CN104503060A - 振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人 - Google Patents

振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，包括框架，框架设于水下行走机构上，在框架上设有压缆器、寻缆器、水下定位及探测系统、高压水泵系统，水下定位及探测系统与高压水泵系统经由电缆连接控制及供电系统，其特征在于，还包括：挖槽枪及机械振动器。本发明联合利用机械振动和高速水流将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽，在压缆器的作用下将光缆埋设在泥沙床面以下指定深度。本发明可以广泛应用于江河湖海的光缆埋设。本发明的技术实施简单，能耗低，功效高，而且环保。

Description

振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人
技术领域
本发明涉及种依靠高速水流和机械振动联合作用下进行水下光缆埋设铺设的设备，属于海洋工程技术领域。
背景技术
光缆过江渡海通常必须埋设在床面以下一定深度。埋设方法大体分为两大类：围堰法和水下铺缆法。工程上常采用的是水下铺缆法，其作业方式又可细分为：1)预挖沟法，即先挖槽后埋缆；2)同时作业法，即挖槽和埋缆同时进行；3)后挖沟法，即先放管后沉入土内。常用的水下沟槽开挖方法有爆破法冲击成槽、岸式索铲机械铲槽、高压泵船水冲挖槽、喷射泵排泥泵水下自动挖槽等，常用的装备主要有潜水挖沟机、冲埋犁“龙”、冲射式埋缆机、铰刀等。国内外现在普遍使用的冲射式埋缆机主要是通过大流量的高速水流冲刷挖槽的方法施工。
经对现有技术文献的检索发现，有关管道埋设设备的专利，早在1958年9月23日就有公开，美国公开号为US2852868，后续出现了大量的专利，如下表1所示。
表1
我国的相关专利很少，紧密相关的发明专利如下表2所示。
表2
我国海床多以细颗粒泥沙为主组成，在海床上开沟埋设存在沟边坡垮塌、泥沙回淤等问题，开沟越深，因此，开挖工程量越大，实施越困难。总结表1及表2中的国内外现有相关的发明，目前技术主要存在能耗高、埋设深度不易保障，而且施工时对附近的水环境污染较大等不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能环保、施工高效的依靠机械振动和高速射流联合作用的光缆埋设水下机器人。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，包括框架，框架设于水下行走机构上，在框架上设有压缆器、寻缆器、水下定位及探测系统、高压水泵系统，水下定位及探测系统与高压水泵系统经由电缆连接控制及供电系统，其特征在于，还包括：
挖槽枪，挖槽枪与高压水泵系统相通，高压水泵产生的高速水流通过挖槽枪喷射而出；
机械振动器，设于挖槽枪内，在挖槽枪喷射高速水流的同时，由机械振动器带动挖槽枪产生机械振动，从而在机械振动和高速水流联合作用下由挖槽枪将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽。
优选地，还包括在所述控制及供电系统控制下进行伸缩的角度调节杆，通过角度调节杆的伸缩以调节所述挖槽枪与底床面之间的角度。
优选地，所述角度调节杆为液压长度调节杆，液压长度调节杆经由电缆连接所述控制及供电系统。
优选地，所述挖槽枪为由高强度耐摩的金属材料制成的中空的长条型杆件，长条型杆件的两端分别为出水口及进水口，在长条型杆件的内部设置有所述机械振动器，在长条型杆件的边壁上布有小孔。
优选地，还包括浮力箱，浮力箱设于所述框架上。
优选地，所述水下行走机构为履带爬行部件；在所述框架上还设有推进器，推进器与所述控制及供电系统相连。
优选地，所述压缆器用于将光缆压入沟槽内泥浆中，包括支撑杆，支撑杆的一端与所述框架相连，在支撑杆的另一端上设有滚筒。
优选地，所述水下定位及探测系统包括固定在所述框架上的水下摄像头、水深传感器、定位传感器和/或水下成像声纳传感器，水下摄像头、水深传感器、定位传感器和/或水下成像声纳传感器经过弱电电缆连接所述控制及供电系统。
优选地，所述高压水泵系统包括固定在所述框架上的高压水泵，高压水泵的出水口与所述挖槽枪相连通，高压水泵还连接所述控制及供电系统。
优选地，在所述框架与船体间还连接有支撑缆，在支撑缆上设有拉力传感器，拉力传感器与所述控制及供电系统相连。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明联合利用机械振动和高速水流将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽，在压缆器的作用下将光缆埋设在泥沙床面以下指定深度。本发明可以广泛应用于江河湖海的光缆埋设。本发明的技术实施简单，能耗低，功效高，而且环保。
附图说明
图1为本发明提供的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
在南海800m水深处开展埋深1.5m的光缆埋设的水下机器人及其施工实施例效果。如图1所示，本实施例提供一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，主要由履带爬行部件1、框架2、挖槽枪3、角度调节杆4、推进器5、机械振动器6、高压水泵7、压力管道8、变频器9、变压器10、减震器11、浮力箱12、压缆器13、寻缆器14、水下摄像15头、水深传感器16、拉力传感器17、定位传感器18、水下成像声纳传感器19、防腐蚀保护块20、强电电缆21、弱电电缆22、支撑缆23、高压电源24以及控制系统25等组成。
高压电源24以及控制系统25安装在母船上。高压电源24是升压到3000V的三相交流电源。控制系统25是利用可编程控制器PLC来存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机电运动过程，PLC及其有关的外围设备等的子系统。
在本实施例中，框架2是高强度轻质的铝合金材料制成的固定框架结构，高1.8m，长2.5m，其安装在履带爬行部件1上。履带爬行部件1则是由高强度轻质的铝合金材料制成，履带爬行部件1中每条履带的宽度为40cm，长度分别为5.8m，在内置电机的驱动下使本发明提供的整个装置行进。挖槽枪3、推进器5、高压水泵7、变频器9、变压器10、浮力箱12、压缆器13、寻缆器14、水下摄像头15、水深传感器16、定位传感器18、水下成像声纳传感器19等均安装在框架2上。挖槽枪3与框架2间、高压水泵7与框架2间及变频器9与框架2间均设有减震器11。减震器11是橡胶减振器和KXT型可曲挠单球体橡胶接头。
水下摄像头15、水深传感器16、拉力传感器17、定位传感器18、水下成像声纳传感器19通过弱电电缆22连接到控制系统25。弱电电缆22是用于220V以及以下弱电传输用途的电缆。水下摄像头15是防水1000m的高清晰度图像的摄像头。水深传感器16是电阻应变式传感器，通过水压力所产生的变形信号转变为可测量的水深电信号输出的部件，量程为1000m水深。拉力传感器17是电阻应变式传感器，是一种将物理信号转变为可测量的拉力电信号输出的部件，量程为1000kg。定位传感器18是通过北斗导航系统确定挖槽枪3位置的部件，为挖槽枪3的具体位置提供实时的空间坐标信息。水下成像声纳传感器19是在零可见度的水中能够生成几乎等同影像质量图像的高清晰度声纳图像的部件，为挖槽枪挖槽后的效果提供实时的地形信息。
推进器5是通过螺旋桨的旋转而产生推力的部件。
浮力箱12是由高强度轻质铝合金材料制成的、圆柱形空心密闭容器，长度2m，直径Φ800mm，共计2个，并排平行安装。
寻缆器14是分辨率10mm的金属探测器。
挖槽枪3是由高强度耐摩的钛合金材料制成的长条型杆件，总长2.4m。在长条型杆件内部设置有功率3KW、频率150Hz的机械振动器6。机械振动器6是通过机械运动产生高频振动的部件，其功率3KW、频率150Hz，振幅小于5mm。长条型杆件的边壁上布有孔径为4mm的小孔。长条型杆件的两端分别为出水口及Φ100mm的进水口。高压水泵7通过压力管道8分别连接到两根挖槽枪3的进水口上。高压水泵7是输送水体的机械，其扬程为50m，流量为200m3/h，功率45KW。压力管道8由高强度轻质铝合金材料制成的管道，Φ150mm。
推进器5、高压水泵7、变频器9连接到变压器10上。变频器9连接机械振动器6。变压器10通过强电电缆21连接到母船上的控制系统25。变压器10的输入电压3000V，输出电压220V。380V强电电缆21是用于3000V电压传输用途的电缆。
角度调节杆4为液压长度调节杆，液压长度调节杆经由电缆连接控制系统25，通过液压长度调节杆的伸缩以调节挖槽枪3与底床面之间的角度。液压长度调节杆的最大长度为75cm，最短长度为55cm，用于调节光缆的埋设深度。调整角度调节杆4的长度，使挖槽枪3与垂线的角度为50°。
压缆器13是由高强度轻质铝合金材料制成的空心圆柱型、长2m的杆和长150mm、Φ100mm滚筒组成，用于将光缆压入沟槽内泥浆中。
防腐蚀保护块20是锌制作的块体，共计5块，重量分别为2kg，安装在履带1、框架2等上。
支撑缆23一端设置在框架2上，另一端连接母船，是由碳纤维制作的用于拖曳本发明的高强度缆索，最大抗拉强度10T，长度1500m，在支撑缆23上设有拉力传感器17，拉力传感器17与控制系统25相连。
首先，工作母船开到在南海指定位置，该处水深800m左右，本发明的光缆埋设系统工作时，接通强电电缆21和弱电电缆22，用起吊装置将本发明起吊、下沉到将要埋设电缆的上方。再通过控制系统25，启动高压电源24，启动高压水泵7，启动机械振动器6，启动寻缆器14，启动推进器5，调整本发明的位置与姿态，使两个挖槽枪3叉骑在光缆上。调整角度调整杆4及挖槽枪3之间的距离，使两根挖槽枪3相隔60mm，调整角度调节杆4的长度，使挖槽枪3与垂线的角度为50°，并徐徐下放本发明。在机械振动和高速水流联合作用下，挖槽枪3将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽，同时在压缆器13的作用下将光缆埋设在泥沙床面以下指定深度。当要埋设的光缆埋设到指定的深度后，保持角度调整杆4的状态，根据寻缆器14反馈的图像，调整推进器5的推进方式，使本发明的履带爬行部件1不断前行，同时不断通过控制系统25修改相关指令，直到完成所叉骑的光缆的埋设。
实施效果：实施方法简单，将一根直径4厘米的光缆埋设在由细颗粒泥沙组成的床面下1.5米处。
实施例2
在南海200m水深处开展埋深2m的光缆埋设的水下机器人及其施工实施例效果，其实施过程为：
首先，工作母船开到在南海指定位置，该处水深200m左右，本发明所述的光缆埋设系统工作时，接通强电电缆21和弱电电缆22，用起吊装置将本发明起吊、下沉到将要埋设电缆的上方。再通过控制系统25，启动高压电源24，启动高压水泵7，启动机械振动器6，启动寻缆器14，启动推进器5，调整本发明的位置与姿态，使两个挖槽枪3叉骑在光缆上，调整角度调整杆4及挖槽枪3之间的距离，使两根挖槽枪3相隔80mm。调整角度调节杆4的长度，使挖槽枪3与垂线的角度为24°，并徐徐下放本发明。在机械振动和高速水流联合作用下，挖槽枪3将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽，同时在压缆器13的作用下将光缆埋设在泥沙床面以下指定深度。当要埋设的光缆埋设到指定的深度后，保持角度调整杆4的状态，根据寻缆器14反馈的图像，调整推进器5的推进方式，使本发明的履带爬行部件1不断前行，同时不断通过控制系统25修改相关指令，直到完成所叉骑的光缆的埋设。具体的：
其中，履带爬行部件1中每条履带的宽度为40cm，长度分别为5.8m。框架2高1.8m，长2.5m。挖槽枪3总长2.4m。挖槽枪3的边壁上布有孔径3mm的小孔，并具有Φ150mm进水口。角度调节杆4的最大长度为85cm，最短长度为55cm。机械振动器6的功率5KW、频率200Hz，振幅小于5mm。高压水泵7的扬程为60m，流量为250m3/h，功率50KW。压力管道8的直径Φ150mm。浮力箱12的长度2.2m，直径Φ800mm，共计2个，并排平行安装。压缆器13的杆长3.2m，压缆器13的滚筒长120mm、Φ80mm。寻缆器14是分辨率10mm的金属探测器。水下摄像头15是防水3000m的高清晰度图像的摄像头。水深传感器16的量程为3000m水深。拉力传感器17的量程为5000kg。
实施效果：实施方法简单，将一根直径4厘米的光缆埋设在由细颗粒泥沙组成的床面下2.0米处。
实施例3
在南海20m水深处开展埋深3m的光缆埋设的水下机器人及其施工实施例效果，其实施过程为：
首先，工作母船开到在南海指定位置，该处水深20m左右，本发明所述的光缆埋设系统工作时，接通强电电缆21和弱电电缆22，用起吊装置将本发明起吊、下沉到将要埋设电缆的上方。再通过控制系统25，启动高压电源24，启动高压水泵7，启动机械振动器6，启动寻缆器14，启动推进器5，调整本发明的位置与姿态，使两个挖槽枪3叉骑在光缆上。调整角度调整杆4及挖槽枪3之间的距离，使两根挖槽枪3相隔60mm。调整角度调节杆4的长度，使挖槽枪3与垂线的角度为30°，并徐徐下放本发明。在机械振动和高速水流联合作用下，挖槽枪3将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽，同时在压缆器13的作用下将光缆埋设在泥沙床面以下指定深度。当要埋设的光缆埋设到指定的深度后，保持角度调整杆4的状态，根据寻缆器14反馈的图像，调整推进器5的推进方式，使本发明的履带爬行部件1不断前行，同时不断通过控制系统25修改相关指令，直到完成所叉骑的光缆的埋设。
履带爬行部件1中每条履带的宽度为50cm，长度分别为5.8m。框架2高1.8m，长2.5m。挖槽枪3总长3.5m，边壁上布有孔径3mm的小孔，具有Φ150mm进水口。机械振动器6的功率20KW、频率200Hz，振幅小于5mm。角度调节杆4的最大长度为95cm，最短长度为55cm。高压水泵7扬程为70m，流量为280m3/h，功率80KW。压力管道8的直径Φ150mm。浮力箱12是长度2.2m，直径Φ800mm，共计2个，并排平行安装。压缆器13中杆的长度为3.8m，压缆器13中滚筒长120mm、直径Φ80mm。寻缆器14是分辨率10mm的金属探测器。水下摄像头15是防水3000m的高清晰度图像的摄像头。水深传感器16的量程为3000m水深。拉力传感器17的量程为5000kg。
实施效果：实施方法简单，该ROV在海床上开挖液化一条约26cm宽的泥槽，并将一根直径4厘米的光缆埋设在由细颗粒泥沙组成的床面下3.0米处。
由以上实施例可以看出：本发明的技术实施简单，成本低，功效高，对环境影响小，是一种经济节能的系统设备。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，包括框架(2)，框架(2)设于水下行走机构上，在框架(2)上设有压缆器(13)、寻缆器(14)、水下定位及探测系统、高压水泵系统，水下定位及探测系统与高压水泵系统经由电缆连接控制及供电系统，其特征在于，还包括：
挖槽枪(3)，挖槽枪(3)与高压水泵系统相通，高压水泵产生的高速水流通过挖槽枪(3)喷射而出；
机械振动器(6)，设于挖槽枪(3)内，在挖槽枪(3)喷射高速水流的同时，由机械振动器(6)带动挖槽枪(3)产生机械振动，从而在机械振动和高速水流联合作用下由挖槽枪(3)将板结的泥沙与水快速掺混变成泥浆而成沟槽。
2.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，还包括在所述控制及供电系统控制下进行伸缩的角度调节杆(4)，通过角度调节杆(4)的伸缩以调节所述挖槽枪(3)与底床面之间的角度。
3.如权利要求2所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述角度调节杆(4)为液压长度调节杆，液压长度调节杆经由电缆连接所述控制及供电系统。
4.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述挖槽枪(3)为由高强度耐摩的金属材料制成的中空的长条型杆件，长条型杆件的两端分别为出水口及进水口，在长条型杆件的内部设置有所述机械振动器(6)，在长条型杆件的边壁上布有小孔。
5.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，还包括浮力箱(12)，浮力箱(12)设于所述框架(2)上。
6.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述水下行走机构为履带爬行部件(1)；在所述框架(2)上还设有推进器(5)，推进器(5)与所述控制及供电系统相连。
7.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述压缆器(13)用于将光缆压入沟槽内泥浆中，包括支撑杆，支撑杆的一端与所述框架(2)相连，在支撑杆的另一端上设有滚筒。
8.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述水下定位及探测系统包括固定在所述框架(2)上的水下摄像头(15)、水深传感器(16)、定位传感器(18)和/或水下成像声纳传感器(19)，水下摄像头(15)、水深传感器(16)、定位传感器(18)和/或水下成像声纳传感器(19)经过弱电电缆(22)连接所述控制及供电系统。
9.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，所述高压水泵系统包括固定在所述框架(2)上的高压水泵(7)，高压水泵(7)的出水口与所述挖槽枪(3)相连通，高压水泵(7)还连接所述控制及供电系统。
10.如权利要求1所述的一种振动射流联合作用的光缆埋设水下机器人，其特征在于，在所述框架(2)与船体间还连接有支撑缆(23)，在支撑缆(23)上设有拉力传感器(17)，拉力传感器(17)与所述控制及供电系统相连。
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