CN105627039B - 用于海底观测的三脚架搭载平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海底观测的三脚架搭载平台，设置有三脚架主体，在三脚架主体的三个支脚的底部各自安装有一个自缓冲底座，在每一个自缓冲底座中均设置有电池、电机、配重和双层弹性底盘，所述电池、电机、配重和双层弹性底盘通过钢针装配固定；在所述钢针上形成有外螺纹，其上安装有调节螺母，所述电机通过传动机构连接所述的调节螺母，通过调节所述调节螺母调整所述搭载台水平。本发明通过在传统的三脚架主体的三个支脚的底部分别安装一个自缓冲底座，从而可以有效地避免三脚架在海底观测过程中所出现的水平滑动、垂向沉降以及由于不均匀沉降所导致的搭载仪器倾斜等问题，有助于提高测量结果的准确性。

Description

用于海底观测的三脚架搭载平台

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域，具体地说，是涉及一种用于搭载海洋观测仪器的三脚架搭载平台的结构设计。

背景技术

三脚架是海底观测的平台之一，它能装备多种观测仪器，长期、稳定的立于海底，进行几乎无干扰的原位观测。海底三脚架已成功应用于深海化学、物理、生物和地质过程的现场观测，并取得了大量的科研成果。

然而，目前大量的科研力量都集中投入到了三脚架所搭载和应用的观测仪器的研制以及对现场采样结果的后期数据处理上，针对三脚架本身的海洋研究并不多。从1965年第一个海底三脚架在美国华盛顿大学出现至今，五十年来海底三脚架的发展集中体现在搭载仪器的升级换代、三脚架材料和加工工艺的优化、下放过程及其下放附属设备的添加完善、布防以及如何使运行过程的模拟和评估结果更加准确精细等方面的研究上，而对于海底三脚架本身的整体结构设计几乎没有发生任何改进。但是，在实际的现场布防和海底观测过程中，现有的三脚架经常会因其自身结构的缺陷而导致搭载平台发生沉降、侧向滑动、倾斜等情况，这些情况都将导致通过精密的观测仪器采集到的数据结果与实际情况存在很大的出入，继而使得数据反演结果与实际观测情况相互矛盾，导致海洋观测任务的失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于海底观测的三脚架搭载平台，能够有效地避免现有用于海底观测的三脚架所存在的水平滑动、垂直沉降、由于不均匀沉降所导致的搭载仪器倾斜这些影响测量结果的因素，克服了现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于海底观测的三脚架搭载平台，设置有三脚架主体，所述三脚架主体包括三个支脚和安装在三个支脚顶部的搭载台；在所述三个支脚的底部各自安装有一个自缓冲底座，在每一个自缓冲底座中均设置有电池、电机、配重和双层弹性底盘，所述电池、电机、配重和双层弹性底盘通过钢针装配固定，所述钢针的尖端部分朝下，用于插入到海底的海床上；在所述钢针上形成有外螺纹，其上安装有调节螺母，所述电机通过传动机构连接所述的调节螺母，通过调节所述调节螺母以改变施加到所述双层弹性底盘上的压力，进而通过改变双层弹性底盘中两个底盘之间的间距，以调整所述搭载台水平。

进一步的，所述外螺纹形成在所述钢针的上半部分，所述钢针的下半部分形成有连续的齿状斜台面，在所述自缓冲底座的底部安装有单向锁，所述单向锁与所述齿状斜台面相配合，以限制所述自缓冲底座仅向下方单向移动。

作为所述单向锁的一种优选结构设计，在所述单向锁中设置有上下两个同心圆柱体，上圆柱体的直径大于下圆柱体的直径，且在两个圆柱体的圆心位置均开设有通孔，所述钢针穿过所述通孔；在所述上圆柱体与下圆柱体之间夹有一个方向向上的定向弹簧斜台面，所述定向弹簧斜台面与所述钢针上的所述齿状斜台面相卡合，以限制所述自缓冲底座单向移动。

优选的，所述双层弹性底盘位于所述自缓冲底座的最下层，在所述单向锁的上下两个圆柱体上分别开设有两个安装孔，通过螺钉穿过所述安装孔将所述单向锁固定安装在所述双层弹性底盘的底部。

为了方便所述自缓冲底座在所述支脚上的安装固定，本发明将所述配重安装在所述双层弹性底盘的上方，在所述配重上开设有U形缺口，所述U形缺口延伸并穿过所述配重的中心；在所述三个支脚的底部设置有圆角矩形的脚架，所述脚架伸入到所述配重的所述U形缺口中，且刚好与所述U形缺口相适配；在所述脚架上开设有安装孔，通过螺钉穿过所述配重的中心以及所述脚架上的所述安装孔，将所述配重和脚架固定安装在所述的双层弹性底盘上。

作为所述双层弹性底盘的一种优选结构设计，在所述双层弹性底盘中设置有上下两个底盘，两个底盘的中间安装有弹簧，所述钢针穿过所述的两个底盘并从所述弹簧中穿过。

优选的，所述钢针设置有四个，在所述自缓冲底座上等间距对称分布；所述弹簧设置有四根，一一对应的套装在四个所述的钢针上。

进一步的，所述电池和电机安装在防水外壳中，所述传动机构和调节螺母位于所述防水外壳的顶部；在所述防水外壳上安装有防水接头，连接所述电池的电源线和连接所述电机的信号线经由所述防水接头伸出，并连接至所述三脚架搭载平台所搭载的观测仪器，为所述观测仪器供电并接收观测仪器输出的控制信号，以控制所述电机运转。

又进一步的，在所述观测仪器中包含有水平仪，通过水平仪检测所述搭载台的水平状态，进而根据检测结果生成所述的控制信号，传输至高度相对较高的支脚所对应的电机，通过驱动所述电机带动所述调节螺母旋转下移，以降低所述高度相对较高的支脚的高度，进而调整所述搭载台水平。

优选的，在所述三脚架主体中还设置有三个支撑板，在每两个相邻的支脚之间安装一块所述的支撑板，所述支撑板距离支脚顶端的垂直方向的高度H1介于0.05H与0.3H之间，所述H为单个所述支脚的长度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在传统的三脚架主体的三个支脚的底部分别安装一个自缓冲底座，从而可以有效地避免三脚架在海底观测过程中所出现的水平滑动、垂向沉降以及由于不均匀沉降所导致的搭载仪器倾斜等问题，有助于提高测量结果的准确性。本发明三脚架搭载平台结构简单，可靠耐用，加工工艺要求较低，易于推广使用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的用于海底观测的三脚架搭载平台的一种实施例的整体结构示意图；

图2是图1所示三脚架搭载平台的俯视图；

图3是图1中三脚架主体的一种实施例的结构示意图；

图4是图3所示三脚架主体的俯视图；

图5是图3所示三脚架主体的其中一个支脚的结构示意图；

图6是图1中自缓冲底座的一种实施例的结构透视图；

图7是图6中防水外壳的一种实施例的结构示意图；

图8是图6中配重的一种实施例的结构俯视图；

图9是图6中双层弹性底盘的上底盘的结构俯视图；

图10是图6中双层弹性底盘的下底盘的结构俯视图；

图11是图6中单向锁的一种实施例的结构示意图；

图12是图6中钢针以及调节螺母的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

参见图1、图2所示，本实施例的三脚架搭载平台作为一种海底观测仪器的支撑框架和搭载母体，除了包括三脚架主体100外，为了避免三脚架在海底观测过程中出现水平滑动、垂直沉降以及由于三脚架不均匀沉降所导致的观测仪器倾斜等影响观测结果的因素，本实施例在三脚架主体100的三个支脚上分别设计并安装了一个具有防侧滑、防沉降的自缓冲底座200，由此可以为观测仪器提供更加稳定、可靠、安全的支撑。

下面分别对所述三脚架主体100和自缓冲底座200的具体组建结构及其功能作用进行详细阐述。

结合图3、图4所示，在本实施例的三脚架主体100中主要设计有三个支脚101、三块支撑板102和一个搭载台103。其中，三个支脚101形成立体三角形架构，顶部安装所述搭载台103，底部分别安装所述的自缓冲底座200，中间部位安装所述的支撑板102.所述支撑板102在起到提高三脚架支撑强度的同时，可以作为辅助支撑框架，用于搭载某些类型的海底观测仪器。

在本实施例中，所述支脚101、支撑板102和搭载台103优选采用高强度耐腐蚀的不锈钢材料制成，表层粉刷防腐蚀防生物附着的涂料。其中，搭载台103可以选用环形法兰，以方便与观测仪器的连接紧固。作为一种优选设计方案，所述环形法兰103的外径D1优选在15cm至60cm的范围内取值，内径D2优选设计为外径D1的一半。在环形法兰103上等间距分布有三个通孔104，可以利用紧固件穿过所述的三个通孔104，来实现观测仪器在环形法兰103上的装配固定。在环形法兰103的底部可以设计三个栓托结构，同时在三个支脚101的顶部也可以设计与之适配的栓托结构，由此可以采用螺栓连接的方式实现三个支脚101在环形法兰103底部的安装固定。

所述的三个支脚101优选采用密封管材，单根长度H可以在60cm-300cm之间。在每根支脚101的底部均设计有一个脚架105，以用于与自缓冲底座200连接固定。在本实施例中，所述脚架105优选设计成圆角矩形，其长度L和宽度W可以根据单根支脚101的长度H确定，其取值范围优选设计为：0.1H<=L<=0.2H；0.3L<=W<=0.6L。在所述脚架105上可以开设安装孔106，以用于与自缓冲底座200配合连接。在支脚101的近顶端下部和近底端上部各设置一个防水密封接头107、108，连接在两个防水密封接头107、108之间的导线可以从支脚101内部穿过，以用于传输供电电源和控制信号。闲置时，可以采用专用堵头密封所述的接头107、108。

为了便于所述支撑板102在支脚101上的安装固定，本实施例在所述支脚101上还设置有两个连接鳍109，如图5所示，优选焊接在邻近支脚101顶端0.4H的位置处。在连接鳍109上可以开设通孔110，以方便与支撑板102进行螺纹连接。在本实施例中，在每两个相邻的支脚101之间各自安装一块支撑板102，三块支撑板102优选设计成等腰梯形，两端留有通孔，通过螺栓结构与支脚101相连接。支撑板102的中间区域为预留的观测仪器搭载区，可根据实际需要采用打孔、栓压、悬挂、绑固等多种方式将观测仪器搭载在支撑板102上。所述支撑板102在支脚101上的安装位置最好位于距离支脚101顶端的垂直高度H1介于0.05H与0.3H之间的范围内，这样不仅可以起到提高支脚101支撑力度的作用，而且可以避免搭载在支撑板102上的观测仪器在海底观测过程中因接近海底海床而导致观测结果受到影响的问题。

图6为自缓冲底座200的整体结构，主要包括电池、电机、配重220、双层弹性底盘230和单向锁250等组成部分。其中，所述电池、电机、配重220和双层弹性底盘230优选通过钢针240装配固定。所述钢针240的总长优选在70cm至200cm之间、直径在0.5cm至5cm之间、底部的尖端长度为5cm。将钢针240的尖端部分朝下，以用于插入到海底的海床上，避免三脚架搭载平台在海床上滑动。在本实施例中，所述钢针240优选配置四根，在自缓冲底座200上等间距对称分布，以加强支撑力度，并保证每一个支脚101在竖立到海床上后不会沿海床滑动。

在本实施例中，所述电池优选采用自容式电池，所述电机优选采用直流电机，密封安装在一个防水外壳210中，如图7所示。所述防水外壳210优选采用不锈钢材料设计成圆柱体，其高度最好不超过50cm，直径D3优选在15cm-50cm的范围内。在防水外壳210的顶端设计有防水接头211，将连接自容式电池的电源线以及连接电机的信号线通过所述防水接头211伸出，并连接至三脚架主体100上的防水密封接头107，将三脚架主体100上的防水密封接头108与搭载的观测仪器连接，由此便可以利用所述自容式电池为观测仪器供电，并可以接收观测仪器发出的控制信号，以控制自缓冲底座200中的电机运转。在所述圆柱形防水外壳210的顶面和底面可以开设四个对称的通孔212，以用于插装所述的四根钢针240。

所述自容式电池的规格（例如额定电压、功率等）可以根据三脚架所搭载的观测仪器的实际应用需要具体选用，固装在所述的防水外壳210中。在防水外壳210的顶部设置有调节螺母241和传动机构（图中未示出），所述调节螺母241安装在钢针240上，钢针240的上半部分形成有外螺纹242，下半部分形成有连续的齿状斜台面243，如图12所示。将调节螺母241与钢针240上半部分所形成的外螺纹242螺纹连接，传动机构连接防水外壳210中的电机。当本实施例的三脚架搭载平台投放到海底后，若某一根支脚高于其他两根支脚，则可以通过控制与该支脚连接的自缓冲底座中的电机旋转来驱动与所述电机连接的传动机构动作，进而带动调节螺母241旋转下移，改变施加到双层弹性底盘230上的压力，进而通过改变双层弹性底盘230中两个底盘231、232之间的间距，以降低该支脚的高度，调节搭载台103水平。

在所述防水外壳210的下方安装配重220，结合图6、图8所示。所述配重220优选采用铅材料制成，每个配重220的质量在20kg-50kg之间，可以根据需要选用所需数量的配重，本实施例优选在自缓冲底座200中安装两个配重220，如图6所示。将每个配重220设计成圆饼状，直径为D4（D3<=D4<=D3+20cm）。在每个配重220的顶面分别开设四个对称的通孔221，以用于插装所述的四根钢针240。在每一个配重220上分别铣出一个U形缺口222，如图8所示，将所述U形缺口222延伸并穿过配重220的中心，以用于安装支脚101上的脚架105。在将自缓冲底盘200安装到三脚架主体100上时，可以将支脚101底部的圆角矩形脚架105伸入到配重220的所述U形缺口222中。此时，圆角矩形脚架105刚好与所述U形缺口222相适配，通过螺钉穿过脚架105上的安装孔106以及配重220的中心，便可以将配重220和支脚101固定安装在双层弹性底盘230上。调整调节螺母241，将防水外壳210、配置220以及双层弹性底盘230紧固在一起。

在所述双层弹性底盘230中设置有上底盘231、下底盘232和夹在上下底盘231、232之间的弹簧233，结合图6、图9、图10所示。上底盘231的直径D5可以在D4至D4+20cm的范围内取值，中心为通孔或者粗螺栓柱234，以用于与支脚101底部的脚架105以及配重220螺纹连接固定。在上底盘231的顶面开设有四个对称的通孔235，以用于插装所述的四根钢针204。所述下底盘232的轮廓和尺寸与上底盘231相同，也有四个对称的通孔236，以用于插装所述的四根钢针204。在每个通孔236两侧各开设有一个小通孔237，用于固定单向锁250。

所述弹簧233优选采用高强度的不锈钢弹簧，切变模量不小于6*104MPa，弹簧丝直径不小于0.2cm，弹簧直径不大于7.5cm，有效圈数不小于50圈。所述弹簧233优选安装四根，分别与上、下底盘231、232的四个对称通孔235、236呈同心分布，弹簧233的上、下两端分别与上、下底盘231、232对应焊接，在插入所述钢针240后，四根钢针240刚好一一对应地从四根弹簧233中穿过。

在下底盘232的底部安装单向锁250，结合图11、图12所示。所述单向锁250优选设计成大、小两个同心圆柱体251、252，上圆柱体251的直径大于下圆柱体252的直径。在两个同心圆柱体251、252的中心分别开设有一个圆形安装孔253、254，在所述安装孔253、254的两侧分别开设有两个对称的小通孔255、256，与下底盘232的小通孔237正对，两个小通孔255、256用来将单向锁250固定到下底盘232的底部。

在所述单向锁250的中间层夹有一个定向弹簧斜台面257，方向向上，用于与钢针240下半部分的齿状斜台面243相咬合，形成单向锁定装置，以限制自缓冲底座200只能向下方单向移动。

在对所述三脚架搭载平台进行实物设计时，可以采用以下步骤进行具体设计：

1、对拟观测区域进行海底地质调查和资料分析；

结合观测点的取样分析结果、现场勘察结果和资料分析，确定观测区域的水深、波浪、潮汐情况，底床的浅地层剖面、粒度成分、孔隙水压力、抗剪强度等，这些数据将作为三脚架搭载平台的现场稳定性的基础性参考资料。

2、将调查资料与现场观测的实际需求相结合，计算对三脚架搭载平台的能力要求；

仪器下放过程中，ΔF=G-F_浮-F_阻=mg-ρ_液gV_排-k V =0, 根据文献资料记载，匀速布放速度建议为0.5~1m/s，由于本实施例中设计有插入土体的钢针240，因此入土冲量不宜太小，建议统一取1m/s，由此可以得到下放体质量（m）和体积（V）的关系。

3、确定此次观测选用的观测仪器与搭载方式，改造支撑板以满足搭载要求；

根据拟布放的观测仪器的搭载方式改造支撑板102的结构和外形尺寸，使之能够满足搭载需求；根据支撑板102的外形尺寸能够确定三脚架主体100的外形尺寸范围。

4、根据对三脚架搭载平台提出的要求，确定三脚架搭载平台的各个参数的有效值区间，并结合使用经验进行定值；

根据步骤3中得到的三脚架主体100的外形尺寸范围以及步骤2中得到的三脚架质量（m）和体积（V）的关系，初步确定三脚架的质量（m）、体积（V）和外形尺寸的范围。并根据步骤1中观测点资料可以确定三脚架的防侧滑要求（由浅地层剖面资料、抗剪强度等资料确定钢针的初始入土深度）、防沉降要求（由三脚架质量和体积关系计算整套系统的水下净重[m₀]、由钢针240的入土深度确定下底盘232能够提供的支撑力[F_c]、由双层弹性底盘230上的弹簧233的最大弹性形变可以计算最大缓冲力[f_max]，满足m₀≤F_c+f_max）和自缓冲要求（计算不均匀沉降时产生的最大侧重[F_s]、由双层弹性底盘232上的弹簧233的初始弹性形变可以计算初始缓冲力[f₀]，满足F_s≤f_max-f₀），由这些要求可以确定自缓冲底座200的尺寸和参数范围、具体化三脚架主体100的定义域尺寸。最后，根据使用经验在各参数定义区间内定值。

5、按照本实施例给出的设计结构和材料要求，结合确定的参数定值进行样机加工。

6、加工完成的样机，结合布放要求和现场情况，对三脚架搭载平台进行最终调整。

根据实际样机的初始弹簧长度、现场布放环境、布放条件，调整钢针240上的单向锁250的位置以及调节螺母241的位置。

在实际样机上搭载水平仪以及其他所需的观测仪器，随三脚架搭载平台一同投放到待测海域中。在三脚架搭载平台中的钢针240稳定地插入到海床上后，首先利用自缓冲底座200中的自容式电池为所述的水平仪供电。通过水平仪检测搭载台103的水平状态，若水平仪检测到搭载台103倾斜，则根据检测结果生成控制信号，传输至与高度相对较高的支脚100所连接的自缓冲底盘200，具体传输至所述自缓冲底盘200中的电机，通过驱动所述电机带动该自缓冲底盘200上的调节螺母241旋转下移，以降低所述高度相对较高的支脚101的高度，进而调整搭载台103达到水平状态，以确保观测仪器能够准确地进行海底观测。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于海底观测的三脚架搭载平台，设置有三脚架主体，所述三脚架主体包括三个支脚和安装在三个支脚顶部的搭载台；其特征在于：在所述三个支脚的底部各自安装有一个自缓冲底座，在每一个自缓冲底座中均设置有电池、电机、配重和双层弹性底盘，所述电池、电机、配重和双层弹性底盘通过钢针装配固定，所述钢针的尖端部分朝下，用于插入到海底的海床上；在所述钢针上形成有外螺纹，其上安装有调节螺母，所述电机通过传动机构连接所述的调节螺母，通过调节所述调节螺母以改变施加到所述双层弹性底盘上的压力，进而通过改变双层弹性底盘中两个底盘之间的间距，以调整所述搭载台水平。

2.根据权利要求1所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：所述外螺纹形成在所述钢针的上半部分，所述钢针的下半部分形成有连续的齿状斜台面，在所述自缓冲底座的底部安装有单向锁，所述单向锁与所述齿状斜台面相配合，以限制所述自缓冲底座仅向下方单向移动。

3.根据权利要求2所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：在所述单向锁中设置有上下两个同心圆柱体，上圆柱体的直径大于下圆柱体的直径，且在两个圆柱体的圆心位置均开设有通孔，所述钢针穿过所述通孔；在所述上圆柱体与下圆柱体之间夹有一个方向向上的定向弹簧斜台面，所述定向弹簧斜台面与所述钢针上的所述齿状斜台面相卡合，以限制所述自缓冲底座单向移动。

4.根据权利要求3所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：所述双层弹性底盘位于所述自缓冲底座的最下层，在所述单向锁的上下两个圆柱体上分别开设有两个安装孔，通过螺钉穿过所述安装孔将所述单向锁固定安装在所述双层弹性底盘的底部。

5.根据权利要求4所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：所述配重安装在所述双层弹性底盘的上方，在所述配重上开设有U形缺口，所述U形缺口延伸并穿过所述配重的中心；在所述三个支脚的底部设置有圆角矩形的脚架，所述脚架伸入到所述配重的所述U形缺口中，且刚好与所述U形缺口相适配；在所述脚架上开设有安装孔，通过螺钉穿过所述配重的中心以及所述脚架上的所述安装孔，将所述配重和脚架固定安装在所述的双层弹性底盘上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：在所述双层弹性底盘中设置有上下两个底盘，两个底盘的中间安装有弹簧，所述钢针穿过所述的两个底盘并从所述弹簧中穿过。

7.根据权利要求6所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：所述钢针设置有四个，在所述自缓冲底座上等间距对称分布；所述弹簧设置有四根，一一对应的套装在四个所述的钢针上。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：所述电池和电机安装在防水外壳中，所述传动机构和调节螺母位于所述防水外壳的顶部；在所述防水外壳上安装有防水接头，连接所述电池的电源线和连接所述电机的信号线经由所述防水接头伸出，并连接至所述三脚架搭载平台所搭载的观测仪器，为所述观测仪器供电并接收观测仪器输出的控制信号，以控制所述电机运转。

9.根据权利要求8所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：在所述观测仪器中包含有水平仪，通过水平仪检测所述搭载台的水平状态，进而根据检测结果生成所述的控制信号，传输至高度相对较高的支脚所对应的电机，通过驱动所述电机带动所述调节螺母旋转下移，以降低所述高度相对较高的支脚的高度，进而调整所述搭载台水平。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的用于海底观测的三脚架搭载平台，其特征在于：在所述三脚架主体中还设置有三个支撑板，在每两个相邻的支脚之间安装一块所述的支撑板，所述支撑板距离支脚顶端的垂直方向的高度H1介于0.05H与0.3H之间，所述H为单个所述支脚的长度。