CN106082053A - 一种多单元水下垂直运输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多单元水下垂直运输系统，包括导航缆、上部控制单元、若干个中部运载单元和可以自由升降的下部压载单元，所述上部控制单元、若干个叠加放置的中部运载单元和下部压载单元均依次套在导航缆上，上部控制单元、若干个中部运载单元和下部压载单元通过第一卡扣锁紧成一个整体，所述导航缆一端连接在海洋平台上，另一端与位于海底的对接装置连接，在对接装置旁设有机械手。本发明的一种多单元水下垂直运输系统，该水下垂直运输系统采用导航缆和海底对接装置，运输装置沿着导航缆运输物资，能够实现物资的定点投放，解决不能确定投放区域的问题，运输装置采用水密结构，能够实现物资的水密运输。

Description

一种多单元水下垂直运输系统

技术领域

本发明涉及多单元水下垂直运输系统，属于海洋领域。

背景技术

对于深海装备，建立海底空间站成为开发海洋的重要举措，由于深潜过程的复杂和风险，水下运输成为维持海底空间站长期运作的重要设备。

海洋平台是海上油气开采的重要海工装备，技术已经很成熟，用张力腿平台和半潜式平台等通过锚泊系统实现海上定位，并为石油开采等工作提供作业平台。然而，多数海洋平台只具有向上运输原油的立管系统，不具备可以向下为海底空间站提供补给物资运输的能力。

对海底进行物资输送和回收时，目前采用的运输装置多为吊篮形式或者其他非水密结构，不能实现物资的水密运输，并且，这些运输装置多为一体化结构，不易于形成标准化的补给模式，只能向海底零散的补给物资，这些运输装置的上端与运输船连接，下端连接吊篮或非水密结构上，在海中容易受到水流的影响，不能确定投放区域，目前世界上多数运输装置在运输量上还不能做到精准控制，大多数采取单一的运输单元，缺乏多模块灵活运输，并且在运输量上也有所欠缺。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多单元水下垂直运输系统，该水下垂直运输系统采用导航缆和海底对接装置，运输装置沿着导航缆运输物资，能够实现物资的定点投放，解决不能确定投放区域的问题，运输装置采用水密结构，能够实现物资的水密运输。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种多单元水下垂直运输系统，包括导航缆、上部控制单元、若干个中部运载单元和可以自由升降的下部压载单元，所述上部控制单元、若干个叠加放置的中部运载单元和下部压载单元均依次套在导航缆上，上部控制单元、若干个中部运载单元和下部压载单元通过第一卡扣锁紧成一个整体，所述导航缆一端连接在海洋平台上，另一端与位于海底的对接装置连接，在对接装置旁设有机械手；所述上部控制单元、若干个中部运载单元和下部压载单元均为独立的水密单元，所述上部控制单元和下部压载单元为朝向相反的两个八棱台，中部运载单元为八棱柱结构。

作为优选，所述中部运载单元为一个整体结构，在中部运载单元上设有密闭的舱门，中部运载单元设有从中心孔延伸至中部运载单元的边缘的缺口。

作为优选，所述中部运载单元包含两个半圆结构体，在半圆结构体上均设有密封的舱门，半圆结构体的圆心出设有中心孔，两个半圆结构体通过第二卡扣形成一个整体。

作为优选，所述上部控制单元设有水声定位系统，水声定位系统由三个垂直相距20厘米的三个基元阵组成，所述下部压载单元底部设有橡胶环垫，橡胶环垫的外表面分布有多个半球形的凸起，各个凸起之间交错分布。

作为优选，所述第一卡扣包含吊码和与吊码配合使用的凹槽，吊码固定在上部控制单元、中部运载单元和下部压载单元的上方，凹槽位于上部控制单元和中部运载单元的下方，吊码内设有可旋转的圆柱体，圆柱体内设有锁槽，所述锁槽的底面为圆形凹槽，圆形凹槽上延伸有矩形凹槽，所述凹槽内设有可升降的锁条，锁条的底面为长方体的锁棒，通过将锁棒降入到圆形凹槽内，转动圆柱体，通过锁棒将凹槽与吊码连接。

作为优选，所述锁条包含设有燕尾槽的第一锁体和设有燕尾的第二锁体，所述第一锁体固定在凹槽内，第二锁体沿第一锁体滑动，第二锁体的底面为锁棒，第二锁体上设有轮齿，凹槽内安装有电机，电机设有齿轮轴，通过齿轮轴带动第二锁体上下移动。

作为优选，所述锁棒上设有凸齿台，圆形凹槽的上方设有与凸齿台配合的齿台槽。

有益效果：本发明的多单元水下垂直运输系统，具有以下优点：(一)依托原有平台的基础建立水下垂直运输系统，成本低，方便快捷；(二)可以实现水面水下物资定点投放精准化；(三)采用水密的运输装置，能够实现物资的水密运输；(四)通过调整自重实现运输，节约能源，运输装置无动力模块，简单、稳定、清洁、可长期使用；(五)采用标准化的多单元的运输装置扩大运输量，能够扩大运输量，所有海洋船舶只要携带此类运载单元，就能够对海底空间站进行物资补给；(六)新型的锁扣装置，确保水下运输过程中的运输装置内单元两两之间的紧密连接。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为运输装置主视图；

图3为运输装置结构示意图；

图4为运输装置俯视图；

图5为运输装置仰视图；

图6为运输装置中部运载单元两种运载结构示意图；

图7为运输装置中有多个运输单元的结构示意图；

图8为凹槽内电机的结构示意图；

图9为吊码结构示意图；

图10为吊码与凹槽配合的内部结构示意图。

其中：导航缆1，运输装置2，控制单元21，水声定位系统211，运载单元22，第一运载舱221，第二运载舱222，压载单元23，底部橡胶环垫24，中心孔25，对接装置3，吊码4，第二卡扣5，凹槽6，第二锁体61，锁棒62，凸齿台621，机械手7，限位开关81，齿轮齿条装置82，齿台槽9，圆柱体10。

具体实施方式

如图1至图10所示，本发明的一种多单元水下垂直运输系统，包括导航缆1和运输装置2，运输装置2包含上部控制单元21、若干个中部运载单元22和可以自由升降的下部压载单元23，所述上部控制单元21、若干个叠加放置的中部运载单元22和下部压载单元23均依次套在导航缆1上，上部控制单元21、若干个中部运载单元22和下部压载单元23通过第一卡扣锁紧成一个整体，所述导航缆1一端连接在海洋平台上，另一端与位于海底的对接装置3连接，在对接装置3旁设有机械手7；所述上部控制单元21、若干个中部运载单元22和下部压载单元23均为独立的水密单元，所述上部控制单元21和下部压载单元23为朝向相反的两个八棱台，中部运载单元22为八棱柱结构。运输装置2采用多边棱柱结构，棱柱结构的外角为45-60度时，结构最为稳固，中部运载单元22能够运送最多的物资，作为优选实施例中采用45度的八棱柱角度。

在本发明中，运输装置2沿着导航缆1运输物资，能够实现物资的定点投放，解决不能确定投放区域的问题，运输装置2采用水密结构，能够实现物资的水密运输。运输装置2选用梭形结构，能够减小运输装置2上升或者下降过程中海水的阻力，当运输装置2遇到潜流时，由于接触面较小并且有一定的斜度能够有效的减轻水流对结构的冲击，也不会如椭圆面一样在水流的带动下不断的旋转，延长整个运输机构的使用寿命。下部压载单元23内分为多个独立密封的水密舱，每个水密舱室内分为压载水舱室和空气压缩舱室，每个压载水舱室的底部设有排/吸水孔，用于吸收或者排水压载水，压缩空气舱室内设置有多个压缩气缸。中部运载单元22为多边结构，整个运载单元22为一个贯通的运载箱，运载箱的中心孔25延伸至一边带有缺口，可以使运载箱和导航缆1叠放在压载单元23上，在运载箱的两边设置有密闭的舱门，通过舱门装载和卸载货物。

在本发明中，所述中部运载单元22为一个整体结构，在中部运载单元22上设有密闭的舱门，中部运载单元22设有从中心孔25延伸至中部运载单元22的边缘的缺口。作为一种变形，所述中部运载单元22包含两个半圆结构体，分别为第一运载舱221和第二运载舱222，在半圆结构体上均设有密封的舱门，半圆结构体的圆心出设有中心孔25，两个半圆结构体通过第二卡扣5形成一个整体。

在本发明中，所述上部控制单元21设有水声定位系统211，水声定位系统由三个垂直相距20厘米的三个基元阵组成，测量运输装置2与海底装置的相位差进行定位；所述下部压载单元23底部设有橡胶环垫24，橡胶环垫24的外表面分布有多个半球形的凸起，各个凸起之间交错分布。缓冲层采用硬橡胶材质，用于缓解其降至海底时对水下第一卡扣的冲击。

在本发明中，运输装置2的顶部都焊接有吊码4；在中部运载单元22和上部控制单元21的底部表面设置有与吊码4相匹配的凹槽6，上中下三部分组合成运输装置2时，凹槽6能完全盖合住吊耳；运输装置2三部分结构对接处壳体外表面中心位置设有第一卡扣，当三个单元叠放在一起时能通过第一卡扣使三个单元连接成一个整体。

在本发明中，运输装置2的上部控制单元21的顶部设置有四个吊码4，底部设置八个凹槽6，用于匹配两种不同的运载单元22；当中部运载单元22分为对称的两部分独立箱体时，每个独立箱体的顶部各设置四个吊码4，底部设置相对的四个凹槽6；当运载单元22为贯通的运载箱时，顶部设置四个吊码4，底部设置八个凹槽6；下部压载舱的顶部设置四个吊码4。

在本发明中，所述第一卡扣包含吊码4和与吊码4配合使用的凹槽6，吊码4固定在上部控制单元21、中部运载单元22和下部压载单元23的上方，凹槽6位于上部控制单元21和中部运载单元22的下方，吊码4内设有可旋转的圆柱体10，圆柱体10的下方与防水电机连接，防水电机可在水中工作，圆柱体10内设有锁槽，所述锁槽的底面为圆形凹槽，圆形凹槽上延伸有矩形凹槽，所述凹槽6内设有可升降的锁条，锁条的底面为长方体的锁棒62，通过将锁棒62降入到圆形凹槽内，转动圆柱体，通过锁棒62将凹槽6与吊码4连接。所述锁条包含设有燕尾槽的第一锁体和设有燕尾的第二锁体61，所述第一锁体固定在凹槽6内，第二锁体61沿第一锁体滑动，第二锁体61的底面为锁棒62，第二锁体61上设有轮齿，凹槽6内安装有电机，电机为防水电机，可以在水中工作，电机设有齿轮轴，通过齿轮轴带动第二锁体61上下移动。所述锁棒62上设有凸齿台621，圆形凹槽的上方设有与凸齿台621配合的齿台槽9。锁条和齿轮轴均为不锈钢材料制成，长时间在海水中不会生锈。

在本发明中，压载水阀门遥控系统采用控制压载水泵的方式实现压载水的排除与吸入，压载水泵从海中吸水，把压载水送入压载舱内，实现压载水舱的进水；当需要排水时，则用压载泵从压载舱吸水，然后通过排水管路，将压载水排出单元外，当海水压力过大时，可以控制打开压缩空气舱室的阀门，通过注入压缩空气的方法实现压载水的排出，通过调节压载水的状态，调整左右壳体重量平衡，改变浮力和自身重力关系，改变运输方向、速度。

在本发明中，第二锁体61的材料考虑到运载货物的重量和水下运作环境等多方面因素，钛合金由于其强度高、刚性好、质轻的特点作为优选。第二锁体61左右两端的两个凸齿台621采用正棱台形，能够确保凸齿台621在锁紧后达到受力分布最大化的同时保证五个受力面的压力分布合理，确保锁扣装置不会出现任何意外。

考虑到为了充分利用运输舱容，在选取推拉旋转装置时，尽量把这两种装置所占体积控制在最小范围内的同时亦能保证推拉旋转装置操作过程中的精度，因此推拉装置选取齿轮齿条机构82。推拉装置和旋转装置可采用普通交流电机工作，推拉装置在齿条两侧各安装一个限位开关，在锁槽装置锁紧位置(锁紧位置代表在电机旋转90°处)安装限位开关。

在本发明中，运输装置2的上部控制单元21和下部压载单元23在结构上能够采用对称布置或非对称布置，对称布置时，作为优选上中下三个单元的高度比为1:2:1；非对称布置时，作为优选上中下三个单元的高度比为2:3:2。

在本发明中，海底空间站的机械手7可以为带吸盘的机械手7，通过吸盘吸住运载单元22，吸盘可以采用抽真空方式或者磁铁方式，吸附运载单元22。海洋平台也可以收回整个运输装置2，将多个卸出货物的运载单元22叠放至控制单元21和压载单元23中间，通过第一卡扣扣合成一个整体，将运输装置2重新固定于导航缆1，并将其释放，实现无动力上浮。

当控制吊码4和凹槽6盖和时，凹槽6中的第二锁体61嵌入到吊码4的锁槽装置中，正好使得锁棒62的A面准确与锁槽装置内的C面在同一条直线上保持水平。首先通过凹槽6上方的拉伸装置控制凹槽6中第二锁体61向下延伸(延伸距离通过安装的限位开关81来决定，图中只显示一个限位开关，实际情况是齿条两端都各安装一个限位开关)，当齿轮移动到齿条末端触碰到限位开关81时下降运动停止，再启动吊码4下方的旋转装置内的电机控制吊码4内的锁槽整体旋转90°(旋转角度通过事先按照在旋转90°后处的限位开关来实现)使电动机带动锁槽装置旋转90°后停止，再启动拉伸装置控制第二锁体61上升使得锁棒62上的凸齿台621准确契合到锁槽装置中的齿台槽9内。当运输装置2到达海底空间站时，再启动电机运作，拉伸装置控制向下延伸，锁槽装置旋转90°，再控制拉伸装置控制向上拉伸，使得凹槽6和吊码4内的锁扣分开。整体操作流程就是PLC编程控制上下方两个电机a和电机b：a下降→b旋转→a上升→b下降→b旋转→a上升，其中电机a为凹槽内的电机，电机b为吊码内的旋转电机。

如图7所示，在向海底空间站运输物资或者收回运输装置2时，在满足运输装置2下潜的条件下，可以一次运输多个运载单元22，运载单元22相互叠加，可根据情况选用两种运载单元22的结构形式，可以全部单独选用一种运载单元22叠加，也可以两种运载单元22混合叠加，形成大型运载单元22。

本发明在使用时，先将导航缆1穿过上部控制单元21和下部压载单元23，中部运载单元22通过缺口套在导航缆1上，下部压载单元23进水下沉，带动整个运输装置2下沉，下沉到合适位置后，上部控制单元21控制分离运输装置2，上部控制单元21上浮，机械臂抓取中部运载单元22，下部压载单元23压缩空气上浮，进行下一个循环。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多单元水下垂直运输系统，其特征在于：包括导航缆、上部控制单元、若干个中部运载单元和可以自由升降的下部压载单元，所述上部控制单元、若干个叠加放置的中部运载单元和下部压载单元均依次套在导航缆上，上部控制单元、若干个中部运载单元和下部压载单元通过第一卡扣锁紧成一个整体，所述导航缆一端连接在海洋平台上，另一端与位于海底的对接装置连接，在对接装置旁设有机械手；所述上部控制单元、若干个中部运载单元和下部压载单元均为独立的水密单元，所述上部控制单元和下部压载单元为朝向相反的两个八棱台，中部运载单元为八棱柱结构。

2.根据权利要求1所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述中部运载单元为一个整体结构，在中部运载单元上设有密闭的舱门，中部运载单元设有从中心孔延伸至中部运载单元的边缘的缺口。

3.根据权利要求1所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述中部运载单元包含两个半圆结构体，在半圆结构体上均设有密封的舱门，半圆结构体的圆心出设有中心孔，两个半圆结构体通过第二卡扣形成一个整体。

4.根据权利要求1所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述上部控制单元设有水声定位系统，水声定位系统由三个垂直相距20厘米的三个基元阵组成，所述下部压载单元底部设有橡胶环垫，橡胶环垫的外表面分布有多个半球形的凸起，各个凸起之间交错分布。

5.根据权利要求1所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述第一卡扣包含吊码和与吊码配合使用的凹槽，吊码固定在上部控制单元、中部运载单元和下部压载单元的上方，凹槽位于上部控制单元和中部运载单元的下方，吊码内设有可旋转的圆柱体，圆柱体内设有锁槽，所述锁槽的底面为圆形凹槽，圆形凹槽上延伸有矩形凹槽，所述凹槽内设有可升降的锁条，锁条的底面为长方体的锁棒，通过将锁棒降入到圆形凹槽内，转动圆柱体，通过锁棒将凹槽与吊码连接。

6.根据权利要求5所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述锁条包含设有燕尾槽的第一锁体和设有燕尾的第二锁体，所述第一锁体固定在凹槽内，第二锁体沿第一锁体滑动，第二锁体的底面为锁棒，第二锁体上设有轮齿，凹槽内安装有电机，电机设有齿轮轴，通过齿轮轴带动第二锁体上下移动。

7.根据权利要求5或6所述的多单元水下垂直运输系统，其特征在于：所述锁棒上设有凸齿台，圆形凹槽的上方设有与凸齿台配合的齿台槽。