支撑芯从编织机中心喂入8股编织绳索夹芯，同时将包塑不锈钢丝以金属弹簧螺旋方向相反的方向围绕纤维支撑芯做圆周运动，缠绕于纤维支撑芯上，同步喂入到8股编织绳索夹芯中，调试绳皮节距为70mm，得到混合缆绳。
实施例2得到的混合缆绳直径为19.9mm，线密度为183.6g/m，断裂强力为81.3KN。
实施例3
实施例3公开的用于观测浮标锚系系统的混合缆绳，通过以下步骤制备：
选用2000D聚酯纤维复丝为原料，纤维复丝的断裂强度≥8cN/dtex，断裂伸长率等于12％；
采用6根2000D聚酯纤维复丝并为1根纱线，并丝过程中进行初捻，捻度为90捻/米，再将三根纱线并为一根绳纱，并线过程中复捻，捻度为80捻/米，初捻和复捻的捻向都分为S捻向和Z捻向两种，分别得到S捻向绳纱和Z捻向绳纱；
将15根绳纱并纱为1根绳股，并纱过程中加捻，捻度为60捻/米，分别得到Z捻向和S捻向的绳皮绳股；
选用圆柱形包塑不锈钢丝制作金属螺旋弹簧，不锈钢丝直径为0.4mm，电阻率R＝5.8Ω/m，得到的金属螺旋弹簧内径为2mm，金属螺旋弹簧每米重量为3.96g，即其线密度为3.96g/m；
选用24根1000D聚酯纤维复丝集束成一根支撑芯，得到纤维支撑芯，其线密度为2.7g/m，直径为1.9mm；
采用8股编织结构，将绳股编织成绳，在制绳过程中，将纤维支撑芯从编织机中心喂入8股编织绳索夹芯，同时将包塑不锈钢丝以弹簧螺旋方向相反的方向围绕支撑芯做圆周运动，缠绕于纤维支撑芯上，同步喂入到8股编织绳索夹芯中，调试绳皮节距为125mm，得到混合缆绳。
实施例3得到的混合缆绳直径为35.1mm，线密度为602.8g/m，断裂强力为130KN。
实施例4
实施例4公开的用于观测浮标锚系系统的混合缆绳，通过以下步骤制备：
选用840D聚丙烯纤维复丝为原料，纤维复丝的断裂强度≥7cN/dtex，断裂伸长率等于13％；
采用10根840D聚酯纤维复丝并为1根纱线，并丝过程中进行初捻，捻度为100捻/米，再将三根纱线并为一根绳纱，并线过程中复捻，捻度为80捻/米，初捻和复捻的捻向都分为S捻向和Z捻向两种，分别得到S捻向绳纱和Z捻向绳纱；
将7根绳纱并纱为1根绳股，结构为中间一股周围六股结构，即6+1结构，并纱过程中加捻，捻度为50捻/米，分别得到Z捻向和S捻向的绳皮绳股；
选用圆柱形包塑不锈钢丝制作螺旋拉伸弹簧，不锈钢丝直径为0.5mm，电阻率R＝3.7Ω/m，得到的螺旋拉伸弹簧内径为2mm，螺旋拉伸弹簧每米重量为5.5g，即其线密度为5.5g/m；
选用20根840D聚丙烯纤维复丝集束成一根支撑芯，得到纤维支撑芯，其线密度为1.9g/m，直径为1.9mm；
采用12股编织结构，将绳股编织成绳，在制绳过程中，将纤维支撑芯从编织机中心喂入12股编织绳索夹芯，同时将包塑不锈钢丝以弹簧螺旋方向相反的方向围绕支撑芯做圆周运动，缠绕于支撑芯上，同步喂入到12股编织绳索夹芯中，调试绳皮节距为110mm，得到混合缆绳。
实施例4得到的混合缆绳直径为30.1mm，线密度为267.4g/m，断裂强力为75KN。
本申请实施例公开的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，线密度小、断裂强度高，可以作为海洋观测浮标锚系系统上部锚系部分，起浮标系留、水下传感器悬挂固定和传输水下传感器的数据通道的作用，具有纤维锚系缆绳般柔软、质轻、容易布放的特点，在海洋观测浮标锚系系统中有良好应用前景。
本申请公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本申请的构思，并不构成对本申请技术方案的限定，凡是对本申请公开的技术细节所做的没有创造性的改变，都与本申请具有相同的发明构思，都在本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，该混合缆绳包括金属纤维混合绳芯和纤维绳皮，其中：
所述金属纤维混合绳芯包括金属螺旋弹簧和设置在所述金属螺旋弹簧内部的纤维支撑芯；
所述纤维绳皮由多股纤维绳股加捻编织而成；
所述金属纤维混合绳芯的质量含量不大于所述混合缆绳质量的20％，所述纤维绳皮的质量含量不小于所述混合缆绳质量的80％。
2.根据权利要求1所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述金属螺旋弹簧由金属丝制作而成，所述金属丝外侧包覆有塑料绝缘层。
3.根据权利要求1所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述金属螺旋弹簧的内径不大于所述混合缆绳直径的25％。
4.根据权利要求1～3任一项所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述纤维支撑芯与所述纤维绳皮由相同材质的纤维制成。
5.根据权利要求1～3任一项所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述纤维绳皮由相同数量的Z捻向纤维绳股和S捻向纤维绳股编织而成。
6.根据权利要求1～3任一项所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述纤维绳皮的纤维绳股的数量包括8股、12股、24股。
7.根据权利要求1～3任一项所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述纤维绳皮的纤维绳股由绳皮纤维经初捻、复捻得到。
8.根据权利要求5所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述纤维绳股的捻度设置为30～70捻/米。
9.根据权利要求7所述用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳，其特征在于，所述绳皮纤维的初捻捻度设置为60～120捻/米，所述绳皮纤维的复捻捻度设置为50～110捻/米。
10.一种海洋观测浮标锚系系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的用于海洋观测浮标锚系系统的混合缆绳。
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