CN112630859B - 一种海底土工原位多参数探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋工程技术装备领域，具体涉及一种海底土工原位多参数探测系统。包括包括两个对称设于整体框架内的摩擦轮，两摩擦轮对接处上下方均设有准直机构；绞车固设于摩擦轮后侧的整体框架底面上，绞车转轮与伺服电机相连；柔性探杆包括通过铠装电缆连接的多段刚性杆件,静力触探探头与柔性探杆一端相连，柔性探杆绕设在绞车上，带有静力触探探头一端依次穿过对接装置与准直机构后进入两摩擦轮间，最终向下将静力触探探头贯入至土体。本发明有着较好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术装备领域，具体涉及一种海底土工原位多参数探测系统。
背景技术
海底土体性质的调查研究是海上石油平台、海底隧道、油气管道、光缆等海洋工程建设必不可少的重要部分。海底以下数十米的沉积物土体性质的研究，对于海洋环境调查、海底资源勘探、海洋开发利用等各方面都具有重要意义。在海洋极端环境荷载下，海上结构基础倒塌或过度倾斜时有发生，导致常规设计冗余度过高。安全、经济的海洋工程结构基础设计主要取决于海床地层力学特性的高效勘测和科学分析。
相较于其他非原位测试方法，静力触探技术以现场测试无需取样、适合范围广、快速、经济等特点，在工程地质综合分析评价中显示了无可比拟的优越性。将静力触探技术应用到海底土体勘测则更能显示出自身的优点。海底土体一般为新近沉积物，厚度大、饱和松散且容易扰动，钻探、取样等操作对土体产生了扰动，取样后进行现场观测或室内试验已经使土体失水失压，因此无法获得原位海底沉积物土体性质；静力触探技术却因为在海底土体的实际环境中进行测试，可以获得更为真实的土体性质。并且勘测速度快、效率高，这种优势在进行大范围的海底土体勘测时更加明显，如海底电缆和输油管线的路由调查等。
目前静力触探技术装备多采用整长度的平直刚性探杆直接将探头压入海床表面，从而导致径向失稳与操作不便，因此不适用较深海床沉积物的勘测；此外，采用分段探杆的方式，则需要人工对接，有较大作业劳动要求，这种探测方法只限于浅水作业环境，并不适用于较深的海域。
因此，设计一种海底土工原位多参数探测系统，将满足针对海底土体性质的精准勘测技术与装备的需求，在深海较大的工作水深下进行海底土体性质的勘测工作，勘测深度同时得到进一步的提升，可以提高我国海洋岩土工程原位勘测设备水平。
发明专利内容
本发明的目的是提供一种海底土工原位多参数探测系统，解决目前勘测装备多采用整长度的平直刚性探杆直接将探头压入海床表面，从而导致径向失稳与操作不便；而采用分段探杆的方式，则需要人工对接，不适用于较深海域的技术问题。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种海底土工原位多参数探测系统，包括整体框架、恒速贯入系统、柔性探杆、对接组件系统和静力触探探头；
恒速贯入系统包括两个对称设于同一竖直平面内的摩擦轮，两摩擦轮对接处上下方均设有准直机构；摩擦轮上均设有支架，支架内设有液压马达，液压马达驱动对称分布的摩擦轮进行相向旋转，从而驱动位于两摩擦轮中间的探杆不断匀速贯入地面。两个支架间通过液压锁紧油缸相连，用于提供两个摩擦轮间相向的挤压摩擦力，两个支架通过同一底座固设于整体框架内的底面上，底座上还设有蓄能器，蓄能器与液压马达相连，用于吸收执行元件运动的突然停止在液压系统中产生的压力冲击，避免造成仪表、元件和密封装置的损坏以及减小产生的振动和噪声。整体框架内的底面上还设有用于提供液压动力的液压阀箱、液压管路和水下电机，与液压马达和液压锁紧油缸相连；通过液压锁紧油缸调节摩擦轮对探杆的摩擦力，从而对贯入力进行调节。液压阀箱、液压管路、水下电机为液压驱动系统提供液压动力。液压阀箱控制摩擦轮的旋转速度，从而对探杆的贯入速度进行调节。
对接组件系统包括绞车、对接装置和驱动转轮；绞车固设于摩擦轮后侧的整体框架底面上，绞车转轮与伺服电机相连；驱动转轮设于支撑框架上，与伺服电机相连；对接装置将相邻小段刚性杆件之间的快速对接机构进行对接拆卸。
柔性探杆包括通过铠装电缆连接的多段刚性杆件,铠装电缆同时可以进行信号的实时传输。柔性探杆绕设在绞车上，静力触探探头与柔性探杆一端相连，该端穿过对接装置，进入两摩擦轮间，经过准直机构后最终贯入地面；对接装置由液压马达驱动，采用环形卡盘结构对探杆进行连接和拆卸。静力触探探头贯入海底土体时可以对多种原位土工数据进行采集，通过信号铠装电缆对数据进行实时的传输到水下电子舱。静力触探探头对锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力、电阻率等原位多参数进行数据采集。
作为一种改进，摩擦轮与支架可拆卸连接，摩擦轮外圈设有凹槽，凹槽上设有纹路。
作为一种改进，刚性杆件为空心圆柱体结构，两端分别设有公头塞和母头塞。
作为一种改进，绞车包括绞车旋转架，绞车旋转架安装在底座上，内侧设有环形齿，与伺服电机通过齿轮连接；底座上还设有转轮和导轨，转轮用于绞车旋转架的旋转时的支撑与导向，导轨用于柔性探杆的导向。绞车工作时绞车旋转架转动，转动以旋转架自身圆心为轴。
作为一种改进，整体框架包括支撑框架，支撑框架外部设有防撞格栅和防撞橡胶条，顶部设有吊装架，内部设有防腐锌块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明相较于整长度的平直刚性探杆直接将探头压入海床表面，从而导致径向失稳与操作不便的问题，本发明采用柔性探杆的方式有着较好的稳定性。
2、本发明相较于分段探杆的方式，则需要人工对接，有较大作业劳动要求且不适用于深海环境，本发明无需人工进行对接，减少劳动强度，可以进行深海环境下的海底静力触探作业。利用柔性探杆组成刚性平直探杆，使用摩擦轮相向运动对平直探杆进行加压，同时摩擦轮旋转使探杆向被测土体贯入，保证了探杆贯入土体探测时需要的准直度和贯入压力，保证静力触探过程中的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的一种海底土工原位多参数探测系统的整体外部示意图。
图2是本发明提供的一种海底土工原位多参数探测系统的结构示意图。
图3是本发明提供的一种海底土工原位多参数探测系统的局部示意图。
图4是本发明提供的对接装置的结构示意图。
图5是本发明提供的对接装置的仰视图。
图6是本发明提供的准直机构的结构示意图。
图7是本发明提供的绞车的结构示意图。
图8是本发明提供的刚性杆件的结构示意图。
图9是本发明提供的母头塞的结构示意图。
图10是本发明提供的公头塞的结构示意图。
其中：1—整体框架；1-1—吊装架；1-2—支撑框架；1-3—防撞橡胶条；1-4—防撞格栅；2—恒速贯入系统；2-1—摩擦轮；2-2—支架；2-3—液压马达；2-4—底座；2-5—蓄能器；2-6—对接装置；2-7—液压锁紧油缸；2-8—准直机构；3—液压阀箱；4—电子舱；5—静力触探探头；6—伺服电机；7—驱动转轮；8—绞车；8-1—绞车旋转架；8-2—伺服电机；8-3—转轮；8-4—导轨；8-5—环形齿；8-6—齿轮；8-7—底座；9—柔性探杆；9-1—公头塞；9-2—刚性杆件；9-3—母头塞；9-4—卡爪；9-5—卡簧；9-6—压盖；9-7—螺钉；10—水下电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图2所示，一种海底土工原位多参数探测系统，包括整体框架、恒速贯入系统、柔性探杆、对接组件系统和静力触探探头。
如图1所示，整体框架1由吊装架1-1、支撑框架1-2、防撞橡胶条1-3和防撞格栅1-4组成，用于整体设备的支撑安装保护作用，整体框架的结构可以根据实际需要进行设计。在本实例中，支撑框架1-2包括各个机构的支撑安装支架。吊装架1-1焊设于支撑框架1-2顶部，支撑框架1-2内侧安装防撞橡胶条1-3，外侧设有用于保护设备的防撞橡胶条1-3和防撞格栅1-4。
如图3所示，恒速贯入系统包括摩擦轮2-1、支架2-2、液压马达2-3、底座2-4、蓄能器2-5、对接装置2-6、液压锁紧油缸2-7和准直机构2-8。液压驱动系统由液压马达2-3、底座2-4、蓄能器2-5、液压锁紧油缸2-7组成。恒速贯入系统包括两个对称设于同一竖直平面内的摩擦轮2-1，两摩擦轮2-1对接处上下方均设有准直机构2-8，摩擦轮2-1上均设有支架2-2，支架2-2内设有液压马达2-3，液压马达2-3用于驱动摩擦轮2-1转动。两个支架2-2间通过液压锁紧油缸2-7相连，用于提供两个摩擦轮2-1间相向的挤压摩擦力，两个支架2-2通过同一底座2-4固设于整体框架1内的底面上，底座2-4上还设有蓄能器2-5，蓄能器与液压马达2-3相连，吸收执行元件运动的突然停止在液压系统中产生的压力冲击。整体框架1内的底面上还设有用于提供液压动力的液压阀箱3、液压管路和水下电机10，与液压马达2-3和液压锁紧油缸2-7相连。
对接组件系统包括绞车8、对接装置2-6和驱动转轮7，绞车8固设于摩擦轮2-1后侧的整体框架底面上，驱动转轮7设于支撑框架1-2上，与伺服电机6相连。如图7所示，绞车旋转架8-1安装在底座8-7上，内侧设有环形齿8-5，与伺服电机8-2上的齿轮8-6相啮合。绞车旋转架8-1在转轮8-3上滚动。如图4和5所示，对接装置由环形卡爪2-6-1，卡盘2-6-2，驱动齿轮2-6-3，驱动圆盘2-6-4和定位钉2-6-5组成。卡盘2-6-2为类似盖的结构，卡盘2-6-2顶部中心开有通孔，用于刚性探杆9-2的通过，卡盘2-6-2顶部盘面上均匀设有三个自中心向外缘方向发散的凹槽，卡盘2-6-2侧部设有多个通孔，通孔内设有驱动齿轮2-6-3。凹槽内设有卡爪座，每个卡爪座上均设有环形卡爪2-6-1，三个环形卡爪2-6-1相对侧上有纹路，环形卡爪2-6-1可以夹持刚性探杆9-2进行对接，拆除相邻两端刚性探杆9-2时环形卡爪2-6-1可以将探杆上的快速连杆机构打开。卡盘2-6-2下方内部设有驱动圆盘2-6-4，驱动圆盘2-6-4中心开孔，孔的侧壁设有螺纹槽，驱动圆盘2-6-4外缘设有环形齿，卡爪座向下设有延伸部，延伸部深入到驱动圆盘2-6-4中心的孔内，延伸部上设有螺纹，螺纹与驱动圆盘2-6-4孔内的螺纹槽相契合，驱动齿轮2-6-3可连接驱动机构并与驱动圆盘2-6-4侧缘的环形齿相啮合。驱动齿轮2-6-3旋转带动驱动圆盘2-6-4旋转，驱动圆盘2-6-4上的螺纹槽带动环形卡爪2-6-1进行移动。静力触探探头5设于柔性探杆9一端，柔性探杆9带有静力触探探头5的一端通过导轨8-4导出，并通过驱动转轮7导向，依次穿过对接装置2-6与准直机构2-8后进入两摩擦轮2-1间，最终向下将静力触探探头5贯入至土体。
如图8所示，柔性探杆9由多段钢性杆件9-2对接而成，柔性探杆9内设有铠装电缆，刚性杆件9-2两端装有快速连杆结构。如图9和10所示，快速对接机构为公头塞9-1和母头塞9-3，公头塞9-1一端设有卡塞。母头塞9-3一端设有凹槽，凹槽外壁上设有环形槽，凹槽内嵌有卡簧9-5凹槽外缘上均匀设有3个缺口，每个缺口处安装有卡爪9-4，卡爪9-4均嵌套在卡簧9-5上，母头塞9-3另一侧用螺钉9-7连接有压盖9-6。公头塞9-1与母头塞9-3对接时，公头塞9-1的卡塞塞入母头塞9-3的凹槽中，卡簧9-5提供向内收紧的作用力，将卡爪9-4与公头塞9-1上的卡塞相扣，实现公头塞9-1与母头塞9-2的对接。
本发明的工作过程如下：
(1)柔性探杆9由多个刚性杆件9-2串联连接，柔性探杆9缠绕在绞车8上，刚性杆件9-2的一端与驱动转轮7缠绕连接，柔性探杆9的另一端绕过驱动转轮7后穿过对接装置2-6，对接装置2-6将相邻柔性探杆9之间的快速对接机构进行连接，将柔性探杆9组合成平直探杆。
(2)静力触探探头5贯入过程中，伺服电机21上安装的齿轮通过与环形齿25啮合，当伺服电机21转动时带动绞车8转动，绞车8带动柔性探杆9进行布放。伺服电机9带动驱动转轮10转动，驱动转轮10带动刚性杆件对准对接装置2-6，对接装置2-6将相邻两端刚性杆件9-2进行对接，将柔性探杆9组合成平直探杆。液压锁紧油缸2-7驱动摩擦轮2-1相向运动，使柔性探杆9的两侧均与摩擦轮2-1紧贴，摩擦轮2-1可以更换以适用于不同尺寸的柔性探杆9。液压马达2-3驱动摩擦轮2-1旋转带动柔性探杆9，使静力触探探头5贯入到被测土体中。静力触探探头5在灌入过程中实对锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力、电阻率等原位多参数进行数据采集。
(3)将静力触探探头5回收时，液压马达2-3反向旋转驱动摩擦轮2-1带动柔性探杆9，将静力触探探头5向上拉出，同时，对接装置2-6将相邻柔性探杆间的快速对接机构打开，将平直探杆分成两段刚性杆件9-2，刚性杆9-2通过驱动转轮7后缠绕于绞车8上。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种海底土工原位多参数探测系统，其特征在于，包括整体框架、恒速贯入系统、对接组件系统、柔性探杆和静力触探探头；
所述恒速贯入系统包括两个对称设于同一竖直平面内的摩擦轮，两摩擦轮对接处上下方均设有准直机构；摩擦轮上均设有支架，支架内设有液压马达，液压马达用于驱动摩擦轮转动；摩擦轮与支架可拆卸连接，摩擦轮外圈设有凹槽，凹槽上设有纹路；两个支架间通过液压锁紧油缸相连，用于提供两个摩擦轮间相向的挤压摩擦力，两个支架通过同一底座固设于整体框架内的底面上，底座上还设有蓄能器，蓄能器与液压马达相连；所述整体框架内的底面上还设有用于提供液压动力的液压阀箱、液压管路和水下电机，与液压马达和液压锁紧油缸相连；
所述对接组件系统包括绞车、对接装置和驱动转轮，绞车固设于摩擦轮后侧的整体框架底面上，绞车转轮与伺服电机相连，驱动转轮设于支撑框架上，与伺服电机相连；绞车旋转架安装在底座上，内侧设有环形齿，与伺服电机上的齿轮相啮合；绞车旋转架在转轮上滚动；对接装置由环形卡爪、卡盘、驱动齿轮、驱动圆盘和定位钉组成，用于连接和拆卸柔性探杆中的多段刚性杆件；卡盘为类似盖的结构，卡盘顶部中心开有通孔，用于刚性探杆的通过，卡盘顶部盘面上均匀设有三个自中心向外缘方向发散的凹槽，卡盘侧部设有多个通孔，通孔内设有驱动齿轮；凹槽内设有卡爪座，每个卡爪座上均设有环形卡爪，三个环形卡爪相对侧上有纹路，环形卡爪夹持刚性探杆进行对接，拆除相邻两端刚性探杆时环形卡爪能将探杆上的快速连杆机构打开；卡盘下方内部设有驱动圆盘，驱动圆盘中心开孔，孔的侧壁设有螺纹槽；驱动圆盘外缘设有环形齿，卡爪座向下设有延伸部，延伸部深入到驱动圆盘中心的孔内；延伸部上设有螺纹，螺纹与驱动圆盘孔内的螺纹槽相契合，驱动齿轮连接驱动机构并与驱动圆盘侧缘的环形齿相啮合；驱动齿轮旋转带动驱动圆盘旋转，驱动圆盘上的螺纹槽带动环形卡爪进行移动；
所述柔性探杆由多段钢性杆件对接而成，各刚性杆件为空心圆柱体结构且两端装有快速连杆机构，内部通过铠装电缆实现连接；静力触探探头设于柔性探杆一端，柔性探杆绕设在绞车上，带有静力触探探头的一端通过导轨导出，并通过驱动转轮导向，依次穿过驱动转轮、对接装置与准直机构，并进入两摩擦轮间，最终向下以实现将静力触探探头贯入至土体；
所述快速连杆机构为公头塞和母头塞，公头塞一端设有卡塞；母头塞一端设有凹槽，凹槽外壁上设有环形槽，凹槽内嵌有卡簧凹槽外缘上均匀设有3个缺口，每个缺口处安装有卡爪，卡爪均嵌套在卡簧上，母头塞另一侧用螺钉连接有压盖；公头塞与母头塞对接时，公头塞的卡塞塞入母头塞的凹槽中，卡簧提供向内收紧的作用力，将卡爪与公头塞上的卡塞相扣，实现公头塞与母头塞的对接。
2.根据权利要求1中所述的一种海底土工原位多参数探测系统，其特征在于，所述整体框架包括支撑框架；所述支撑框架外部设有防撞格栅和防撞橡胶条，顶部设有吊装架，内部设有防腐锌块。
3.根据权利要求1中所述的一种海底土工原位多参数探测系统，其特征在于，所述绞车包括绞车旋转架，绞车旋转架安装在底座上，内侧设有环形齿，与伺服电机通过齿轮连接；底座上还设有转轮和导轨，转轮用于绞车旋转架的旋转时的支撑与导向，导轨用于柔性探杆的导向。
Priority Applications (3)
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