CN107728226A - 一种采用海水压力能驱动的静力触探器 - Google Patents

Abstract

本发明属于触探器相关技术领域，其公开了采用海水压力能驱动的静力触探器，所述静力触探器包括变量马达、耐压腔体、主动轮、从动轮及触探杆，所述变量马达与所述耐压腔体通过管道相连通；所述主动轮连接于所述变量马达的输出轴，所述从动轮与所述主动轮相对设置，其中心轴与所述主动轮的中心轴相互平行；所述触探杆的一端位于所述主动轮及所述从动轮之间，其与所述主动轮及所述从动轮均相抵持；所述管道内流动的海水带动所述变量马达转动，所述变量马达带动所述主动轮转动，由此所述主动轮与所述从动轮相配合来带动所述触探杆上下移动。上述静力触探器结构简单，节能环保，成本较低，可靠性高。

Description

一种采用海水压力能驱动的静力触探器

技术领域

本发明属于触探器相关技术领域，更具体地，涉及一种采用海水压力能驱动的静力触探器。

背景技术

海底静力触探器是获取海底精确地质资料与数据的重要手段与工具，其在海洋工程地质勘查与海底矿产资源勘探方面有着广泛的应用。目前，海底静力触探器有脐带式电缆供电及大容量电池供电两种供电方式，触探杆驱动方式有液压驱动和电机驱动两种。

现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，以下从两个方面进行具体说明。1.脐带式电缆供电系统及两种驱动方式。范登堡公司发明了ROSON-40kN静力触探系统，其采用电机通过摩擦轮驱动探杆贯入海底，最大工作水深2000米，最大触探深度40米，极限贯入力为40kN。该系统通过脐带电缆从水面船只向水下探杆驱动单元输送电能，脐带电缆由一台专门的恒张力绞车收放，绞车上的变配电设备将船上的380V-420V交流电升压后通过脐带电缆输送至水下探杆驱动单元，探杆驱动单元中的变配电电力电子设备再将电压转换成电机的额定电压。ROSON-40KN CPT系统配备的脐带电缆仅用于供电和通讯，提升和下放需要另外配置一套钢缆和绞车，双缆作业时需要重点提防钢缆与脐带电缆的缠绕。

荷兰辉固公司发明的Seacalf CPT系统的基本结构与ROSON CPT系统类似，不同的是其探杆由电机、液压泵、控制阀与马达等组成的水下液压系统驱动，该系统最大工作水深为2500米，最大触探深度为40米，探杆极限贯入力为200kN。

液压驱动技术相对电机驱动技术具有功率密度大、无级调速和传动平稳等优势，能提供较大的探杆贯入力，但系统相对复杂。此外，上述海床式静力触探系统的探杆驱动系统均由水面船只通过脐带电缆供电，需要配备水下电机、水下变配电及继电控制设备，这类电气设备环节较多且体积较大，任何一个环节因高压海水泄漏或者散热不佳都将导致过热产生故障，都会造成整个驱动系统无法工作；对于重型静力触探系统(ROSON系列、SEACALF系列等)，由于其触探深度和自重大，一般采用双缆作业，水下作业时吊放钢缆易与脐带电缆缠绕，而引发设备故障。

2.大容量电池供电系统。IFREMER研制了一种自带大容量电池供电的Penfeld静力触探系统，其探杆的液压驱动系统由铅蓄电池供电，与水面船只的信号交换通过水声通讯技术进行。由于摆脱了脐带电缆等输配电设备的限制，Penfeld最大工作水深达6000米，最大触探深度达30米。该系统自带的蓄电池采用充油的方式置于电池箱内，总容量为1.08KWh，电池的直流电经过逆变器转换成三相交流电供给液压驱动系统的异步交流电机。

然而，采用大容量电池为系统供电时，由于水下蓄电池存在析气的问题，当析气量大时会产生危险，因此高压环境下的蓄电池供电方式存在可靠性较差，使用效率较低及使用成本较高的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用海水压力能驱动的静力触探器，其基于现有静力触探器的工作特点，研究及设计了一种采用海水压力能驱动的静力触探器。所述静力触探器采用静水压力能作为驱动能源，其中静水压力能是海底高压海水天然具有的一种清洁可再生能源，节能环保，且省去了电机、液压泵、大容量电池及变配电设备，简化了结构，提高了可靠性及效率，成本较低。此外，存储海水的耐压腔体相对于大容量电池及水下变电设备对海水泄露并不敏感，也不存在温升及析气导致故障的问题，同时无需用于供电的脐带式电缆，解决了双缆作业中钢缆与电缆的缠绕问题，提高了工作效率及可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种采用海水压力能驱动的静力触探器，其包括变量马达、耐压腔体、主动轮、从动轮及触探杆，所述变量马达与所述耐压腔体通过管道相连通；所述主动轮连接于所述变量马达的输出轴，所述从动轮与所述主动轮相对设置，其中心轴与所述主动轮的中心轴相互平行；所述触探杆的一端位于所述主动轮及所述从动轮之间，其与所述主动轮及所述从动轮均相抵持，即所述主动轮及所述从动轮共同夹紧所述触探杆；

所述管道内流动的海水带动所述变量马达转动，所述变量马达带动所述主动轮转动，由此所述从动轮转动，所述主动轮与所述从动轮相配合通过摩擦力带动所述触探杆上下移动。

进一步地，所述静力触探器还包括行星轮减速器，所述行星轮减速器连接所述输出轴及所述主动轮，所述行星轮减速器与所述主动轮同轴设置。

进一步地，所述静力触探器还包括换向阀，所述换向阀位于所述变量马达的上游，所述耐压腔体位于所述变量马达的下游，所述换向阀用于控制海水的流入及流速。

进一步地，所述静力触探器还包括支撑框架，所述支撑框架包括上下两层，所述耐压腔体位于下层，所述换向阀、所述变量马达、所述行星减速器、所述主动轮、所述从动轮及所述触探杆位于上层。

进一步地，所述支撑框架包括上框架及垂直连接于所述上框架的下框架，所述下框架上设置有中间板，所述中间板将所述支撑框架分为上下两层；所述变量马达安装在所述中间板上。

进一步地，所述中间板上垂直固定有两个间隔设置的固定板，所述主动轮及所述从动轮均位于两个所述固定板之间，所述从动轮通过短轴连接于两个所述固定板。

进一步地，所述静力触探器还包括角速度传感器，所述角速度传感器连接于所述变量马达，其用于检测所述变量马达的输出轴的转速。

进一步地，所述静力触探器还包括控制器，所述控制器连接于所述角速度传感器，其用于接收来自所述角速度传感器检测到的转速，并将接收到的转速转换为所述触探杆的实际线速度，继而将所述实际线速度与线速度额定值进行比较以得到速度差值。

进一步地，所述控制器还连接于所述变量马达，其用于根据所述速度差值输出控制信号给所述变量马达以调节所述变量马达的排量，由此稳定所述触探杆的速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的采用海水压力能驱动的静力触探器主要具有以下有益效果：

1.所述管道内流动的海水带动所述变量马达转动，所述变量马达带动所述主动轮转动，由此所述从动轮转动，所述主动轮与所述从动轮相配合通过摩擦力带动所述触探杆上下移动，采用静水压力能作为驱动能源，其中静水压力能是海底高压海水天然具有的一种清洁可再生能源，节能环保，且省去了电机、液压泵、大容量电池及变配电设备，简化了结构，提高了可靠性及效率，成本较低；

2.存储海水的耐压腔体相对于大容量电池及水下变电设备对海水泄露并不敏感，也不存在温升及析气导致故障的问题，可靠性较高；

3.所述静力触探器无需用于供电的脐带式电缆，解决了双缆作业中钢缆与电缆的缠绕问题，提高了工作效率及可靠性；

4.所述控制器还连接于所述变量马达，其用于根据所述速度差值输出控制信号给所述变量马达以调节所述变量马达的排量，由此稳定所述触探杆的速度，保证所述触探杆在给定的速度范围内线性移动，提高了触探杆获取信息的准确性。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的采用海水压力能驱动的静力触探器的结构示意图；

图2是图1中的采用海水压力能驱动的静力触探器的局部示意图；

图3是图1中的采用海水压力能驱动的静力触探器的另一个局部示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-管道，2-换向阀，3-变量马达，4-耐压腔体，5-行星减速器，6-从动轮，7-控制器，8-触探杆，9-角速度传感器，10-主动轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明较佳实施方式提供的采用海水压力能驱动的静力触探器，所述静力触探器采用静水压力能作为驱动能源，其中静水压力能是海底高压海水天然具有的一种清洁可再生能源，节能环保，且省去了电机、液压泵、大容量电池及变配电设备，简化了结构，提高了可靠性及效率，成本较低。2000米深海底的200升海水具有的静水压力能与Penfeld静力触探系统自带的铅蓄电池容量相当，其足够支持单次下潜作业中对五个不同地点分别实施30米深的静力触探；将该能量用于单次静力触探，在不考虑能量转换损失的情况下，按照探杆贯入路径上平均25kN的阻力，触探深度达160米；由于海水静水压力能产生于高压海水与耐压腔体之间的压力差，因此基于海水静水压力能的探杆驱动系统不再需要大容量电池与脐带电缆供电，也不再需要水下电机与液压泵等动力元件。

所述静力触探器包括支撑框架、管道1、换向阀2、变量马达3、耐压腔体4、行星减速器5、从动轮6、控制器7、触探杆8、角速度传感器9及主动轮10。所述支撑框架用于支撑所述管道1、所述换向阀2、所述变量马达3、所述耐压腔体4、所述行星减速器5、所述从动轮6、所述控制器7、所述触探杆8、所述角速度传感器9及所述主动轮10。所述换向阀2、所述变量马达3及所述耐压腔体4依次通过所述管道1相连接，所述变量马达3设置在所述支撑框架上。所述行星减速器5连接所述变量马达3的输出轴及所述主动轮10，所述从动轮6与所述主动轮10均水平设置，所述触探杆8的一端与所述主动轮10及所述从动轮6相抵持。所述角速度传感器9与所述控制器7相连接，且两者均设置于所述支撑框架上。

所述支撑框架包括上下两层，所述耐压腔体4设置于下层，所述换向阀2、所述变量马达3、所述行星减速器5、所述从动轮6、所述控制器7、所述触探杆8、所述角速度传感器9及所述主动轮10设置于上层。所述支撑框架包括上框架及与所述上框架垂直连接的下框架，所述下框架上设置有中间板，所述中间板将所述支撑框架分为上下两层。所述中间板上垂直固定有两个固定板，两个所述固定板相对间隔设置。

所述管道1连接所述换向阀2、所述变量马达3及所述耐压腔体4，其用于供海水流通。所述换向阀2与所述耐压腔体4分别位于所述变量马达3相背的两侧，所述换向阀2用于控制海水的流入及流速。所述变量马达3由所述管道1内流动的海水带动转动，其输出轴带动所述行星减速器5转动，所述行星减速器5带动所述主动轮10转动，所述主动轮10与所述从动轮6相配合来带动所述触探杆8上下移动。本实施方式中，所述换向阀2安装在所述变量马达3的上游，所述耐压腔体4安装在所述变量马达3的下游；所述变量马达3安装在所述中间板上。

所述行星轮减速器5连接于所述变量马达3的输出轴，所述主动轮10连接于所述行星减速器5同轴安装。本实施方式中，所述主动轮10位于两个所述固定板之间。所述行星减速器5用于减小所述主动轮10的转速，由此增大所述主动轮10的输出扭矩，使所述主动轮10的转速与所述触探杆8的下探速度匹配。

所述从动轮6通过短轴安装在两个所述固定板上，其中心轴与所述主动轮10的中心轴相互平行。所述从动轮6与所述主动轮10共同用于夹紧所述触探杆8，所述主动轮10转动的同时带动所述从动轮6转动，以摩擦力带动所述触探杆8运动，使得所述触探杆8以相对稳定的速度做直线运动。

所述触探杆8随实时记录自身行进过程中受到的力，以得到此处的海底地质情况。所述控制器7设置在所述中间板上，其分别连接于所述变量马达3及所述角速度传感器9。所述角速度传感器9连接于所述变量马达3，其用于检测所述变量马达3的输出轴的转速，并将检测到的转速传输给所述控制器7。所述控制器7将接收到转速转换为所述触探杆8的实际线速度，并将得到的实际线速度与给定的所述触探杆8的线速度额定值进行比较以得到两者的速度差值。所述控制器7根据所述速度差值输出控制信号来调节所述变量马达3的斜盘角度，由此调节所述变量马达3的排量以达到稳定所述触探杆8的目的。

当所述静力触探器下潜到工作深度时，所述换向阀2打开，海水在压力作用下进入所述管道1，由此被压入所述耐压腔体4内，当海水在所述管道1内流动时会带动所述变量马达3转动，所述变量马达3随机输出转速及扭矩。所述耐压腔体4装满海水后海水能量转换完毕，将所述耐压腔体4内的海水排出，所述静力触探器即可重新开始工作。本实施方式中，在2000m工作水深，容积为200升的所述耐压腔体4能提供1.1千瓦时的能量，所述静力触探器将海水的压力能转换为所述触探杆8的机械能的效率能够达到90％左右。

本发明提供的采用海水静压力能驱动的静力触探器，所述静力触探器采用静水压力能作为驱动能源，其中静水压力能是海底高压海水天然具有的一种清洁可再生能源，节能环保，且省去了电机、液压泵、大容量电池及变配电设备，简化了结构，提高了可靠性及效率，成本较低。此外，存储海水的耐压腔体相对于大容量电池及水下变电设备对海水泄露并不敏感，也不存在温升及析气导致故障的问题，同时无需用于供电的脐带式电缆，解决了双缆作业中钢缆与电缆的缠绕问题，提高了工作效率及可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：

所述静力触探器包括变量马达、耐压腔体、主动轮、从动轮及触探杆，所述变量马达与所述耐压腔体通过管道相连通；所述主动轮连接于所述变量马达的输出轴，所述从动轮与所述主动轮相对设置，其中心轴与所述主动轮的中心轴相互平行；所述触探杆的一端位于所述主动轮及所述从动轮之间，其与所述主动轮及所述从动轮均相抵持，即所述主动轮及所述从动轮共同夹紧所述触探杆；

所述管道内流动的海水带动所述变量马达转动，所述变量马达带动所述主动轮转动，由此所述从动轮转动，所述主动轮与所述从动轮相配合通过摩擦力带动所述触探杆上下移动。

2.如权利要求1所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述静力触探器还包括行星轮减速器，所述行星轮减速器连接所述输出轴及所述主动轮，所述行星轮减速器与所述主动轮同轴设置。

3.如权利要求1-2任一项所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述静力触探器还包括换向阀，所述换向阀位于所述变量马达的上游，所述耐压腔体位于所述变量马达的下游，所述换向阀用于控制海水的流入及流速。

4.如权利要求3所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述静力触探器还包括支撑框架，所述支撑框架包括上下两层，所述耐压腔体位于下层，所述换向阀、所述变量马达、所述行星减速器、所述主动轮、所述从动轮及所述触探杆位于上层。

5.如权利要求4所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述支撑框架包括上框架及垂直连接于所述上框架的下框架，所述下框架上设置有中间板，所述中间板将所述支撑框架分为上下两层；所述变量马达安装在所述中间板上。

6.如权利要求5所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述中间板上垂直固定有两个间隔设置的固定板，所述主动轮及所述从动轮均位于两个所述固定板之间，所述从动轮通过短轴连接于两个所述固定板。

7.如权利要求1-2任一项所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述静力触探器还包括角速度传感器，所述角速度传感器连接于所述变量马达，其用于检测所述变量马达的输出轴的转速。

8.如权利要求7所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述静力触探器还包括控制器，所述控制器连接于所述角速度传感器，其用于接收来自所述角速度传感器检测到的转速，并将接收到的转速转换为所述触探杆的实际线速度，继而将所述实际线速度与线速度额定值进行比较以得到速度差值。

9.如权利要求8所述的采用海水压力能驱动的静力触探器，其特征在于：所述控制器还连接于所述变量马达，其用于根据所述速度差值输出控制信号给所述变量马达以调节所述变量马达的排量，由此稳定所述触探杆的速度。