CN111576327A

CN111576327A - 复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置

Info

Publication number: CN111576327A
Application number: CN202010298795.4A
Authority: CN
Inventors: 王海荣; 李德堂; 李存军; 刘在良; 厉梁; 谢永和; 沈文轩; 褚善东; 邹银华; 石岳林; 陈常; 翁平儿; 洪辉; 施浩磊; 魏卓; 张艳; 赵春慧
Original assignee: Zhoushan Institute Of Calibration And Testing For Quality And Technology Supervision; Zhejiang Ocean University ZJOU; Zhejiang International Maritime College
Current assignee: Zhoushan Institute Of Calibration And Testing For Quality And Technology Supervision; Zhejiang Ocean University ZJOU; Zhejiang International Maritime College
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2040-04-16
Also published as: CN111576327B

Abstract

复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，包括触探仪、主机、摇摆、链条、滑轮、山形板、探杆、探头、传感器、自动记录仪、PLC数据处理器、比例阀电源接口、比例阀、A端连接油口、过滤器、油缸、第一液压泵、第一电机、B端连接油口、P端进油口、T端回油口、阀体、电磁铁、阀芯、弹簧、柱塞缸、缸筒、柱塞、位移传感器、可变电阻滑轨、滑片、拉杆、伺服控制器、液压升降装置、伺服电机、第二液压泵、液压缸、支架、支撑板、钢架；本发明的优点是：为海上平台安全插桩作业提供技术指导，避免盲目过度插桩，破坏地层有效承载力而引发重大安全事故，而且可推动海洋工程与地质两个学科领域的创新融合发展。

Description

复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置

技术领域

本发明涉及复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，属于海洋工程装备技术领域。

背景技术

自升式海洋工程平台在各类海洋工程装备中应用量位居首位，具有定位能力好、稳定性好、移动灵活等显著优点。国务院在《中国制造2025》文件中，将海洋工程装备作为十大重点发展领域之一加快推进。然而，自升式海洋工程平台海上定位插桩作业工程中，由于每个桩腿的地基土层不尽相同，使得所产生承载能力存在差异，目前尚无平台插桩与土体阻尼一体化研究，复杂地层下各桩腿与土体作用力学机制不了解，平台插桩重大事故在国内外时有发生，因此，非常有必要结合平台整体开展桩土研究，掌握插桩控制规律，避免盲目过度插桩而引发重大事故。

发明内容

本发明的目的是提供复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置。

本发明要解决的问题是现有的海洋工程平台插桩与土体阻尼研究没有实现一体化，且需要再海底研究的缺陷。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，包括触探仪、主机、摇摆、链条、滑轮、山形板、探杆、探头、传感器、自动记录仪、PLC数据处理器、比例阀电源接口、比例阀、A端连接油口、过滤器、油缸、第一液压泵、第一电机、B端连接油口、P端进油口、T端回油口、阀体、电磁铁、阀芯、弹簧、柱塞缸、缸筒、柱塞、位移传感器、可变电阻滑轨、滑片、拉杆、伺服控制器、液压升降装置、伺服电机、第二液压泵、液压缸、支架、支撑板、钢架，其特征是：所述触探仪上安装有主机，主机左右两侧安装有摇摆，摇摆上安装有链条，链条上安装有滑轮，滑轮上通过链条与山形板相连，山形板上安装有探杆，探杆底端安装有探头，探头内安装有传感器，传感器一端通过电缆连接自动记录仪，自动记录仪用导线连接PLC数据处理器，PLC数据处理器用导线连接比例阀电源接口，比例阀电源接口通过导线连接比例阀，比例阀上安装A端连接油口，A端连接油口用油管连接过滤器，过滤器用油管连接油缸，油缸上用油管连接第一液压泵，第一液压泵一端齿轮连接第一电机，第一液压泵另一端用油管连接B端连接油口，B端连接油口右侧安装有P端进油口，B端连接油口左侧安装有T端回油口，比例阀上安装有阀体，阀体两端内设有电磁铁，电磁铁磁场内部安装有阀芯，阀芯上安装有弹簧，T端回油口连接缸筒上腔，P端进油口连接缸筒下腔，缸筒位于柱塞缸上，柱塞缸内安装有柱塞，柱塞缸外安装有位移传感器，位移传感器内安装有可变电阻滑轨，可变电阻滑轨上安装有滑片，滑片一端安装有拉杆，拉杆一端固定在柱塞上端，位移传感器导线连接伺服控制器，伺服控制器导线连接伺服电机，伺服电机位于液压升降装置内，第二电机齿轮连接第二液压泵，第二液压泵连接液压缸，液压缸轴销连接支架，支架上下安装有支撑板，支撑板安装在钢架内，钢架底端连接柱塞缸。

进一步的，所述触探仪主要用于检测地基承载力，为手摇式单探头静力触探仪，主要技术指标为：贯入阻力：20KN/30KN；贯入深度：20米-30米；贯入速度：0.5-1M/MIN；探头截面：10cm&sup2；、15cm&sup2；十子板剪切：小于132Kpa。

进一步的，所述比例阀为电磁式比例方向控制阀，是一种新型的液压控制装置，既能控制流量又能控制方向。按输入的电气信号连续地、按比例地对油流的压力、流量或方向进行远距离控制，其工作原理是：指令信号经比例放大器进行功率放大，并按比例输出电流给比例阀的电磁铁，电磁铁输出力并按比例移动阀芯的位置，即可按比例控制液流的流量和改变液流的方向，从而实现对柱塞的位置控制，具有体积小、重量轻、结构简单、成本较低，抗污染性能强，工作可靠等优点。

进一步的，所述柱塞缸采用3米深超大柱塞缸，结构比较简单，成本低，制造方便。

进一步的，所述位移传感器为直线位移传感器，可将直线机械位移量转换成电信号，通过滑片在可变电阻滑轨上的位移来测量不同的阻值，呈现出滑片的实际位置，计算滑片移动的长度，内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长；具有自动电气接地功能。

进一步的，所述液压升降装置结构坚固、承载量大、升降平稳、安装维护简单方便。

本发明的优点是：

基于国内外首座陆上大型自升式海洋工程平台，将海洋难以触及的海底搬迁到陆地，开展研究模式变革性探索研究。采用3米深超大柱塞缸全程模拟地层插桩阻尼，柱塞的上端承受桩腿的插入力，下端受到比例阀控制的油压作用，将触探仪采集的地基阻尼信号输入比例阀，控制柱塞缸下腔阻尼油压随着插桩深度变化值与触探仪采集的地基阻尼准确一致，突破千变万化的地基土体阻尼模拟与实测环境难以相符合的技术瓶颈。由此，开展危及平台安全的复杂地层下桩土力学作用机制研究，分析比较各个桩腿对土体阻尼变化的载荷响应，在支撑土层突变失衡时，能够及时调整插桩动力与平台载荷分布，掌握桩土作用控制规律。研究成果不仅为海上平台安全插桩作业提供技术指导，避免盲目过度插桩，破坏地层有效承载力而引发重大安全事故，而且可推动海洋工程与地质两个学科领域的创新融合发展。

附图说明

图1是复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置的整体结构示意图；

图2是复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置的单个桩腿结构示意图；

图3是触探仪的结构示意图；

图4是液压系统的结构示意图；

图5是位移传感器的结构示意图；

图6是液压升降装置的结构示意图；

图中：1、触探仪 11、主机 12、摇摆 13、链条 14、滑轮 15、山形板 16、探杆17、探头 18、传感器 19、自动记录仪 2、PLC数据处理器 31、比例阀电源接口 3、比例阀 32、A端连接油口 4、过滤器 5、油缸 6、第一液压泵 7、第一电机 33、B端连接油口 34、P端进油口 35、T端回油口 36、阀体 37、电磁铁 38、阀芯 39、弹簧 8、柱塞缸 81、缸筒 82、柱塞 9、位移传感器 91、可变电阻滑轨 92、滑片 93、拉杆 10、伺服控制器 11、液压升降装置 111、伺服电机 112、第二液压泵 113、液压缸 114、支架115、支撑板 12、钢架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，包括触探仪1、主机11、摇摆12、链条13、滑轮14、山形板15、探杆16、探头17、传感器18、自动记录仪19、PLC数据处理器2、比例阀电源接口31、比例阀3、A端连接油口32、过滤器4、油缸5、第一液压泵6、第一电机7、B端连接油口33、P端进油口34、T端回油口35、阀体36、电磁铁37、阀芯38、弹簧39、柱塞缸8、缸筒81、柱塞82、位移传感器9、可变电阻滑轨91、滑片92、拉杆93、伺服控制器10、液压升降装置11、伺服电机111、第二液压泵112、液压缸113、支架114、支撑板115、钢架12，所述触探仪1上安装有主机11，用于提供支撑，主机11左右两侧安装有摇摆12，用于提供动力，摇摆12上安装有链条13，用于传输动力，链条13上安装有滑轮14，用于改变动力方向，滑轮14上通过链条与山形板15相连，为连接零部件，山形板15 上安装有探杆16，用于传输动力，探杆16底端安装有探头17，用于钻入地基，探头17内安装有传感器18，用于采集数据，传感器18一端通过电缆连接自动记录仪19，用于记录数据，自动记录仪19用导线连接PLC数据处理器2，用于处理数据，PLC数据处理器2用导线连接比例阀电源接口31，用于接收信号，比例阀电源接口31通过导线连接比例阀3，用于控制油量和方向，比例阀3上安装A端连接油口32，用于连接油缸，A端连接油口32用油管连接过滤器4，用于过滤油液，过滤器4用油管连接油缸5，用于储存油液，油缸5上用油管连接第一液压泵6，用于传输油液，第一液压泵6一端齿轮连接第一电机7，用于提供动力，第一液压泵6另一端用油管连接B端连接油口33，用于连接油缸，B端连接油口33右侧安装有P端进油口34，用于进油，B端连接油口33左侧安装有T端回油口35，用于回油，比例阀3上安装有阀体36，用于提供支撑，阀体36两端内设有电磁铁37，用于产生电磁场，电磁铁37磁场内部安装有阀芯38，用于压缩拉伸弹簧，阀芯38上安装有弹簧39，用于平衡电磁场力，T端回油口35连接缸筒81上腔，用于储存油液，P端进油口34连接缸筒81下腔，缸筒81位于柱塞缸8上，用于改变桩腿高度，柱塞缸8内安装有柱塞82，用于提供运动，柱塞缸8外安装有位移传感器9，用于记录位移距离，位移传感器9内安装有可变电阻滑轨91，用于提供轨道，可变电阻滑轨91上安装有滑片92，用于滑动，滑片92一端安装有拉杆93，用于传输动力，拉杆93一端固定在柱塞82上端，位移传感器9导线连接伺服控制器10，用于接收和输出信号，伺服控制器10导线连接伺服电机111，用于提供动力，伺服电机111位于液压升降装置11内，用于提供升降，第二电机111齿轮连接第二液压泵112，用于提供动力，第二液压泵112连接液压缸113，用于能量转换，液压缸113轴销连接支架114，用于提供支撑，支架114上下安装有支撑板115，用于固定安装，支撑板115安装在钢架12内，用于提供支撑，钢架12底端连接柱塞缸8。

进一步的，所述触探仪1主要用于检测地基承载力，为手摇式单探头静力触探仪，主要技术指标为：贯入阻力：20KN/30KN；贯入深度：20米-30米；贯入速度：0.5-1M/MIN；探头截面：10cm²、15cm&sup2；十子板剪切：小于132Kpa。

进一步的，所述比例阀3为电磁式比例方向控制阀，是一种新型的液压控制装置，既能控制流量又能控制方向。按输入的电气信号连续地、按比例地对油流的压力、流量或方向进行远距离控制，其工作原理是：指令信号经比例放大器进行功率放大，并按比例输出电流给比例阀3的电磁铁37，电磁铁37输出力并按比例移动阀芯38的位置，即可按比例控制液流的流量和改变液流的方向，从而实现对柱塞82的位置控制，具有体积小、重量轻、结构简单、成本较低，抗污染性能强，工作可靠等优点。

进一步的，所述柱塞缸8采用3米深超大柱塞缸，结构比较简单，成本低，制造方便。

进一步的，所述位移传感器9为直线位移传感器，可将直线机械位移量转换成电信号，通过滑片92在可变电阻滑轨91上的位移来测量不同的阻值，呈现出滑片92的实际位置，计算滑片92移动的长度，内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长；具有自动电气接地功能。

进一步的，所述液压升降装置11结构坚固、承载量大、升降平稳、安装维护简单方便。

使用方法：将触探仪1的主机11平稳安装在地面上，保持探杆16垂直，转动摇把12，链条13带动滑轮14转动，带动探杆16下移，将探头17贯入土中，探头17内的传感器18将采集的地基阻力通过电信号输入到自动记录仪19中记录下来，自动记录仪19将数据传输给PLC数据处理器2，PLC数据处理器2输出信号给比例阀3，比例阀3接收电信号，电磁铁37受激励，作用阀芯38移动，阀芯38移动使弹簧39拉伸，阀芯38移动到与弹簧39的拉伸力相平衡的位置而停止，定位在与信号成正比的位置上，即位移量比例于输入信号，从而控制柱塞缸8中缸筒81下腔阻尼油压，当比例阀3获得的信号使柱塞缸8中缸筒81的下腔阻尼油压减小，柱塞82下移带动位移传感器9上的滑片92下移，通过计算滑片92和始端之间的电压，测算滑片92下移的高度，滑片92下移的高度为柱塞82下移的高度，位移传感器9将数据传输给PLC数据处理器2进行数据处理，PLC数据处理器2输出信号给伺服控制器10，伺服控制器10带动伺服电机111工作，伺服电机111带动第二液压泵112工作，第二液压泵112带动液压缸113向上移动，液压缸113向上移动带动支架114上移，支架114上移的高度等于柱塞82下移的高度，使海洋平台每个桩腿高度始终保持不变，保证了海洋平台的平衡。

Claims

1.复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，包括触探仪（1）、主机（11）、摇摆（12）、链条（13）、滑轮（14）、山形板（15）、探杆（16）、探头17、传感器（18）、自动记录仪（19）、PLC数据处理器（2）、比例阀插头（31）、比例阀（3）、A端连接油口（32）、过滤器（4）、油缸（5）、第一液压泵（6）、第一电机（7）、B端连接油口（33）、P端进油口（34）、T端回油口（35）、阀体（36）、电磁铁（37）、阀芯（38）、弹簧（39）、柱塞缸8、缸筒（81）、柱塞（82）、位移传感器（9）、可变电阻滑轨（91）、滑片（92）、拉杆93、伺服控制器（10）、液压升降装置（11）、伺服电机（111）、第二液压泵（112）、液压缸（113）、支架（114）、支撑板（115）、钢架（12），所述触探仪（1）上安装有主机（11），主机（11）左右两侧安装有摇摆（12），摇摆（12）上安装有链条（13），链条（13）上安装有滑轮14，滑轮14上通过链条与山形板（15）相连，山形板（15）上安装有探杆（16），探杆（16）底端安装有探头（17），探头（17）内安装有传感器（18），传感器（18）一端通过电缆连接自动记录仪（19），自动记录仪（19）用导线连接PLC数据处理器（2），PLC数据处理器（2）用导线连接比例阀插头（31），比例阀插头（31）通过导线连接比例阀（3），比例阀（3）上安装A端连接油口（32），A端连接油口（32）用油管连接过滤器（4），过滤器（4）用油管连接油缸（5），油缸（5）上用油管连接第一液压泵（6），第一液压泵6一端齿轮连接第一电机（7），第一液压泵（6）另一端用油管连接B端连接油口（33），B端连接油口（33）右侧安装有P端进油口（34），B端连接油口（33）左侧安装有T端回油口（35），比例阀（3）上安装有阀体（36），阀体（36）两端内设有电磁铁（37），电磁铁（37）磁场内部安装有阀芯（38），阀芯（38）上安装有弹簧（39），T端回油口（35）连接缸筒（81）上腔，P端进油口34连接缸筒（81）下腔，缸筒（81）位于柱塞缸（8）上，柱塞缸（8）内安装有柱塞（82），柱塞缸8外安装有位移传感器（9），位移传感器（9）内安装有可变电阻滑轨（91），可变电阻滑轨（91）上安装有滑片（92），滑片（92）一端安装有拉杆（93），拉杆（93）一端固定在柱塞82上端，位移传感器（9）导线连接伺服控制器（10），伺服控制器（10）导线连接伺服电机（111），伺服电机（111）位于液压升降装置（11）内，第二电机（111）齿轮连接第二液压泵（112），第二液压泵（112）连接液压缸（113），液压缸（113）轴销连接支架（114），支架（114）上下安装有支撑板（115），支撑板（115）安装在钢架（12）内，钢架（12）底端连接柱塞缸（8）。

2.根据权利要求书1所述的复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，其特征是：所述触探仪（1）主要用于检测地基承载力，为手摇式单探头静力触探仪，主要技术指标为：贯入阻力：20KN/30KN；贯入深度：20米-30米；贯入速度：0.5-1M/MIN；探头截面：10cm²、15cm&sup2；十子板剪切：小于132Kpa。

3.根据权利要求书1所述的复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，其特征是：所述比例阀（3）为电磁式比例方向控制阀，是一种新型的液压控制装置，既能控制流量又能控制方向。

4.按输入的电气信号连续地、按比例地对油流的压力、流量或方向进行远距离控制，其工作原理是：指令信号经比例放大器进行功率放大，并按比例输出电流给比例阀（3）的电磁铁（37），电磁铁（37）输出力并按比例移动阀芯（38）的位置，即可按比例控制液流的流量和改变液流的方向，从而实现对柱塞（82）的位置控制，具有体积小、重量轻、结构简单、成本较低，抗污染性能强，工作可靠等优点。

5.根据权利要求书1所述的复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，其特征是：所述柱塞缸（8）采用3米深超大柱塞缸，结构比较简单，成本低，制造方便。

6.根据权利要求书1所述的复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，其特征是：所述位移传感器（9）为直线位移传感器，可将直线机械位移量转换成电信号，通过滑片（92）在可变电阻滑轨（91）上的位移来测量不同的阻值，呈现出滑片（92）的实际位置，计算滑片（92）移动的长度，内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长；具有自动电气接地功能。

7.根据权利要求书1所述的复杂地层下自升式海洋工程平台插桩与土体阻尼一体化模拟装置，其特征是：所述液压升降装置（11）结构坚固、承载量大、升降平稳、安装维护简单方便。