一种锯刀式可潜极地科考船的制作方法

本发明涉及破冰船领域，更具体地说，涉及一种锯刀式可潜极地科考船。

背景技术：

最近这十年，随着陆地资源被不断的开采，一些油气资源也变得越来越少，因此，人们把目光投向了两极地区。南极洲的自然条件虽然非常险恶，但南极在大气循环，地球磁场，电离层，宇宙辐射等的科学研究上具有重大意义。此外，在南极附近的海域中还有丰富的生物资源，如鲸、海豹、企鹅、南极磷虾等，矿藏则有石油、煤、天然气、铀、金等上百种矿物。由于这样重要的科学及经济价值，南极洲现已成为地球上最大的“实验室”，不少国家纷纷在南极洲建立科学考察站。为了考察南极洲的邻近海域，给科学基地输送各种物资，要求极地破冰船能破碎2-4米厚的冰层，甚至有的冰层达8米。显然，破冰厚度越大，越能接近极地，这对缩短考察船与科学考察站之间的距离是十分有利的。因此，破冰船显示出了它的重要地位，主要任务是开辟新航道、进行极地救援和物质运输等。

传统破冰船利用本身惯性和自身重力对冰层进行冲撞，在遇到厚冰层时还需往后倒退一段距离，开足马力进行再次冲撞。其不能够持续有效地进行破冰及浮冰对船身阻力大是造成传统破冰船航速低的两个重要原因。

传统破冰船的船头呈折线型，为了使船头可以轻易的“爬”上冰面，一般把破冰船头部底线与水平线设计为20°～30°角；破冰船都设有专门的水舱作为破冰设备，一般都设置在它的船头、船尾和船腹两侧。当破冰船遇到较厚的冰层时，一般会加大船体尾部的重量，排空艏部的水舱，使船体艏部翘起，利用船艏部分的重量把冰压碎。为了压碎冰层，一般要求船艏的重量达到1000t左右，破冰船就可以很容易的压碎那些不太坚固的冰层。当然，如果遇到比较坚固的冰层时，可能利用上述方法无法破开冰层，破冰船往往要先后退一定的距离，然后开足马力猛冲过去，利用自身的惯性，把冰层冲开。破冰过程中需要对破冰船的浮态进行反复调整，对压载水进行反复调运，能耗大，效率低是其主要弊端，且对船首的结构强度要求极高。

为此，提高传统破冰船的破冰能力，开发新型科考船就变得尤为重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种锯刀式可潜极地科考船。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种锯刀式可潜极地科考船，包括主船体及安装在所述主船体上的主冰柱机构、附冰柱机构、可升降式上层建筑及冰爪机构；

所述主船体包括船首、与所述船首固定连接的平行中体及在所述船首开设的首部纵开孔，所述船首包括球鼻首及与所述平行中体固定连接的首部，所述首部的纵向剖面面积由上至下逐渐减小，所述首部纵开孔贯穿所述首部；

所述主冰柱机构包括基座台、安装在所述基座台上的主冰刀及锯齿条系统；所述主冰刀的切冰端与基座台成固定夹角，所述主冰刀的两侧设置有第一升降系统；所述主冰刀的横向剖面的中部比首尾两端宽；所述锯齿条系统包括环状锯齿及与所述环状锯齿啮合的主动力轮、多个承力轮、一对导向轮，所述环状锯齿工作时沿逆时针方向转动；

所述附冰柱机构包括附冰柱和压力轮系统，所述附冰柱由破冰装置和第一升降装置组成，所述附冰柱的两端分别安装有附冰刀和锯齿条系统，所述附冰柱的一端还设置第二升降系统；所述压力轮系统包括相互连接的压力轮和第一液压顶；

所述可升降上层建筑包括上层建筑、位于所述上层建筑两侧的履带装置及第二升降装置，所述第二升降装置由主升降装置和附升降装置组成，其中所述主升降装置由所述主冰柱机构的第一升降系统和所述上层建筑的齿轮系统组成，所述附升降装置由设置在所述上层建筑尾部两侧的卡槽、所述上层建筑的齿轮系统和所述附冰柱一端的第二升降系统组成；

所述冰爪机构包括棘轮、钻头、冰爪，所述钻头底部连接有连杆，所述连杆带动冰爪张开。

在上述方案中，所述履带装置包括履带及与所述履带配合的履带主动力轮、履带承力轮、履带导向轮；所述履带主动力轮由顶齿、承力钢圈和轮毂组成，所述顶齿与履带中的动力孔相匹配，所述承力钢圈与履带上的承力槽相匹配；所述履带承力轮由液压顶、弹簧和压力轮组成，所述压力轮与履带相匹配；所述履带由首尾环绕连接的多个履带单元组成。

在上述方案中，所述首部纵开孔的尺度为半径0.8m。

在上述方案中，所述主动力轮为大转矩齿轮，所述主动力轮给环状锯齿提供持续的转矩，其顶齿给积压在环状锯齿上的碎冰一个切向力；所述导向轮改变环状锯齿方向，使环状锯齿能够持续切冰工作；所述承力轮包括偏心轮、小转矩齿轮及连接所述偏心轮和小转矩齿轮的轴杆，所述偏心轮与环状锯齿啮合，使所述小转矩齿轮持续转动；所述环状锯齿包括链条齿及间隔安装在所述链条齿上的多个冰斗；所述链条齿采用两个片体的开式组合。

实施本发明一种锯刀式可潜极地科考船，具有以下有益效果：

1、本发明科考船可以在以下两种状态下工作：1)半潜航行持续破冰：上层建筑沿附冰柱垂直升起，履带装置和螺旋桨为船舶提供动力，主冰刀及锯齿条系统进行切冰工作；2)完全潜航行持续破冰：直达目标区域，对救援船舶周围进行切冰处理，实施救援。

2、本发明科考船能够迅速下潜，直接前往事发地点对受困船只进行救援，只需克服水对船体的阻力，极有效地减小了船舶阻力，极大程度上节省了能源的消耗，且降低了对船首的强度要求。

3、在极地船只在冰层中受困后，为了快速到达事发地点，该救援船能够快速下潜，在水中潜航到达事发地点进行救援，消除了传统破冰船在破冰过程中需要克服船体与冰层的阻力，且水底下极大地提高了救援船的机动性，能够以最快速度到达事发地点进行救援。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明一种锯刀式可潜极地科考船的结构示意图；

图2为本发明中主船体的结构示意图；

图3为本发明中主冰柱机构的结构示意图；

图4为本发明中锯齿条系统的结构示意图；

图5为本发明中承力轮的结构示意图；

图6为本发明中环状锯齿的结构示意图；

图7为本发明中附冰柱机构的结构示意图；

图8为本发明中可升降式上层建筑的结构示意图；

图9为本发明中履带装置的结构示意图；

图10为本发明中履带主动力轮的结构示意图；

图11为本发明中履带承力轮的结构示意图；

图12为本发明中履带单元的结构示意图；

图13为本发明中冰爪机构的结构示意图；

图14为本发明一种锯刀式可潜极地科考船在潜航破冰的状态图；

图15为本发明一种锯刀式可潜极地科考船在潜浮破冰的状态图。

图中：主船体1(其中：船首1.1，球鼻首1.11，首部1.12；平行中体1.2；首部纵开孔1.3)；主冰柱机构2(其中：基座台2.1；主冰刀2.2，第一升降系统2.21；锯齿条系统2.3，环状锯齿2.31，链条齿2.311，冰斗2.312，主动力轮2.32，承力轮2.33，偏心轮2.331，小转矩齿轮2.332，轴杆2.333，导向轮2.34)；附冰柱机构3(其中：附冰柱3.1，破冰装置3.11，第一升降装置3.12；压力轮系统3.2，压力轮3.21，第一液压顶3.22)；可升降式上层建筑4(其中：上层建筑4.1，上层建筑的齿轮系统4.11，卡槽4.12，第二升降系统4.13；履带装置4.2，履带4.21，履带单元4.211，履带主动力轮4.22，顶齿4.221，承力钢圈4.222，轮毂4.223，履带承力轮4.23，液压顶4.231，弹簧4.232，压力轮4.233，履带导向轮4.24，第二升降装置4.3)；冰爪机构5(其中：棘轮5.1，钻头5.2，冰爪5.3，连杆5.4)。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-15所示，本发明一种锯刀式可潜极地科考船，包括主船体1及安装在主船体1上的主冰柱机构2、附冰柱机构3、可升降式上层建筑4及冰爪机构5。

主船体1包括船首1.1、与船首1.1固定连接的平行中体1.2及在船首1.1开设的首部纵开孔1.3。其中，船首1.1包括球鼻首1.11及与平行中体1.2固定连接的首部1.12。球鼻首1.11在船舶漂浮航行时减小船舶的兴波阻力；首部1.12的纵向剖面面积由上至下逐渐减小，目的是减小冰层对首部1.12的破坏和水压对船首1.1甲板的载荷。

首部1.12的甲板面积仅为其对应水线面面积的56.7％。船首1.1具有减小水压和增大破冰应力：1)在船舶潜航破冰时，减小水头对船舶的压力，其压力减额达43.3％，有效地减小了船舶的首部1.12压力载荷；2)在船舶遭遇薄冰时，尖瘦的首部1.12能够提供大应力，并减少冰层对穿透的接触面积，减小冰层对船体的接触损伤。

首部纵开孔1.3贯穿首部1.12，首部纵开孔1.3的尺度为半径0.8m，在漂浮航行时关闭该开孔，在潜航时打开该开孔并使其中的螺旋桨工作。首部纵开孔1.3的主要作用为调整船舶的纵稳性：1)在救援船潜航时，完全丧失纵稳性，通过首部纵开孔1.3中的螺旋桨工作，给船一个回复力矩，维持救援船的纵稳性；2)在船舶进行破冰工作时，由于冰层对主冰刀2.2产生的力矩和螺旋桨、履带4.21产生的力矩不对等，会对船舶的纵稳性产生不利影响，需用该开孔对其进行修复。

主冰柱机构2包括基座台2.1、安装在基座台2.1上的主冰刀2.2及锯齿条系统2.3。其中，主冰刀2.2的切冰端与基座台2.1成固定夹角θ，在主冰刀2.2工作时，承力部分主要在切冰段，作用力F垂直作用于切冰段指向主冰刀2.2，其水平分力为F·sinθ，该作用力对基座台2.1处所产生的弯矩为Flsinθ，倾斜的主冰刀2.2设计有效地减小了基座台2.1的载荷。主冰刀2.2的两侧设置有第一升降系统2.21，用于控制上层建筑4.1的升降。主冰刀2.2的横向剖面的中部比首尾两端宽，其首尾两端开设有与主冰刀2.2和锯齿条系统2.3相匹配的卡槽，在其工作时，锯齿条系统2.3具有切冰的作用，而船体和履带4.21推动逐渐变宽的主冰刀2.2将冰缝劈开。

锯齿条系统2.3包括环状锯齿2.31及与环状锯齿2.31啮合的主动力轮2.32、多个承力轮2.33、一对导向轮2.34，环状锯齿2.31工作时沿逆时针方向转动。主动力轮2.32为大转矩齿轮，主动力轮2.32给环状锯齿2.31提供持续的转矩，其顶齿给积压在环状锯齿2.31上的碎冰一个切向力，起到清理环状锯齿2.31的作用。导向轮2.34主要起改变环状锯齿2.31方向的作用，使环状锯齿2.31能够持续切冰工作。承力轮2.33包括偏心轮2.331、小转矩齿轮2.332及连接偏心轮2.331和小转矩齿轮2.332的轴杆2.333。其中，偏心轮2.331通过环状锯齿2.31与主动力轮2.32相连接，使小转矩齿轮2.332持续转动，轴杆2.333是将环状锯齿2.31传递给偏心轮2.331的力传递给冰柱。偏心轮2.331主要有两方面的作用：1)周期性转动的偏心轮2.331由于转动轴与圆心有一个偏心距，会对环状锯齿2.31产生一个周期性的冲击力，以增强环状锯齿2.31的破冰能力；2)将冰层对环状锯齿2.31的反作用力传递给冰柱。

环状锯齿2.31包括链条齿2.311及间隔安装在链条齿2.311上的多个冰斗2.312；链条齿2.311采用两个片体的开式组合，可以在冰斗2.312运动到主动力轮2.32时，通过主动力轮2.32的顶齿将积压在冰斗2.312中的碎冰清理掉，使之持续正常运转，其另一个主要作用是将偏心轮2.331的周期性冲击力传递给冰斗2.312。我们设计的冰斗2.312的开口面积大，尾部面积小，底部跨距大，顶端仅收，该设计的目的是：1)开口面积大，可以增大进冰量，提高破冰效率；2)尾部开口小，可以在链条齿2.311运动到水下时兜住水，延长水在冰斗2.312中的时间，以达到加热链条齿2.311的目的。

在进行潜航切冰时，由于冰层底下的海水为4℃恒温，考虑到钢材在低温下的极脆性，我们设置锯齿条系统2.3工作时为逆时针转动进行切冰，起到的作用有两个方面：1)本救援船的工作状态为潜航，此时浮力为主要作用力，逆时针切冰主要产生压应力，靠主潜体的浮力平衡，能降低基座台2.1处受损的风险；2)在极端低温条件下钢材的脆性强，旋转进入海水中可以为环状锯齿2.31升温，改善极端条件下的材料特性。

附冰柱机构3包括附冰柱3.1和压力轮系统3.2。附冰柱3.1由破冰装置3.11和第一升降装置3.12组成，破冰装置3.11的外形大致与主冰柱相同，主要起辅助破冰、维持救援船在潜航破冰时的横稳性及对上层建筑4.1进行升降的作用。附冰柱3.1的两端分别安装有附冰刀和锯齿条系统2.3，在破冰时辅助主冰刀2.2进行破冰工作，在漂浮航行时，附冰柱3.1通过船底的第一升降装置3.12降入船体中，以提高整个船体的横稳性；在进行破冰工作时，位于两侧的附冰柱3.1受到两边冰层的压力，提高船舶的横稳性，同时减小了主冰刀2.2上的应力集中。附冰柱3.1的一端还设置第二升降系统4.13，用于控制上层建筑4.1的升降。压力轮系统3.2包括相互连接的压力轮3.21和第一液压顶3.22。其中压力轮3.21顶端的防滑齿开口大，逐渐缩小，贯穿外围轮廓，以防在承力过程中碎冰的积累导致抓冰能力减弱，压力轮3.21通过下端相连接的第一液压顶3.22和齿轮机构实现自动升降，在破冰时与上端的履带4.21夹住冰层，保证船舶在破冰过程中稳定航行。第一液压顶3.22将冰层给压力轮3.21的压力传递给主船体的强构件，压力轮3.21的另一部分压力由冰柱上的自锁装置和齿轮通过冰柱传递给主船体，以实现压力平衡。

可升降上层建筑4包括上层建筑4.1、位于上层建筑4.1两侧的履带装置4.2及第二升降装置4.3。第二升降装置4.3由主升降装置和附升降装置组成；其中主升降装置主冰柱机构2的第一升降系统2.21和上层建筑4.1的齿轮系统4.11组成，在上层建筑4.1升降过程中承担主要任务；附升降装置由设置在上层建筑4.1尾部两侧的卡槽4.12、上层建筑4.1的齿轮系统4.11和附冰柱3.1一端的第二升降系统4.13组成，在上层建筑4.1升降过程中主要起到增强其横向稳性，分担主升降装置压力的作用。

履带装置4.2包括履带4.21及与履带4.21配合的履带主动力轮4.22、履带承力轮4.23、履带导向轮4.24，履带承力轮4.23均匀分布在履带主动力轮4.22和履带导向轮4.24，以防止作用力不均匀。履带主动力轮4.22由顶齿4.221、承力钢圈4.222和轮毂4.223组成；顶齿4.221与履带4.21的动力孔相匹配，主要作用是将传递传动轴的动力，带动履带4.21工作，从而推进上层建筑4.1；承力钢圈4.222与履带4.21的承力槽相匹配，主要起到将履带4.21压力传递给轮毂4.223和履带导向轮4.24的作用；我们设计的轮毂4.223在保证强度不变的情况下，开有周向减轻槽和径向减轻孔，以减小上层建筑4.1的负重。履带承力轮4.23由液压顶4.231、弹簧4.232和压力轮4.233组成，压力轮4.233与履带4.21相匹配，上层建筑4.1的压力主要通过压力轮4.233传递给履带4.21；液压顶4.231和弹簧4.232的主要作用是减震，在行驶过程中遇到崎岖地形时，弹簧4.232的压缩和液压顶4.231的拉伸使压力轮4.233与履带4.21之间始终保持一定压力，以不至于发生空转，保证良好的传递作用。

履带4.21由首尾环绕连接的多个履带单元4.211组成，主要作用时传递压力，获取冰层上的摩擦力，以该船舶提供动力。为了适应冰区的地形和冰的物理特性，履带单元4.211底部设置有三道抓地齿，其中前两道抓地齿较厚、间距较窄，主要是传递压力，获得冰层上的摩擦力，靠后的一道抓地齿较尖瘦，主要作用是在履带4.21局部曲率较大的地方保证履带4.21同样能获得足够大的摩擦力，以防止打滑。在履带单元4.211的顶部开有弧形的凹槽，与履带主动力轮4.22、履带承力轮4.23、履带导向轮4.24上的凸轮相匹配，保证在履带4.21曲率较大的地方与履带主动力轮4.22、履带承力轮4.23、履带导向轮4.24紧密贴合；另一主要作用是传递压力，防止应力集中。

冰爪机构5包括棘轮5.1、钻头5.2、冰爪5.3，钻头5.2底部连接有连杆5.4，连杆5.4带动冰爪5.3张开。在救援船潜航到目的地，完成切冰任务后，将冰爪5.3弹射到浮冰底部，通过液压装置将钻头5.2往回收，钻头5.2底部的连杆5.4将会带动冰爪5.3张开，卡在冰层中，以实现冰爪5.3对浮冰的固定，在完成任务后，将钻头5.2顶出，可以将冰爪5.3收缩，从而拉出冰爪5.3。

本发明科考船主要分为两种工作状态：1)为极地科考船、极地渔船或其他极地航行船舶破冰引航；②在极地航行船舶遇困时，对船舶实施救援。

在潜航破冰状态，分破冰准备阶段和破冰阶段：在第一个阶段，科考船先在海面上处于漂浮状态，此时船舶自由航行。升起附冰柱3.1，打开首部纵开孔1.3，然后上层建筑4.1沿主冰柱机构2垂直升起；同时，压载水舱注水，甲板舱口盖关闭，然后半潜航行，首部螺旋桨调整纵稳性，持续进行半潜航行。在第二个阶段，在主冰刀2.2刀中安装冰锯，附冰刀，然后电锯开始锯冰，偏心轮2.331与其同时工作；同时，伸出履带4.21，下降上层建筑4.1到冰层上，液压顶4.231工作，将压力轮4.233顶出，与底层冰紧贴，然后履带4.21、压力轮4.233和首部螺旋桨同时工作，调整冰刀受力和船舶稳性。这就完成破冰工作。

在科考船潜浮破冰状态，分准备阶段、潜航阶段、破冰阶段和上浮救援阶段。在第一阶段，在海面上处于漂浮状态，此时船舶自由航行，然后潜水航行，首部螺旋桨调整纵稳性，同时压载水舱注水，甲板舱口盖关闭。在第二阶段，持续进行潜水航行。在第三个阶段，压载水舱排水，准备上浮，同时，在主冰刀2.2刀中安装冰锯，附冰刀，液压顶4.231工作，将压力轮4.233顶出，与底层冰紧贴；然后电锯开始锯冰，偏心轮2.331与其同时工作，同时履带4.21、压力轮4.233和首部螺旋桨同时工作，调整冰刀受力和船舶稳性。在第四个阶段，将冰爪5.3弹射到浮冰层中，伸开冰爪5.3，科考船下潜拉开浮冰，松开冰爪5.3。完成切并工作，科考船上浮，展开救援工作。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。