CN107870098A - 一种自推进式海洋可视抓斗及其取样船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自推进式海洋可视抓斗及其取样船。该自推进式海洋可视抓斗，包括一抓斗安装主体和对称铰接于抓斗安装主体下部的两抓斗，所述抓斗安装主体的上部为一密封舱，在密封舱的两相对外侧壁上分别水平设有一上潜螺旋桨推进器，在密封舱的四条侧棱上分别竖直设有一周向螺旋桨推进器，所述密封舱内设有浮力调节装置、压力补偿装置、与抓斗开闭液压缸相连的抓斗液压系统。该自推进式海洋可视抓斗及其取样船，通过摄像头和深海传感器收集的信号经过铠装缆传输到控制室，使工作人员能够对取样区域先进行观察和探测，经计算机控制系统和操作人员的调控实现对抓斗位置、姿态的调整，提高装置的抗海流冲击的能力，提高抓斗工作的稳定性和可靠性。

Description

一种自推进式海洋可视抓斗及其取样船

技术领域：

本发明属于深海取样装备领域，特别涉及一种自推进式海洋可视抓斗及其取样船。

背景技术：

随着科技的不断进步，人们对海下的探索研究也在不断前进。其中，包括矿石、海底土壤、海底可燃冰等其他海底沉积物的深海取样和海洋科考就需要使用科考船到海面进行取样。目前，在取样时，通常是由工作人员在取样船上预先设定好目标位置后然后将抓斗沉入水下进行抓取样品，这种方式容易受到海流的影响，比如在下放抓斗时抓斗会受到海流的冲击，影响其正常的下放；抓斗在沉入海底后因为水下压强变化，会导致抓斗内液压系统的故障；并且抓斗在海下工作时经常会遇到鱼群的干扰；当海上风浪较大时，取样船上的拖曳装置与抓斗的连接就会受到较大的考验；取样船以及海下抓斗的位置变化，会不断地带给船体上的拖曳装置不同大小的拉力，使得拖曳装置极易损坏。因此，就需要一种可以自动调整水下姿态的可视抓斗以及取样船来解决上述问题。

发明内容：

本发明提供了一种自推进式海洋可视抓斗及其取样船，它能够实现抓斗的水下姿态调整，液压系统压力的补偿和浮力的调整并且能够有效的缓和拖曳装置在复杂环境下的压力，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种自推进式海洋可视抓斗，包括一抓斗安装主体和对称铰接于抓斗安装主体下部的两抓斗，所述抓斗安装主体的上部为一密封舱，密封舱的底部两侧相对设有两对安装耳板，两对抓斗安装耳板之间平行设有两安装基板；两抓斗的两侧分别与两对安装耳板铰接，两抓斗的顶部分别通过一抓斗开闭液压缸与安装基板相铰接；

在密封舱的两相对外侧壁上分别水平设有一上潜螺旋桨推进器，在密封舱的四条侧棱上分别竖直设有一周向螺旋浆推进器；

所述密封舱内设有浮力调节装置、压力补偿装置和与抓斗开闭液压缸通过液压管道连通的抓斗液压系统；

在安装基板的外表面上部设有深海传感器，在两安装基板之间形成的容腔内设有摄像头和照明灯；

在抓斗安装主体的顶部设有第一连接座，在第一连接座的顶部铰接有第二连接座，在第一连接座和第二连接座中部开有通道，铠装缆的外皮与第二连接座连接，铠装缆的内芯穿过第一连接座和第二连接座的通道进入抓斗安装主体内，第一连接座的通道与铠装缆的内芯形成过盈配合，并进行防水密封；

所述深海传感器、摄像头通过铠装缆与控制室的信号输入端相连，所述周向螺旋浆推进器、上潜螺旋浆推进器、浮力调节装置、压力补偿装置、抓斗液压系统均通过铠装缆与控制室的信号输出端相连。

所述深海传感器包括压力传感器、温度传感器、超声波驱逐装置、盐度传感器、姿态传感器和距离传感器。

所述铠装缆包括缆芯和包裹在缆芯外侧的护套，所述护套包括外护套和内护套，在内护套外侧从内向外依次包裹有绝缘屏蔽层、撕裂绳、阻水层、铠装钢丝和芳纶纱；所述缆芯包括多根控制导线、光纤、供电线和接地线，在内部套的内腔内填充有水密填充物，多根控制导线由控制导线护套包裹且呈圆周分布在控制导线护套内，在控制导线护套轴心线上设有金属加强件，围绕金属加强件设有非金属加强件，所述控制导线与非金属加强件间隔设置。

所述外护套的材质为TPU材料，所述铠装钢丝为镀锌钢丝，所述阻水层为阻水粉与阻水纱构成，所述撕裂绳为棉纱材质，所述绝缘屏蔽层为金属丝构成，所述内护套的材质为聚氯乙烯塑料，所述水密填充物为纸质的非导体材料，所述非金属加强件为FRP材料，所述金属加强件为钢丝，所述控制导线护套的材质为PE材料。

包括船本体，在船本体上设有与操纵铠装缆的拖曳装置和拖曳升沉补偿装置，所述拖曳装置、拖曳升沉补偿装置的液压系统与控制室的信号输出端相连。

所述拖曳装置为一卷缆机。

在船本体上设有抓斗投放机构。

所述抓斗投放机构为为液压机械臂。

所述拖曳升沉补偿装置包括两组分别相互铰接设置的上支撑臂和下支撑臂，每组上支撑臂的中部和下支撑臂的上部均通过一上液压缸相铰接，两下支撑臂的底部均铰接于船本体上，且两下支撑臂的下部均通过一下液压缸与船本体相铰接；两上支撑臂的顶端通过一上销轴连接，在上销轴上安装有一上滑轮，每组上支撑臂和下支撑臂的相铰接处通过一中销轴相连，在中销轴上安装有一中滑轮，在上滑轮和中滑轮斜下方的船本体上设有一下滑轮；所述铠装缆经上滑轮和中滑轮的上部、下滑轮的下部穿过所述拖曳升沉补偿装置。

本发明采用上述结构，有益效果在于：摄像头以及照明装置的设置实现了抓斗的水下动作可视化；深海传感器的设置使得操作人员对于水下环境能够全面掌控；周向螺旋桨推进器使得操作人员可以在取样船上控制抓斗的姿态以及位置，避免了抓斗在水下因为水流的影响下无法准确取样的情况的发生；上潜螺旋桨推进器与浮力调节装置的设置能够协助铠装缆来使抓斗进行上潜；压力补偿装置的设置使得抓斗内的液压系统能够根据海底的压力来进行回油压力的调整，不会因为回油压力与外部压强不同导致故障；拖曳升沉补偿装置可以有效避免因为浪涌而导致铠装缆突然受到很大的张力而造成崩断的情况产生；特制的铠装缆具有良好的机械强度、良好的弯曲特性、良好的纵向水密度、耐腐蚀耐磨损和耐反复收放的特点，作为抓斗与取样船的连接载体，铠装缆为抓斗与取样船之间提供了电力传输、光纤通信、铜缆通信、遥控指令传递和视频影像的传输，同时也承担了可视抓斗的反复收放承载等功能。

通过摄像头和深海传感器收集的信号经过铠装缆传输到控制室，使工作人员能够对取样区域先进行观察和探测，经控制室内计算机控制系统和操作人员的调控实现对抓斗位置、姿态的调整，提高装置的抗海流冲击的能力，提高抓斗工作的稳定性和可靠性。

附图说明：

图1为本发明的自推进式海洋可视抓斗结构示意图；

图2为图1中的取样抓斗主体和箱式抓斗的剖视结构示意图；

图3为图1中铠装缆的结构示意图；

图4为本发明的科考船的结构示意图；

图5为图4中的拖曳补偿装置结构示意图；

图6为本发明的控制路线图。

图中，1、抓斗安装主体，2、抓斗，3、密封舱，4、安装耳板，5、安装基板，6、抓斗开闭液压缸，7、上潜螺旋桨推进器，8、周向螺旋桨推进器，9、浮力调节装置，10、压力补偿装置，11、抓斗开闭液压缸，12、抓斗液压系统，13、抓斗投放机构，14、铠装缆，15、深海传感器，16、摄像头，17、照明灯，18、第一连接座，19、第二连接座，20、船本体，21、拖曳装置，22、拖曳升沉补偿装置，23、控制室，1401、外护套，1402、内护套，1403、绝缘屏蔽层，1404、撕裂绳，1405、阻水层，1406、铠装钢丝，1407、芳纶纱，1408、控制导线，1409、光纤，1410、供电线，1411、接地线，1412、水密填充物，1413、控制导线护套，1414、金属加强件，1415、非金属加强件，2201、上支撑臂，2202、下支撑臂，2203、上液压缸，2204、下液压缸，2205、上销轴，2206、上滑轮，2207、中销轴，2208、中滑轮，2209、下滑轮。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-6中所示，一种自推进式海洋可视抓斗，包括一抓斗安装主体1和对称铰接于抓斗安装主体1下部的两抓斗2，所述抓斗安装主体1的上部为一密封舱3，密封舱3的底部两侧相对设有两对安装耳板4，两对抓斗安装耳板4之间平行设有两安装基板5；两抓斗2的两侧分别与两对安装耳板4铰接，两抓斗2的顶部分别通过一抓斗开闭液压缸6与安装基板5相铰接；

在密封舱3的两相对外侧壁上分别水平设有一上潜螺旋桨推进器7，在密封舱3的四条侧棱上分别竖直设有一周向螺旋浆推进器8；周向螺旋桨推进器8可调整抓斗在海水中的姿态和位置以顺利实现取样。

所述密封舱3内设有浮力调节装置9、与抓斗开闭液压缸11通过液压管道连通的抓斗液压系统12和压力补偿装置10；在抓斗逐渐下放的过程中，压力补偿装置10通过压力传感器传回的数据来不断调整液压传动系统中的回油压力，使得回油压力一直与海下的压强产生的压力相同。因为铠装缆14在深海环境下力学性能会显著下降，不能利用铠装缆14直接拉取抓斗，因此为完成抓斗的回收打捞，在抓斗完成抓取动作后，浮力调节装置9工作，整个装置的浮力增大，以协助铠装缆14来实现装置的上潜。

液压系统中除抓斗开闭液压缸6及其上连接管道以外的液压元件全都安装在密封的密封舱3内，提高了液压元件防腐蚀能力，降低了成本。

所述的压力补偿装置10通过压力传感器感应外界压力，然后将信号传递给压力补偿装置10，压力补偿装置10中的控制器接收信号之后，通过电磁阀或者活塞杆来调节抓斗液压系统中的油压，使得抓斗开闭液压缸6中的回油压力与压力传感器感应到的压力相同，以此来达到压力补偿的效果。

所述浮力调节装置9通过铠装缆14受到控制室23的控制，控制人员通过铠装缆14将控制信号传递到浮力调节装置9，控制浮力调节装置9中的海水含量，当需要上升时，就使得排水阀工作，让浮力调节装置9中空腔增大，浮力也就随之升高，正常状态下，浮力调节装置9内部充满海水，增加了整个装置的重力，有利于装置下沉。

在安装基板5的外表面上部设有深海传感器15，在两安装基板5之间形成的容腔内设有摄像头16和照明灯17；摄像头16和照明灯17可实现抓斗2的可视控操作，在线完成通讯及数据传输。

所述铠装缆14包括缆芯和包裹在缆芯外侧的护套，所述护套包括外护套1401和内护套1402，在内护套外侧从内向外依次包裹有绝缘屏蔽层1403、撕裂绳1404、阻水层1405、铠装钢丝1406和芳纶纱1407；所述缆芯包括多根控制导线1408、光纤1409、供电线1410和接地线1411，在内护套1402的内腔内填充有水密填充物1412，多根控制导线1408由控制导线护套1413包裹且呈圆周分布在控制导线护套1413内，在控制导线护套1413轴心线上设有金属加强件1414，围绕金属加强件1414设有非金属加强件1415，所述控制导线1408与非金属加强件1415间隔设置。

在抓斗安装主体1的顶部设有第一连接座18，在第一连接座18的顶部铰接有第二连接座19，在第一连接座18和第二连接座19中部开有通道，铠装缆14的外皮与第二连接座19连接，铠装缆14的内芯穿过第一连接座18和第二连接座19的通道进入抓斗安装主体1内，第一连接座18的通道与铠装缆14的内芯形成过盈配合，并进行防水密封；

具体地，铠装缆14通过铠装钢丝1406与第二连接座19连接，铠装缆14内部线缆穿过第一连接座18和第二连接座19的通道进入抓斗安装主体1内，第一连接座18的通道与铠装缆14的内部线缆形成过盈配合，并进行防水密封。

所述深海传感器15、摄像头16通过铠装缆14与控制室23的信号输入端相连，所述周向螺旋浆推进器8、上潜螺旋浆推进器7、浮力调节装置9、压力补偿装置10、抓斗液压系统均通过铠装缆14与控制室23的信号端相连。深海传感器15和摄像头16监测到的数据以及控制室23发出的信号均通过铠装缆14传输。

所述深海传感器15包括压力传感器、温度传感器、超声波驱逐装置、盐度传感器、姿态传感器和距离传感器。抓斗2配有压力传感器、温度传感器、盐度传感器、姿态传感器和距离传感器等传感器，可以对取样区域先进行观察和探测，然后再进行有目的的取样；其上的距离传感器可避免装置与海底障碍物发生碰撞，超声波驱逐装置具有暂时驱逐鱼群的作用，可避免装置工作过程中对鱼群产生的伤害，以实现保护生态的目的。当抓斗沉入取样地点后，操作人员可以通过摄像头16传回的视频图像以及深海传感器15传回的各种数据来控制上潜螺旋桨推进器7和周向螺旋桨推进器8，从而调整抓斗2的姿态以及位置。

所述外护套1401的材质为TPU材料，所述铠装钢丝1406为镀锌钢丝，所述阻水层1405为阻水粉与阻水纱构成，所述撕裂绳1404为棉纱材质，所述绝缘屏蔽层1403为金属丝构成，所述内护套1402的材质为聚氯乙烯塑料，所述水密填充物1412为纸质的非导体材料，所述非金属加强件1415为FRP材料，所述金属加强件1414为钢丝，所述控制导线护套1413的材质为PE材料。

一种取样船，包括船本体20，在船本体20上设有与操纵铠装缆的拖曳装置21和拖曳升沉补偿装置22，所述拖曳装置21、拖曳升沉补偿装置22的液压系统与控制室23的信号输出端相连。拖曳装置21可承担抓斗的投放与打捞作业，由于海上复杂的不可控因素，包括风、浪、涌等恶劣环境的影响，使科考船上的抓斗产生显著无规律的位移，尤其是科考船随浪涌上下做大幅度的升沉运动，无法准确了解和控制位移关系，抓斗作业等方面也不同程度地受到了母船上下运动的影响，因此为避免带缆受到突然增大的张力而崩断的不良现象，在科考船上安装一套完整的升沉补偿系统装备，拖曳升沉补偿装置22可在投放和打捞过程中起到被动张力保护的效果。

所述拖曳装置21为一卷缆机。

在船本体20上设有抓斗投放机构13。

所述抓斗投放机构13为为液压机械臂。由于波浪和海风的作用，船体和被吊起的抓斗会发生无规律、不可控的摆动，因此要求投放抓斗的设备具有一定的柔性和缓冲性能，同时有较为准确的控制精度，该液压机械臂恰好适应于此种工作环境。

所述拖曳升沉补偿装置22包括两组分别相互铰接设置的上支撑臂2201和下支撑臂2202，每组上支撑臂2201的中部和下支撑臂2202的上部均通过一上液压缸2203相铰接，两下支撑臂2202的底部均铰接于船本体20上，且两下支撑臂2202的下部均通过一下液压缸2204与船本体20相铰接；两上支撑臂2201的顶端通过一上销轴2205连接，在上销轴2205上安装有一上滑轮2206，每组上支撑臂2201和下支撑臂2202的相铰接处通过一中销轴2207相连，在中销轴2207上安装有一中滑轮2208，在上滑轮2206和中滑轮2208斜下方的船本体20上设有一下滑轮2209；所述铠装缆14经上滑轮2206和中滑轮2208的上部、下滑轮2209的下部穿过所述拖曳升沉补偿装置22。

该装置在使用时，首先对海底进行初步的探查，确定取样地点，然后将取样船停在取样地点上方的海面上，调整好抓斗位置后操作人员在取样船的控制室23内控制液压传动系统，使得两个抓斗开闭液压缸6伸出，使得两个抓斗2合拢，将需要采集的样品置于合拢后的抓斗2中，然后通过控制浮力调节装置9使其排水使得浮力调节装置9内部的海水减少，空腔增大，重力减小，然后利用上潜螺旋桨推进器7的协助，实现完成取样任务的装置浮上水面；在拖曳升沉补偿装置22和拖曳装置21的作用下，通过铠装缆14将抓斗收回至取样船，然后利用抓斗投放机构13将其移动到合适位置，然后控制抓斗2打开取出取样物体即可。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种自推进式海洋可视抓斗，其特征在于：包括一抓斗安装主体和对称铰接于抓斗安装主体下部的两抓斗，所述抓斗安装主体的上部为一密封舱，密封舱的底部两侧相对设有两对安装耳板，两对抓斗安装耳板之间平行设有两安装基板；两抓斗的两侧分别与两对安装耳板铰接，两抓斗的顶部分别通过一抓斗开闭液压缸与安装基板相铰接；

在密封舱的两相对外侧壁上分别水平设有一上潜螺旋桨推进器，在密封舱的四条侧棱上分别竖直设有一周向螺旋浆推进器；

所述密封舱内设有浮力调节装置、压力补偿装置和与抓斗开闭液压缸通过液压管道连通的抓斗液压系统；

在安装基板的外表面上部设有深海传感器，在两安装基板之间形成的容腔内设有摄像头和照明灯；

在抓斗安装主体的顶部设有第一连接座，在第一连接座的顶部铰接有第二连接座，在第一连接座和第二连接座中部开有通道，铠装缆的外皮与第二连接座连接，铠装缆的内芯穿过第一连接座和第二连接座的通道进入抓斗安装主体内，第一连接座的通道与铠装缆的内芯形成过盈配合，并进行防水密封；

所述深海传感器、摄像头通过铠装缆与控制室的信号输入端相连，所述周向螺旋浆推进器、上潜螺旋浆推进器、浮力调节装置、压力补偿装置、抓斗液压系统均通过铠装缆与控制室的信号输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种自推进式海洋可视抓斗，其特征在于：所述深海传感器包括压力传感器、温度传感器、超声波驱逐装置、盐度传感器、姿态传感器和距离传感器。

3.根据权利要求1所述的一种自推进式海洋可视抓斗，其特征在于：所述铠装缆包括缆芯和包裹在缆芯外侧的护套，所述护套包括外护套和内护套，在内护套外侧从内向外依次包裹有绝缘屏蔽层、撕裂绳、阻水层、铠装钢丝和芳纶纱；所述缆芯包括多根控制导线、光纤、供电线和接地线，在内部套的内腔内填充有水密填充物，多根控制导线由控制导线护套包裹且呈圆周分布在控制导线护套内，在控制导线护套轴心线上设有金属加强件，围绕金属加强件设有非金属加强件，所述控制导线与非金属加强件间隔设置。

4.根据权利要求3所述的一种自推进式海洋可视抓斗，其特征在于：所述外护套的材质为TPU材料，所述铠装钢丝为镀锌钢丝，所述阻水层为阻水粉与阻水纱构成，所述撕裂绳为棉纱材质，所述绝缘屏蔽层为金属丝构成，所述内护套的材质为聚氯乙烯塑料，所述水密填充物为纸质的非导体材料，所述非金属加强件为FRP材料，所述金属加强件为钢丝，所述控制导线护套的材质为PE材料。

5.一种使用权利要求1-4任一所述自推进式海洋可视抓斗的取样船，其特征在于：包括船本体，在船本体上设有与操纵铠装缆的拖曳装置和拖曳升沉补偿装置，所述拖曳装置、拖曳升沉补偿装置的液压系统与控制室的信号输出端相连。

6.根据权利要求5所述的一种取样船，其特征在于：所述拖曳装置为一卷缆机。

7.根据权利要求5所述的一种取样船，其特征在于：在船本体上设有抓斗投放机构。

8.根据权利要求6所述的一种科考船，其特征在于：所述抓斗投放机构为为液压机械臂。

9.根据权利要求8所述的一种取样船，其特征在于：所述拖曳升沉补偿装置包括两组分别相互铰接设置的上支撑臂和下支撑臂，每组上支撑臂的中部和下支撑臂的上部均通过一上液压缸相铰接，两下支撑臂的底部均铰接于船本体上，且两下支撑臂的下部均通过一下液压缸与船本体相铰接；两上支撑臂的顶端通过一上销轴连接，在上销轴上安装有一上滑轮，每组上支撑臂和下支撑臂的相铰接处通过一中销轴相连，在中销轴上安装有一中滑轮，在上滑轮和中滑轮斜下方的船本体上设有一下滑轮；所述铠装缆经上滑轮和中滑轮的上部、下滑轮的下部穿过所述拖曳升沉补偿装置。