CN104831771B - 一种水下悬浮冲击破碎装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下悬浮冲击破碎装置及其控制方法，包括密封的浮力筒、钢索及电缆，浮力筒的四周侧壁设置有用于调整浮力筒在水中的浮力及倾斜角度调整机构；浮力筒还包括液压站、控制器、监视器和用于破碎水下工作对象的冲击机构；钢索及电缆的电缆连接控制器，钢索连接浮力筒本体；控制器控制液压站、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器完成相应动作，并通过钢索及电缆的电缆与水面上操作台进行信号传输；液压站连接冲击机构和浮力及倾斜角度调整机构。本装置技术手段简便易行，可用于较深水面以下的冲击、破碎、铆合、拆卸、凿岩、穿孔等工程作业。

Description

一种水下悬浮冲击破碎装置及其控制方法

技术领域

本发明属于水下冲击破碎工程施工工具，尤其涉及一种水下悬浮冲击破碎装置及其控制方法。

背景技术

在海洋采矿、海洋油气、海洋能源等海底、海岸、航道工程的开发过程中，需要一类能在深水区工作的冲击破碎装备，用于实现在海底、水道中的破碎、拆卸、打桩、凿岩、钻孔等工程作业。目前，相关的工程作业一般通过安装于水面工程船上的挖掘冲击设备来实现。但现有方法中，由于船体结构和挖掘机构尺寸的限制难以实现在较深水底的冲击破碎作业。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种水下悬浮冲击破碎装置及其控制方法，解决现有冲击破碎工具难以在较深水底实现冲击破碎作业的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水下悬浮冲击破碎装置，包括密封的浮力筒1、钢索及电缆5，所述浮力筒1的四周侧壁设置有用于调整浮力筒1在水中的浮力及倾斜角度调整机构；

所述浮力筒还包括液压站2、控制器6、监视器7和用于破碎水下工作对象的冲击机构；所述钢索及电缆5的电缆连接控制器6，钢索连接浮力筒1本体；

所述控制器6控制液压站2、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器7完成相应动作，并通过钢索及电缆5的电缆与水面上操作台进行信号传输；所述液压站2连接冲击机构和浮力及倾斜角度调整机构。

所述浮力及倾斜角度调整机构包括：调节液压缸组3、浮力调整筒4；

所述浮力调整筒4顶部开口，其内设有隔板活塞4-1，隔板活塞4-1轴向与浮力调整筒4密封滑动配合，以隔板活塞4-1为界，活塞板4-1上方为水室、下方为气室，气室与浮力筒1内连通；调节液压缸组3通过其活塞杆驱动隔板活塞4-1在浮力调整筒4内上下移动，通过改变各气室的相对空间，调整浮力筒1本体的上浮、下沉及倾斜角度。

所述冲击机构包括液压冲击破碎锤8和设置在其端部的钎具9，钎具9的端部伸出浮力筒1之外。

所述监视器7包括一组或一组以上设置在浮力筒1外底部的水下视频探头、水深位置检测装置和水下探照灯。

上述水下悬浮冲击破碎装置的控制方法如下：

下潜及定位步骤：

根据水下冲击破碎作业需要，首先由水面工作母船将水下悬浮冲击破碎装置拖曳到指定水面位置；

通过船用吊装机构将水下悬浮冲击破碎装置放置水下，钢索及电缆5的电缆与工作母船的操作台进行信号连接；

水下悬浮冲击破碎装置下水运动时，通过控制器6控制浮力调整筒4内的隔板活塞4-1移动至浮力调整筒4的底部，各气室体积为零，此时由于水下悬浮冲击破碎装置在水中产生的浮力小于其自重而下沉；下沉过程中，通过安装于监视器7中的水深位置检测装置感知水下位置；

当水下悬浮冲击破碎装置到达预定位置后，液压站2驱动调节液压缸组3的活塞杆做伸出运动，并带动活塞板4-1向上移动，增大浮力调整筒4气室的体积，由于气室与浮力筒1的内部空腔是连通的，浮力筒1中的空气弥补浮力调整筒4的气室腔增大带来的体积变化；这一过程使得水下悬浮冲击破碎装置在水下的排水体积扩大，导致水下悬浮冲击破碎装置得到的上升浮力增大；

当浮力增加到与其自身重力平衡时，水下悬浮冲击破碎装置将逐渐停止下沉；通过控制器6调整各调节液压缸组3的活塞伸缩动作，改变隔板活塞4-1在浮力调整筒4的位置，以改变各个气室的体积，使水下悬浮冲击破碎装置针对水下工作对象所处的位置保持平衡，实现水下定位；

垂直位置及倾斜角调整步骤：

水下垂直定位位置的上下微调可通过调整液压缸组活塞伸缩量来实现。由于水下工作对象的位置可能会由于水底地形、构架工作点位置变化而与水平面产生一定角度，因此要求悬浮平台能产生一定倾斜角适应工作需要。通过控制器6分别调整浮力调整筒4各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞4-1在各调整浮力调整筒4的位置，使气室的体积得以改变，从而获得各浮力调整筒4所需的浮力值，当各浮力调整筒4的气室体积相等时，其中心线与重心垂线重合；

当使各浮力调整筒4的气室体积不相等时，即浮力值不同时，浮力筒1产生不平衡，其中心线与重心垂线产生的倾角；

冲击破碎步骤：

在确定好工作对象的位置后，控制器6控制液压站2驱动液压冲击破碎锤8不断打击钎具9，钎具9将打击运动和冲击功率传递给被工作对象(岩石、桩体、人工构架物等)，完成水下工作对象的破碎。钎杆的尺寸和结构可以依据需要实施快速变更。

所述控制方法还包括水平位置改变步骤：

某次冲击破碎工作完成后，通过控制器6分别调整浮力调整筒4各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞4-1在各调整浮力调整筒4的位置，使气室的体积得以改变，获得各调整浮力调整筒4的浮力值，母船上控制人员根据监视器反馈的信息实时地对水下悬浮冲击破碎装置在水下位置实现微调。利用浮力和重力间的不同匹配和组合，以连续地改变悬浮平台在水下的姿态和位置，以适应在同一片工作区域有多个工作点的需要，避免水下悬浮冲击破碎装置多次浮出水面实行位置调整的工作。水平位置调整原理如图3所示。

所述控制方法还包括上浮步骤：

当工作对象的水下冲击破碎工作完成后，通过控制器6控制浮力调整筒4内的隔板活塞4-1逐渐向浮力调整筒4开口方向移动，使气室体积逐渐增大，以改变浮力调整筒4的浮力值，使其得向上的浮力大于水下悬浮冲击破碎装置总重力，水下悬浮冲击破碎装置向上运动，直至浮出水面。

通过调整液压缸的伸出量，可精细调节浮力的大小，从而控制悬浮平台的上浮速度，防止过冲。平台完全浮出水面后，可通过母船上的吊装设备将水下悬浮冲击破碎平台吊装至母船上，固定并安放。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

通过采用液压驱动方式对调节液压缸组活塞的伸出量和收缩量，改变其内设有隔板活塞的相对位置，可调整浮力调整筒的气室体积大小，实现对水下悬浮冲击破碎装置的所受浮力的控制，从而完成对其下潜深度的实时控制，实现在水面下的任意位置悬浮功能。同时，通过对调整浮力调整筒的气室体积大小控制，可对水下悬浮冲击破碎装置下潜或上浮速度的控制。

各调整浮力筒的活塞伸出量和收缩量的独立控制或组合控制，可以实现对水下悬浮冲击破碎平台不同部位所受浮力值的调节，进一步可以完成对水下悬浮冲击破碎平台在水下倾斜姿态的调整，以达到冲击工作中对被工作对象的冲击角度控制的要求。

通过控制各浮力筒气室的体积，控制水下悬浮冲击破碎装置所受的浮力，利用浮力与其自身重力不平衡的现象，可以实现对冲击破碎过程所需的钎具正压力的加载控制。

本发明技术手段简便易行，可用于较深水面以下的冲击、破碎、铆合、拆卸、凿岩、穿孔等工程作业。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明倾斜角度调整过程中，左右侧浮力筒气室体积一致时的状态示意图。

图3为本发明倾斜角度调整过程中，右侧浮力筒气室体积大于左侧浮力筒气室体积时的状态示意图。

图4为本发明水平位置调整过程中，调整前A位置、倾斜调整、调整后B位置的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至4所示。本发明一种水下悬浮冲击破碎装置，于包括密封的浮力筒1、钢索及电缆5，所述浮力筒1的四周侧壁设置有用于调整浮力筒1在水中的浮力及倾斜角度调整机构；

所述浮力筒还包括液压站2、控制器6、监视器7和用于破碎水下工作对象的冲击机构；所述钢索及电缆5的电缆连接控制器6，钢索连接浮力筒1本体；

所述控制器6控制液压站2、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器7完成相应动作，并通过钢索及电缆5的电缆与水面上操作台进行信号传输；所述液压站2连接冲击机构和浮力及倾斜角度调整机构。

所述浮力及倾斜角度调整机构包括：调节液压缸组3、浮力调整筒4；

所述浮力调整筒4顶部开口，其内设有隔板活塞4-1，隔板活塞4-1轴向与浮力调整筒4密封滑动配合，以隔板活塞4-1为界，活塞板4-1上方为水室、下方为气室，气室与浮力筒1内连通；调节液压缸组3通过其活塞杆驱动隔板活塞4-1在浮力调整筒4内上下移动，通过改变各气室的相对空间，调整浮力筒1本体的上浮、下沉及倾斜角度。

所述冲击机构包括液压冲击破碎锤8和设置在其端部的钎具9，钎具9的端部伸出浮力筒1之外。

所述监视器7包括一组或一组以上设置在浮力筒1外底部的水下视频探头、水深位置检测装置和水下探照灯。

监视器7用以获得下潜、上浮、水下工作过程中的各种参数(包括位置、水深、倾角、速度、温度等)并可将相关信号传递给水面控制人员。

控制器6，用于实现对水下悬浮冲击破碎装置各运动部件的控制，包括液压站2、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器7完成相应动作。

浮力筒1可采用圆形缸筒及上下盖板通过螺纹连接方式结合为一体，形成密闭气室空间，用以作为水下载具。

液压站2可采用本领域技术人员公知的电机、液压控制阀组、油箱、蓄能器、油管等组成，用以作为调节液压缸组3和冲击机构的动力驱动部件。

调节液压缸组3可采用本领域技术人员公知的成偶数对的液压油缸构成。调节液压缸组3沿浮力筒1的外壁成对称垂直分布，并通过紧固件安装。调节液压缸组可以通过控制器6及液压站2来实现其活塞杆的伸缩行程的调节，控制器6并可以实现单只液压缸的独立驱动和控制。每个调节液压缸组可以在液压站2控制下实现在相同或者不同行程位置的自锁。

浮力调整筒4，以隔板活塞4-1为界，隔板活塞板4-1上方为水室、下方为气室，水室和气室以隔板活塞板4-1隔离。调节隔板活塞板4-1在浮力调整筒4的位置，以改变水室与气室的体积比，最终实现对整个水下悬浮冲击破碎装置的浮力调整，并由此形成水下位置的调整。

钢索及电缆5是水下悬浮冲击破碎装置与水面工作母船的联系部件。下水工作前，母船通过钢索及电缆5将其吊装到预定水面并放置水下。工作对象若在水下区域散布较大时，可以通过母船拖曳方式进行冲击工作区域的大范围调整。钢索及电缆5的电缆包括动力电缆和信号电缆，动力电缆用于母船上的电力输送。而信号电缆用于传输数据，包括水下检测、运行的工作数据传输到水面母船。钢索及电缆5的电缆与钢索可通过绞制的方式结合在一起，以保证在较深水面下可传递电力能量和测控信号的同时，还有足够的机械强度，确保水下悬浮冲击破碎装置的工作安全性。

控制器6为水下悬浮冲击破碎装置内装设备，如液压站、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器等的控制系统，其中集成有电机变频器、PLC控制器、多型传感器、控制接口器件等。控制器以紧固连接方式安装于浮力筒内壁。

监视器7主要是为在水下工作时探明工作对象位置，并提供所处工作环境的信息。所获得信息可以结合控制器6中的设备监测信息通过电缆传输给水面母船上的工作人员，以实现工作过程和工作环境的人工监视和控制。

液压冲击破碎锤8和钎具9，实现对水下固体物质(岩石、桩体、人工构架物等)的破碎、打击、铆合、拆卸、凿岩、穿孔等工程作业。液压冲击破碎锤通过紧固方式安装在浮力筒的底板上，并采用密封装置实现液压油、气室空气、水、泥浆等之间的隔离。钎具9直接作用在被工作对象上，实现破碎、打击、铆合、拆卸、凿岩、穿孔等作业。钎具形状及结构尺寸可以随工作对象的性质改变，可长可短，可粗可细。钎具为磨耗件，可根据磨耗程度和实际需要进行快速更换。

上述水下悬浮冲击破碎装置的控制方法可通过如下步骤实现：

下潜及定位步骤：

根据水下冲击破碎作业需要，首先由水面工作母船将水下悬浮冲击破碎装置拖曳到指定水面位置；

通过船用吊装机构将水下悬浮冲击破碎装置放置水下，钢索及电缆5的电缆与工作母船的操作台进行信号连接；

水下悬浮冲击破碎装置下水，通过控制器6控制浮力调整筒4内的隔板活塞4-1移动至浮力调整筒4的底部，各气室体积为零，此时由于水下悬浮冲击破碎装置在水中产生的浮力小于其自重而下沉；下沉过程中，通过安装于监视器7中的水深位置检测装置感知水下位置；

当水下悬浮冲击破碎装置到达预定位置后，液压站2驱动调节液压缸组3的活塞杆做伸出运动，并带动活塞板4-1向上移动，增大浮力调整筒4气室的体积，由于气室与浮力筒1的内部空腔是连通的，浮力筒1中的空气弥补浮力调整筒4的气室腔增大带来的体积变化；这一过程使得水下悬浮冲击破碎装置在水下的排水体积扩大，导致水下悬浮冲击破碎装置得到的上升浮力增大；

当浮力增加到与其自身重力平衡时，水下悬浮冲击破碎装置将逐渐停止下沉；通过控制器6调整各调节液压缸组3的活塞伸缩动作，改变隔板活塞4-1在浮力调整筒4的位置，以改变各个气室的体积，使水下悬浮冲击破碎装置针对水下工作对象所处的位置保持平衡，实现水下定位；

垂直位置及倾斜角调整步骤：

水下垂直定位位置的上下微调可通过调整液压缸组活塞伸缩量来实现。由于水下工作对象的位置可能会由于水底地形、构架工作点位置变化而与水平面产生一定角度，因此要求悬浮平台能产生一定倾斜角适应工作需要。通过控制器6分别调整浮力调整筒4各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞4-1在各调整浮力调整筒4的位置，使气室的体积得以改变，从而获得各浮力调整筒4所需的浮力值，当各浮力调整筒4的气室体积相等时，其中心线与重心垂线重合；

当使各浮力调整筒4的气室体积不相等时，即浮力值不同时，浮力筒1产生不平衡，其中心线与重心垂线产生的倾角；

冲击破碎步骤：

在确定好工作对象的位置后，控制器6控制液压站2驱动液压冲击破碎锤8不断打击钎具9，钎具9将打击运动和冲击功率传递给被工作对象(岩石、桩体、人工构架物等)，完成水下工作对象的破碎。钎杆的尺寸和结构可以依据需要实施快速变更。

该控制方法还包括水平位置改变步骤：

某次冲击破碎工作完成后，通过控制器6分别调整浮力调整筒4各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞4-1在各调整浮力调整筒4的位置，使气室的体积得以改变，获得各调整浮力调整筒4的浮力值，母船上控制人员根据监视器反馈的信息实时地对水下悬浮冲击破碎装置在水下位置实现微调。利用浮力和重力间的不同匹配和组合，以连续地改变悬浮平台在水下的姿态和位置，以适应在同一片工作区域有多个工作点的需要，避免水下悬浮冲击破碎装置多次浮出水面实行位置调整的工作。

该控制方法还包括还包括上浮步骤：

当工作对象的水下冲击破碎工作完成后，通过控制器6控制浮力调整筒4内的隔板活塞4-1逐渐向浮力调整筒4开口方向移动，使气室体积逐渐增大，以改变浮力调整筒4的浮力值，使其得向上的浮力大于水下悬浮冲击破碎装置总重力，水下悬浮冲击破碎装置向上运动，直至浮出水面。

通过调整液压缸的伸出量，可精细调节浮力的大小，从而控制悬浮平台的上浮速度，防止过冲。平台完全浮出水面后，可通过母船上的吊装设备将水下悬浮冲击破碎平台吊装至母船上，固定并安放。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水下悬浮冲击破碎装置，其特征在于包括密封的浮力筒(1)、钢索及电缆(5)，所述浮力筒(1)的四周侧壁设置有用于调整浮力筒(1)在水中的浮力及倾斜角度调整机构；

所述浮力筒还包括液压站(2)、控制器(6)、监视器(7)和用于破碎水下工作对象的冲击机构；所述钢索及电缆(5)的电缆连接控制器(6)，钢索连接浮力筒(1)本体；

所述控制器(6)控制液压站(2)、冲击机构、浮力及倾斜角度调整机构、监视器(7)完成相应动作，并通过钢索及电缆(5)的电缆与水面上操作台进行信号传输；所述液压站(2)连接冲击机构和浮力及倾斜角度调整机构。

2.根据权利要求1所述的水下悬浮冲击破碎装置，其特征在于，所述浮力及倾斜角度调整机构包括：调节液压缸组(3)、浮力调整筒(4)；

所述浮力调整筒(4)顶部开口，其内设有隔板活塞(4-1)，隔板活塞(4-1)轴向与浮力调整筒(4)密封滑动配合，以隔板活塞(4-1)为界，活塞板4-1上方为水室、下方为气室，气室与浮力筒(1)内连通；调节液压缸组(3)通过其活塞杆驱动隔板活塞(4-1)在浮力调整筒(4)内上下移动，通过改变各气室的相对空间，调整浮力筒(1)本体的上浮、下沉及倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的水下悬浮冲击破碎装置，其特征在于，所述冲击机构包括液压冲击破碎锤(8)和设置在其端部的钎具(9)，钎具(9)的端部伸出浮力筒(1)之外。

4.根据权利要求1所述的水下悬浮冲击破碎装置，其特征在于，所述监视器(7)包括一组或一组以上设置在浮力筒(1)外底部的水下视频探头、水深位置检测装置和水下探照灯。

5.一种权利要求1至4中任一项所述水下悬浮冲击破碎装置的控制方法，其特征在于控制步骤如下：

下潜及定位步骤：

根据水下冲击破碎作业需要，首先由水面工作母船将水下悬浮冲击破碎装置拖曳到指定水面位置；

通过船用吊装机构将水下悬浮冲击破碎装置放置水下，钢索及电缆(5)的电缆与工作母船的操作台进行信号连接；

水下悬浮冲击破碎装置下水，通过控制器(6)控制浮力调整筒(4)内的隔板活塞(4-1)移动至浮力调整筒(4)的底部，各气室体积为零，此时由于水下悬浮冲击破碎装置在水中产生的浮力小于其自重而下沉；下沉过程中，通过安装于监视器(7)中的水深位置检测装置感知水下位置；

当水下悬浮冲击破碎装置到达预定位置后，液压站(2)驱动调节液压缸组(3)的活塞杆做伸出运动，并带动活塞板4-1向上移动，增大浮力调整筒(4)气室的体积，由于气室与浮力筒(1)的内部空腔是连通的，浮力筒(1)中的空气弥补浮力调整筒(4)的气室腔增大带来的体积变化；这一过程使得水下悬浮冲击破碎装置在水下的排水体积扩大，导致水下悬浮冲击破碎装置得到的上升浮力增大；

当浮力增加到与其自身重力平衡时，水下悬浮冲击破碎装置将逐渐停止下沉；通过控制器(6)调整各调节液压缸组(3)的活塞伸缩动作，改变隔板活塞(4-1)在浮力调整筒(4)的位置，以改变各个气室的体积，使水下悬浮冲击破碎装置针对水下工作对象所处的位置保持平衡，实现水下定位；

垂直位置及倾斜角调整步骤：

水下垂直定位位置的上下微调可通过调整液压缸组活塞伸缩量来实现，由于水下工作对象的位置可能会由于水底地形、构架工作点位置变化而与水平面产生一定角度，因此要求悬浮平台能产生一定倾斜角适应工作需要，通过控制器(6)分别调整浮力调整筒(4)各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞(4-1)在各调整浮力调整筒(4)的位置，使气室的体积得以改变，从而获得各浮力调整筒(4)所需的浮力值，当各浮力调整筒(4)的气室体积相等时，其中心线与重心垂线重合；

当使各浮力调整筒(4)的气室体积不相等时，即浮力值不同时，浮力筒(1)产生不平衡，其中心线与重心垂线产生的倾角；

冲击破碎步骤：

在确定好工作对象的位置后，控制器(6)控制液压站(2)驱动液压冲击破碎锤(8)不断打击钎具(9)，钎具(9)将打击运动和冲击功率传递给被工作对象，完成水下工作对象的破碎。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括水平位置改变步骤：

某次冲击破碎工作完成后，通过控制器(6)分别调整浮力调整筒(4)各对应位置活塞杆行程，以改变隔板活塞(4-1)在各调整浮力调整筒(4)的位置，使气室的体积得以改变，获得各调整浮力调整筒(4)的浮力值，母船上控制人员根据监视器反馈的信息实时地对水下悬浮冲击破碎装置在水下位置实现微调。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括上浮步骤：

当工作对象的水下冲击破碎工作完成后，通过控制器(6)控制浮力调整筒(4)内的隔板活塞(4-1)逐渐向浮力调整筒(4)开口方向移动，使气室体积逐渐增大，以改变浮力调整筒(4)的浮力值，使其得向上的浮力大于水下悬浮冲击破碎装置总重力，水下悬浮冲击破碎装置向上运动，直至浮出水面。