一种极地破冰船用辅助破冰设备的制作方法

本发明涉及海洋工程装备技术领域，具体为一种极地破冰船用辅助破冰设备。

背景技术：

破冰船破冰的原理是这样的：破冰船同其他船比较，有自己的特点：它的船头造成折线型，使头部底线与水平线成20至35度角，船头可以“爬”到冰面上；它的船头、船尾和船舷两侧，都备有很大的水舱，作为破冰设备。破冰船遇到冰层，就把翘起的船艏爬上冰面，靠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。如果遇到很厚的冰层，冲几下也冲撞不开，破冰船就会利用水泵，灌满尾部的水舱，使得船舶的重心后移，船头抬高，这时，开足马力，“爬”上冰面，接着抽空尾部水舱里的水，同时灌满艏部水舱的水，这样，船艏部的重力就会非常大，很厚的冰层也会被压碎。利用这种方式，破冰船会慢慢向前移动，在冰面上打开一个通道。

破冰船的攀爬式破冰方式造成其船艏部所受冰层的磨损、挤压等力度较大，容易造成损伤；因此为降低船艏部的损伤以及提高破冰的效果，现有技术中出现了许多辅助破冰的设备，但是大多采用电能转化成机械能或者动能的方式来凿击冰层，因此往往需要耗费大量的能源。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的现有辅助破冰设备在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种极地破冰船用辅助破冰设备，具备低能耗、破冰效果高，船体损伤小的优点，解决了上述背景技术中提出的船艏部损伤大以及破冰辅助设备能源消耗大的问题。

本发明提供如下技术方案：一种极地破冰船用辅助破冰设备，包括船体和凿冰锤，所述船体的下端安装有竖向伸缩杆，所述竖向伸缩杆的伸长端连接有横向伸缩杆，所述横向伸缩杆的伸长端安装有电磁底座和单边伸缩杆，所述单边伸缩杆的固定端安装在横向伸缩杆上，所述单边伸缩杆的伸长端连接在电磁底座的一端，所述电磁底座的另一端转动连接在横向伸缩杆上，所述横向伸缩杆的伸长端固定连接有回弹绳，所述回弹绳远离横向伸缩杆的一端与凿冰锤固定连接，所述凿冰锤上安装有电磁块，所述凿冰锤可卡接在电磁底座内，所述凿冰锤的数量为两个，两个所述凿冰锤在竖直方向上向船体一侧倾斜，两个所述凿冰锤在水平方向上分别向船体的船舷两侧倾斜。

优选的，所述凿冰锤包括锤体，所述锤体的顶端呈尖锥形，所述锤体的外壁上固定套接有液轮，所述锤体的外周设有环形支撑架，所述锤体和环形支撑架之间安装有轴承，所述环形支撑架上罩设有气囊，所述环形支撑架的上下两端均周向连接有固定滑座，所述气囊的内部连接有支撑内杆，所述支撑内杆的两端均滑动连接在固定滑座中。

优选的，位于所述气囊最外边缘的支撑内杆的上下两端贯穿至固定滑座的内部，所述支撑内杆位于固定滑座内部的一端安装有固定磁块，所述固定滑座的内腔转动安装有靠近环形支撑架一侧的旋转磁块，所述旋转磁块的中部连接有旋转控制器。

优选的，所述锤体的内部固定安装有压缩机，所述锤体的上端开设有气道，所述压缩机的出气端延伸至气道中，所述压缩机的进气端连接有出气管，所述出气管与气囊的内腔相连通，所述锤体尖端的外壁上均匀开设有排气孔，所述锤体的内部安装有位于气道内的气轮，所述气轮的外壁上固定连接有凿冰刀组件。

优选的，所述锤体的侧面设有存刀腔，所述凿冰刀组件位于存刀腔内，所述凿冰刀组件包括转动架、刀片和弹性带，所述转动架由两根连杆铰接且两根连杆分别与气轮和刀片连接，所述弹性带的两端分别连接在连杆和锤体的内壁上，所述刀片沿其转动方向倾斜向下。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过在船体的前方设置凿冰锤，并主要通过利用气囊的浮力做功转化成锤体对冰层凿击的动能，摒弃了现有技术中主要利用电能转化成对冰层凿击的动能实现辅助破冰的方式，因此降低了凿击冰块的能耗，有效节约了能源消耗，提高了本设备的节能性能。

2、本发明通过设置凿冰锤在船体前侧的水平倾斜位置，利用锤体内的高压气流将冰块推移至船体的后侧方，不仅避免冰块移动至船体前方冰层下方造成破冰困难的问题，同时也可将冰块推移至远离船体两侧的位置，降低船体与冰块之间摩擦造成的磨损，起到了对船体的保护作用。

3、本发明通过利用凿冰锤倾斜凿击冰层的方案，使得冰层倾斜碎裂，降低了冰层间的支撑应力，可降低船体攀爬碎冰时冰层对船体的反向力，因此降低了冰层对船体的损坏，另外通过将气囊内的气体压缩后释放，将气体的内能转化成凿冰刀组件的旋转动能，起到对冰层进行旋切的作用，进一步降低冰层的硬度和厚度，为船体的破冰效果起到了良好的辅助作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明船体和凿冰锤的位置示意图；

图3为本发明凿冰锤的结构示意图；

图4为图3的a处放大结构图；

图5为图3的b处放大结构图；

图6为本发明凿冰锤的俯视结构示意图；

图7为本发明凿冰刀组件处结构示意图。

图中：1、船体；2、凿冰锤；3、竖向伸缩杆；4、横向伸缩杆；5、电磁底座；501、电磁块；6、单边伸缩杆；7、回弹绳；8、锤体；801、气道；802、排气孔；803、存刀腔；9、环形支撑架；10、轴承；11、气囊；12、固定滑座；1201、固定磁块；1202、旋转磁块；1203、旋转控制器；13、支撑内杆；14、液轮；15、出气管；16、压缩机；17、气轮；18、凿冰刀组件；1801、转动架；1802、刀片；1803、弹性带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，一种极地破冰船用辅助破冰设备，包括船体1和凿冰锤2，船体1的下端安装有竖向伸缩杆3，竖向伸缩杆3的伸长端连接有横向伸缩杆4，横向伸缩杆4的伸长端安装有电磁底座5和单边伸缩杆6，电磁底座5的一端转动连接在横向伸缩杆4上，单边伸缩杆6的伸长端转动连接在电磁底座5的另一端，横向伸缩杆4上连接有回弹绳7，回弹绳7远离横向伸缩杆4的一端固定连接在凿冰锤2上，凿冰锤2上安装有电磁块501，电磁底座5为设有通电导线的底座，当需要将凿冰锤2向上推进时，给导线通入电流使得导线产生的磁场与电磁块501相排斥，从而为凿冰锤2施加与电磁底座5垂直的力，参阅图1，可理解为倾斜的力，当需要将凿冰锤2向下拉使凿冰锤2移动至电磁底座5处时，则使得导线产生的磁场与电磁块501相互吸引，回弹绳7在凿冰锤2向下移动的过程中，用于辅助凿冰锤2准确回到电磁底座5处。

参阅图1和2，凿冰锤2的数量至少两个，凿冰锤2位于船体1前侧的冰层下方，两个凿冰锤2在竖直方向上向船体1的方向倾斜，这样，凿冰锤2撞击在冰层上时产生的主裂纹的方向是向上倾斜靠近船体1的，那么当船体1再利用其自身重力攀爬至冰层上方时，由于倾斜裂缝下方冰层对裂缝上方的冰层支撑的应力变小，则能够更好的将冰层压碎，提高破冰的效率，且能够降低冰层对船体1的损坏；两个凿冰锤2在水平方向上分别向船体1的船舷两侧倾斜，由于本申请凿冰锤2是可喷射出气流的，因此喷射的气流可将凿冰锤2凿破的冰块向船体1的后侧方推移，向船体1后侧推移的目的是为了防止冰块移动至船体1前侧的冰层下方，造成破冰困难的问题，向船体1两侧推移的目的在于利用气流将船体1侧边的冰块向两侧推移，减少冰块对船体1外壁的摩擦损伤；

参阅图3，凿冰锤2包括锤体8，锤体8的中下段呈圆柱状，锤体8的顶端呈尖锥形，锤体8的外壁上固定套接有液轮14，当锤体8向上移动时，海水从液轮14中流过，从而使得液轮14可旋转，液轮14继而带动锤体8旋转，因此锤体8是旋转向上击打冰层，可提高对冰层的击凿效果；锤体8的外周设有环形支撑架9，环形支撑架9的主形状呈环柱状，环形支撑架9的上下两端均镂空，环形支撑架9与锤体8之间通过轴承10连接，因此，当锤体8旋转时，环形支撑架9不用旋转，可降低环形支撑架9以及环形支撑架9上连接的部件对旋转力的消耗，从而起到最大化锤体8旋转力的作用；环形支撑架9罩设有气囊11，环形支撑架9的上下两端均轴向连接有固定滑座12，气囊11的内部连接有支撑内杆13，支撑内杆13的两端滑动连接在固定滑座12中，当支撑内杆13向固定滑座12远离环形支撑架9的一侧移动时，则可将气囊11撑开，而当支撑内杆13移动至固定滑座12的最外侧时，气囊11完全撑开，完全撑开即表示气囊11不会在海水的压强下向内过大的凹陷，而是边缘相对圆滑，这样，当利用气泵向气囊11内充气时，气泵内不会受到过大的反向作用力，可提高气泵的使用寿命，海水的反向力均由固定滑座12、支撑内杆13等结构较为简单且硬度较大的材料吸收，而固定滑座12、支撑内杆13便于更换，因此有利于提高还设备的性价比；当气泵给气囊11内充气时，则气囊11受到的浮力增大，锤体8因此具有向上的冲击力；

固定滑座12由金属材料制成，位于气囊11最外边缘的支撑内杆13的上下两端均贯穿至固定滑座12的内部，支撑内杆13位于固定滑座12内部一端的外壁上固定安装有固定磁块1201，固定滑座12的内腔转动安装有靠近环形支撑架9一侧的旋转磁块1202，旋转磁块1202上安装有旋转控制器1203，旋转磁块1202可转动，当旋转磁块1202与固定磁块1201同极相对时，固定磁块1201带动支撑内杆13向固定滑座12的外侧移动，从而将气囊11撑开，当旋转磁块1202与固定磁块1201异极相对时，固定磁块1201带动支撑内杆13向靠近环形支撑架9的一侧移动，从而将气囊11压缩；旋转控制器1203用于控制旋转磁块1202旋转；

锤体8的内部固定安装有压缩机16，锤体8的上端开设有气道801，压缩机16的出气端延伸至气道801中，压缩机16的进气端连接有出气管15，出气管15上安装有电磁阀，出气管15与气囊11的内腔相连通，锤体8的尖端外壁上均匀开设有排气孔802，锤体8的内部安装有位于气道801内的气轮17，气轮17的外壁上固定连接有凿冰刀组件18，当锤体8的尖端凿入冰层中后，则打开电磁阀，启动旋转控制器1203使得旋转磁块1202与固定磁块1201异极相对，气囊11在海水压力以及固定磁块1201与旋转磁块1202吸引力的作用下收缩，气囊11内的气体通过出气管15进入压缩机16中，经过压缩后进入气道801内，压缩空气向上流动，带动气轮17旋转，从而带动凿冰刀组件18旋转，气流穿过气轮17后，通过排气孔802流出，冲击冰层，促使锤体8从冰层中脱落，当锤体8从冰层中脱落后，气流在冰层下方，向船体1的两侧流动，使得冰块向船体1的后侧方移动，避免冰块阻碍后续的破冰以及减少冰块对船体1外壁的摩擦破损；

锤体8的侧面开设有存刀腔803，凿冰刀组件18位于存刀腔803的内部，凿冰刀组件18包括转动架1801、刀片1802和弹性带1803，转动架1801由两根连杆铰接且两根连杆分别与气轮17和刀片1802连接，弹性带1803的两端分别连接在连杆和锤体8的内壁上，正常情况下弹性带1803的拉力将转动架1801和刀片1802束缚在存刀腔803中，锤体8在凿击冰层时，凿冰刀组件18也可以穿进冰层中，当锤体8要从冰层中脱离时，此时，气囊11内的气流经过压缩机16的压缩后形成高压气流，高压气流冲击在气轮17上使得气轮17高速旋转，转动架1801和刀片1802在离心力的作用下克服弹性带1803的拉力而旋转出存刀腔803内，冰层起到旋转切割的作用，进一步促进冰层的破碎，那么刀片1802在锤体8的后移和气轮17的旋转下，其轨迹为螺旋向下，刀片1802沿其转动方向倾斜向下，刀片1802的旋转方向即为气轮17的旋转方向，旋转方向上，刀片1802的前端低后端高，且外边缘为弧形，有利于提高对冰层的切割效果，也能防止卡刀；

竖向伸缩杆3用于控制凿冰锤2与船体1之间的垂直距离，由于气囊11撑开后其所受的浮力与重力均是固定的，那么凿冰锤2下潜的深度越深，浮力做功越大，那么凿冰锤2撞击冰尘的动能也会越大；横向伸缩杆4用于调整凿冰锤2位于船体1前端的位置，使得凿冰锤2既能够将气流冲击在船体1的两侧，又能够最大化凿冰的效果，这些具体的位置、角度等数据均可以通过实验获取；

本申请中，主要利用浮力做的功转变成凿冰锤2对冰层凿击的动能，其余部件耗能低，结构简单，造价低，便于更换，因此可有效提高本设备的性价比；另外本设备中的凿冰锤2与冰层接触时，当受到冰层的反向力时，可向后移动一定距离，起到缓冲的作用，可有效降低对凿冰锤2的损坏。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。