CN104314127B - 一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器,适用于500米及500米以内深海硬质土海床，属于海洋工程装备技术领域。其主要包括外部支架、外旋转圆筒、刀齿、上悬挂圆筒、下支撑柱、犁铧、喷嘴、高压水管、内圆筒、挡板、密封橡胶隔水垫、电机、输出传动轴、联轴器、上下平面定轴轮系、顶盖、底盖、轴承等主要部件组成。电机通过上下平面定轴轮系带动上下顶盖、外旋转圆筒及刀齿的旋转，实现海床破土的功能，经高压水管及喷嘴喷射的高压水可以击碎硬质土，减小刀齿切削阻力，液化的土壤经泥浆泵吸管吸出，实现海底开沟的功能。本发明具有开沟大深度化、工作效率高、环境适应性强、社会经济效益显著等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，适用于500米及500米以内深海硬质土海床,属于海洋工程装备技术领域。
技术背景
目前,随着我国对能源需求依赖程度的不断增加,海洋油气资源的开发与利用正得到前所未有的发展，海底挖沟技术作为海洋工程技术领域中的重要组成部分，正日益展现出举足轻重的地位。在海底输油(气)管道中，海底管道挖沟机是进行海底管道埋设保护的重要装备，管道处于海底，大部分需要埋设在海底土壤之中一定深度，一些处于波浪破碎带或潮差带之中的管道，受风浪、潮流等影响较大，有时可能被海中漂浮物撞击或船舶抛锚等因素破坏，因此要保证海底管道在其设计使用期限内不发生意外事故、实现油气资源的安全输送，一般需要对海底管道进行埋设保护，而管道的埋设保护，需要用到海底挖沟技术。所谓海底挖沟技术即是一般利用船舶拖带挖沟机，通过开沟器在海床开出一条沟槽，将管道沉放在沟槽中，然后再回填挖出的泥土，实现管道的埋设。
开沟器是海底挖沟机的关键组成部分之一，其设计的好坏直接影响海底挖沟的质量、挖沟机寿命的长短、管道在埋深土壤中的稳固程度以及工作效率的高低。现今世界上挖沟机开沟器多采用机械与水力冲射复合形式，机械与水力多采用安装在挖沟机不同部位的独立结构单元，这样不仅大大占用了挖沟机的运作空间，同时也降低了开沟效率。在硬质土海底管道装备技术研发中，挖沟机开沟器大多适用于浅海水域，且挖沟深度和宽度都比较小，很难适应在复杂地质环境中开沟作业的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，可降低开沟器在挖沟机中的占用空间，大大的提高工作效率，同时，可开挖出深为4m，上槽口宽为2m，下槽底宽为1.3m的梯形沟槽，从而可以满足在复杂地质环境中开沟作业的要求。
本发明任务解决其技术问题所采用的技术方案是：一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，主要由液压推动杆、销轴、透水遮挡板、防护罩、泥浆泵吸管、遮挡板上支架、遮挡板下支架、上悬挂圆筒、下支撑柱、悬架、橡胶隔水密封垫、顶盖、底盖、上推力圆锥滚子轴承、下推力圆锥滚子轴承、密封垫、上衬垫、下衬垫、紧固螺栓、外旋转圆筒、刀齿、喷嘴、密封垫、上推力圆柱滚子轴承、下平面定轴轮系、下推力圆柱滚子、轴承、电机、电机座、电机输出轴、联轴器、动力输出轴、键、高压水管、支架、出水口、挡板Ⅱ、挡板Ⅲ、上平面定轴轮系、犁铧、内圆筒组成，悬架通过销轴与挖沟机主体架铰接在一起,液压推动杆一端与挖沟机主体架连接在一起,一端通过销轴与透水遮挡板相铰接,从而可以使旋转开沟器在液压推动杆作用力的作用下,通过支架能够自由的在其水平姿势与垂直姿势之间相互转变,进而可以有效的控制挖沟深度,带有防护罩的泥浆泵吸管固定在透水遮挡板下部,遮挡板上支架与遮挡板下支架分别与上悬挂圆筒与下支撑柱相连,下支撑柱与犁铧相连，上悬挂圆筒上部与悬架相铰接,下部与推力圆锥滚子轴承相连,并在筒顶部覆有橡胶密封垫,顶盖与底盖分别与上推力圆锥滚子轴承、下推力圆锥滚子轴承的上端面相连接，并在顶盖与上圆筒的缝隙位置处覆有密封垫，顶盖与底盖又分别通过上衬垫与下衬垫由紧固螺栓与外旋转圆筒固定在一起，外旋转圆筒外曲面上覆有呈规律排列的刀齿和喷嘴，刀齿由刀座、刀杆、刀片三部分组成，刀片的侧面分布着呈规律排列的相交错半圆锥体切口刀齿，可以切磨较为坚硬的岩层,刀齿呈有规律的分布在外旋转圆筒外表面上，并从外旋转圆筒的顶部到底部呈现出不断缩小的比例变化,喷嘴内部安装有单向流通阀，单向流通阀呈锥体形状，当喷嘴经过高压水区域时，单向流通阀在高压水的作用下阀口打开，高压水流经阀口由喷嘴喷出，当高压水压力减小至与外部海水压力相等时，阀口关闭，有效阻止外部海水进入,减轻旋转开沟器的重量,有效缓解轴承与支撑柱的承受压力,上平面定轴轮系上部与顶盖相连接，其下部与上推力圆柱滚子轴承上端面连接，下平面定轴轮系上部与下推力圆柱滚子轴承下端面相连接，其下部与底盖相连接，内圆筒的上端面与下端面分别与上推力圆柱滚子轴承的下端面与下推力圆柱滚子轴承的上端面相连接，电机通过电机座固定在内圆筒内壁上，电机输出轴通过联轴器与动力输出轴相连，动力输出轴与上、下平面定轴轮系通过键连接传递动力，带动平面定轴轮系旋转，另一方面，高压水管在经支架的约束下与内圆筒上的出水口相连接，在挡板Ⅱ、挡板Ⅲ、挡板隔水垫、内圆筒外壁、外旋转圆筒内壁及顶盖与底盖围成的封闭区域内形成高压水区域，高压水从经此区域经过的喷嘴喷出,高压水管内置于旋转开沟器之内,不仅可以节省在挖沟机中的占用空间,而且可以大大的提高工作效率。
本发明的有益效果是：
上述旋转开沟器的实施，可降低开沟器在挖沟机中的占用空间，大大的提高工作效率，同时，可开挖出深为4m，上槽口宽为2m，下槽底宽为1.3m的梯形槽沟，具有开沟大深度化、工作效率高、复杂地质环境适应性强、社会经济效益显著等优点。
附图说明
图1旋转开沟器局部零件剖开示意图
图2旋转开沟器外部整体结构示意图
图3旋转开沟器内部结构示意图
图4旋转开沟器上平面定轴轮系位置处局部放大示意图
图5旋转开沟器支架结构示意图
图6旋转开沟器上平面定轴轮系与上推力圆柱滚子轴承示意图
图7旋转开沟器上平面定轴轮系与上推力圆柱滚子轴承局部零件剖开示意图
图8旋转开沟器上平面定轴轮系与下推力圆柱滚子轴承示意图
图9旋转开沟器上平面定轴轮系与下推力圆柱滚子轴承局部零件剖开示意图
图10旋转开沟器刀齿主视图
图11旋转开沟器刀齿左视图
图12旋转开沟器刀齿俯视图
图13旋转开沟器刀齿结构示意图
图14旋转开沟器喷嘴与单向流通阀局部剖开结构示意图
图1、2、3、14中1.遮挡板下支架，2.防护罩，3.泥浆泵吸管，4.透水遮挡板，5.销轴，6.液压推动杆，7.遮挡板下支架，8.喷嘴，9.单向流通阀，10.外旋转圆筒，11.上衬垫，12.顶盖，13.橡胶隔水密封垫，14.悬架，15.上悬挂圆筒，16.密封垫，17.上推力圆锥滚子轴承，18.支架，19.上平面定轴轮系，20.上推力圆柱滚子轴承，21.出水口，22.高压水管，23.电机，24.刀齿，25.电机座，26.电缆，27.电机轴，28.联轴器，29.动力输出轴，30.下从动斜齿轮支撑座，31.下平面定轴轮系，32.下推力圆柱滚子轴承，33.键，34.紧固螺栓，35.底盖，36.下推力圆锥滚子轴承，37.下衬垫，38.下支撑柱，39.犁铧，40.挡板Ⅲ，41.内圆筒，42.挡板Ⅰ,43.挡板Ⅱ,44.挡板Ⅳ，45.挡板Ⅴ。
图4中19.上平面定轴轮系，20.上推力圆柱滚子轴承，40.挡板Ⅲ,401.挡板Ⅲ密封隔水垫，41.内圆筒，42.挡板Ⅰ，421.挡板Ⅰ密封隔水垫，43.挡板Ⅱ,431.挡板Ⅱ密封隔水垫,44.挡板Ⅳ,441.挡板Ⅳ密封隔水垫，45.挡板Ⅴ,451.挡板Ⅴ密封隔水垫。
图5中181.支架隔板，182.高压水管约束管，183.电缆约束管，184.上从动斜齿轮支柱。
图6、7中191.上外部内啮合斜齿轮，192.上从动斜齿轮，193.上从动斜齿轮轴承，194.键槽，195.上主动斜齿轮，20.上推力圆柱滚子轴承。
图8、9中311.下外部内啮合斜齿轮，312.下从动斜齿轮，313.键槽，314.下主动斜齿轮，315.下从动斜齿轮轴承，30.下推力圆柱滚子轴承。
图11、12、13、14中241.半圆锥体切口刀齿，242.前部刀齿，243.刀齿杆，244.刀齿座。
具体实施方式
如附图1、2、3、14所示，一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，主要由液压推动杆6、销轴5、透水遮挡板4、防护罩2、泥浆泵吸管3、遮挡板上支架7、遮挡板下支架1、上悬挂圆筒15、下支撑柱38、悬架14、橡胶密封隔水垫13、顶盖12、底盖35、上推力圆锥滚子轴承17、下推力圆锥滚子轴承36、密封垫16、上衬垫11、下衬垫37、紧固螺栓34、外旋转圆筒10、刀齿24、喷嘴8、单向流通阀9、上推力圆柱滚子轴承20、下平面定轴轮系31、下推力圆柱滚子轴承32、电机23、电机座25、电机轴27、联轴器28、动力输出轴29、键33、高压水管22、电缆26、支架18、出水口21、挡板Ⅱ42、挡板Ⅲ40、上平面定轴轮系19、犁铧39、内圆筒41组成，悬架14通过销轴5(附图2中所示，此处销轴与液压推动杆处的销轴相同)与挖沟机主体架铰接在一起,液压推动杆6一端与挖沟机主体架连接在一起,一端通过销轴5与透水遮挡板4相铰接,从而可以使旋转开沟器在液压推动杆6作用力的作用下,通过遮挡板上支架7、遮挡板下支架1，能够自由的在其水平姿势与垂直姿势之间相互转变,进而可以有效的控制挖沟深度,能够有效的做到管道小角度沉放与小角度出沟，带有防护罩2的泥浆泵吸管3固定在透水遮挡板4下部,旋转开沟器工作时，泥浆泵吸管3可以将液化的土壤吸出沟槽，一些较大的未被击碎的泥块或石块，由于受到防护罩2的阻挡，不能够进入泥浆泵吸管3，被继续留在刀齿24及喷嘴8的工作区域，或直至被击碎，或受到透水遮挡板4的作用将其推排在沟槽的两侧。如附图1中所示，电机23在电缆26的作用下得到电能，带动电机轴27的旋转，经联轴器28将动力传送给动力输出轴29，如图6、7、8、9中所示，平面定轴轮系中的上主动斜齿轮195与下主动斜齿轮314通过键33与动力输出轴29相联接，动力输出轴29的旋转，带动上、下主动斜齿轮旋转(195、314)，上、下从动斜齿轮(192、312)在上、下主动斜齿轮(195、314)的作用下带动上、下外部内啮合斜齿轮(191、311)旋转，外部内啮合斜齿轮的旋转带动顶盖12、底盖35及外旋转圆筒10的旋转，从而可以实现刀齿24切削海底硬质土的功效。如图1中所示，在筒顶部覆有橡胶密封隔水垫13，以及在顶盖与上圆筒的缝隙位置处覆有密封垫,可以有效的防止外部海水渗进旋转开沟器内部，保证工作部件的正常运转，外旋转圆筒10外曲面上覆有呈规律排列的刀齿24和喷嘴8，如图10、11、12、13所示，刀齿24由刀齿座244、刀齿杆243、刀片三部分组成，刀片的侧面分布着呈规律排列的相交错半圆锥体切口刀齿241，可以切磨较为坚硬的岩层,刀齿24呈有规律的分布在外旋转圆筒10外表面上，并从外旋转圆筒10的顶部到底部呈现出不断缩小的比例变化。如图14中所示，喷嘴8内部安装有单向流通阀9，单向流通阀9呈锥体形状，喷嘴经过高压水区域时，单向流通阀9在高压的作用下阀口打开，高压水流经阀口由喷嘴8喷出，当高压水压力减小至与外部海水压力相等时，阀口关闭，有效阻止外部海水进入,减轻旋转开沟器的重量,有效缓解轴承与支撑柱的承受压力。
另一方面，如图1、4、5中所示，高压水管22在经支架18中高压水管约束管182的约束下与内圆筒41上的出水口21相连接，同时，支架隔板181又可以将经过此处的高压水管按一定角度分隔在上悬挂圆筒15之中，在挡板Ⅱ43、挡板Ⅲ40、挡板Ⅱ密封隔水垫431、挡板Ⅲ密封隔水垫401、内圆筒41外壁、外旋转圆筒10内壁及顶盖12与底盖35围成的封闭区域内形成高压水区域，高压水从经此区域经过的喷嘴喷出,高压水管22内置于旋转开沟器之内,不仅可以节省在挖沟机中的占用空间,而且可以大大的提高工作效率。
如图1、3、4中所示，旋转开沟器工作时，由顶盖12向底盖35方向望去，为逆时针旋转，考虑到密封隔水垫的自身特征，在旋转的上游位置安装有挡板Ⅰ42、挡板Ⅱ43，及所附带的挡板Ⅰ密封隔水垫421、挡板Ⅱ密封隔水垫431，在旋转的下游位置安装有挡板Ⅲ40、挡板Ⅳ44、挡板Ⅴ45，及所附带的挡板Ⅲ密封隔水垫401、挡板Ⅳ密封隔水垫441、挡板Ⅴ密封隔水垫451，这样放置，可以更好的使高压水区域得到密封，增强水射流的压力。
Claims (5)
1.一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，主要由液压推动杆(6)、销轴(5)、透水遮挡板(4)、防护罩(2)、泥浆泵吸管(3)、遮挡板上支架(7)、遮挡板下支架(1)、上悬挂圆筒(15)、下支撑柱(38)、悬架(14)、橡胶密封隔水垫(13)、顶盖(12)、底盖(35)、上推力圆锥滚子轴承(17)、下推力圆锥滚子轴承(36)、密封垫(16)、上衬垫(11)、下衬垫(37)、紧固螺栓(34)、外旋转圆筒(10)、刀齿(24)、喷嘴(8)、上推力圆柱滚子轴承(20)、下平面定轴轮系(31)、下推力圆柱滚子轴承(32)、电机(23)、电机座(25)、电机轴(27)、联轴器(28)、动力输出轴(29)、键(33)、高压水管(22)、电缆(26)、支架(18)、出水口(21)、挡板Ⅱ(43)、挡板Ⅱ密封隔水垫(431)、挡板Ⅲ(40)、挡板Ⅲ密封隔水垫(401)、上平面定轴轮系(19)、犁铧(39)、内圆筒(41)组成，其特征为：液压推动杆(6)通过销轴(5)与透水遮挡板(4)相铰接,悬架(14)通过销轴(5)与上悬挂圆筒(15)相铰接，液压推动杆(6)与悬架(14)的另一端与挖沟机主体连接，液压推动杆(6)在液压的作用下实现旋转开沟器在0°至90°之间运动，带有防护罩(2)的泥浆泵吸管(3)固定在透水遮挡板(4)下部,遮挡板上支架(7)与遮挡板下支架(1)分别与上悬挂圆筒(15)与下支撑柱(38)相连,下支撑柱(38)与犁铧(39)相连，上悬挂圆筒(15)上部与悬架(14)相铰接,下部与上推力圆锥滚子轴承(17)相连,并在筒顶部覆有橡胶密封隔水垫(13),顶盖(12)与底盖(35)分别与上推力圆锥滚子轴承(17)、下推力圆锥滚子轴承(36)的上端面相连接，并在顶盖(12)与上悬挂圆筒(15)的缝隙位置处覆有密封垫(16)，橡胶密封隔水垫(13)与密封垫(16)能够阻挡外部海水进入，保证开沟器内部零件正常工作，顶盖(12)与底盖(35)又分别通过上衬垫(11)与下衬垫(37)由紧固螺栓(34)与外旋转圆筒(10)固定在一起，外旋转圆筒(10)外曲面上覆有刀齿(24)和喷嘴(8)，上平面定轴轮系(19)上部与顶盖(12)相连接，其下部与上推力圆柱滚子轴承(20)上端面连接，下平面定轴轮系(31)上部与下推力圆柱滚子轴承(32)下端面相连接，下推力圆柱滚子轴承下端面(32)下部与底盖(35)相连接，内圆筒(41)的上端面与下端面分别与上推力圆柱滚子轴承(20)的下端面与下推力圆柱滚子轴承(32)的上端面相连接，电机(23)通过电机座(25)固定在内圆筒(41)内壁上，电机轴(27)通过联轴器(28)与动力输出轴(29)相连，动力输出轴(29)与上、下平面定轴轮系(19、31)通过键(33)连接，另一方面，高压水管(22)在经支架(18)的约束下内置于旋转开沟器之内，与内圆筒(41)上的出水口(21)相连接，在挡板Ⅱ(43)、挡板Ⅲ(40)、挡板Ⅱ密封隔水垫(431)、挡板Ⅲ密封隔水垫(401)、内圆筒(41)外壁、外旋转圆筒(10)内壁、上平面定轴轮系(19)、下平面定轴轮系(31)、上推力圆柱滚子轴承(20)、下推力圆柱滚子轴承(32)及顶盖(12)与底盖(35)围成的封闭区域内形成高压水区域，高压水从经此区域经过的喷嘴(8)喷出。
2.如权利要求1所述的一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，其特征在于：电机(23)在由电缆(26)通电之后，电机轴(27)通过联轴器(28)带动动力输出轴(28)旋转，动力输出轴(26)通过键(33)将动力传递给上、下平面定轴轮系(19、31)，上、下平面定轴轮系(19、31)的旋转分别带动顶盖(12)、底盖(35)的旋转，在紧固螺栓(34)的作用下，外旋转圆筒(10)与上、下衬垫(11、37)与顶盖(12)和底盖(35)做同步旋转，进而带动刀齿(24)的旋转切削工作。
3.如权利要求1所述的一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，其特征在于：泥浆泵吸管(3)在将液化的土壤吸出沟槽的同时一些较大的未被击碎的泥块或石块，被防护罩(2)阻挡，停留在刀齿(24)与喷嘴(8)的工作区域，直至被击碎，或由透水遮挡板(4)将未被击碎的较大的泥块或石块推排在沟槽的两侧。
4.如权利要求1所述的一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，其特征在于：刀齿(24)由刀齿座(244)、刀齿杆(243)、刀片三部分组成，刀片的侧面分布着呈规律排列的相交错半圆锥体切口刀齿(241)，刀齿呈有规律的分布在外旋转圆筒(10)外表面上，并从外旋转圆筒的顶部到底部呈现出不断缩小的比例变化。
5.如权利要求1所述的一种500米水深硬质土海底管道铺设机械与水力喷射复合式旋转开沟器，其特征在于：喷嘴内部安装有单向流通阀(9)，单向流通阀(9)呈锥体形状，当喷嘴(8)经过高压水区域时，单向流通阀(9)在高压的作用下阀口打开，高压水流经阀口由喷嘴(8)喷出，当高压水压力减小至与外部海水压力相等时，阀口关闭，有效阻止外部海水进入。
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