CN113431120A

CN113431120A - 一种对冲模块、对冲式高压水射流型挖沟机及作业方法

Info

Publication number: CN113431120A
Application number: CN202110690520.XA
Authority: CN
Inventors: 田晓庆; 鲁凡; 陈宏华; 潘华辰; 朱泽飞; 李建奇
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2021-09-24

Abstract

本发明公开了一种对冲模块、对冲式高压水射流型挖沟机及作业方法，在水下有缆机器人的控制下，对冲式高压水射流型挖沟机借助有缆机器人的垂直推进器和水平推进器进行竖直移动和水平移动，移动灵活，便于快速到达作业地点，高压射流机构运行，在调整小喷嘴的直径、间距和水射流方向后，进行挖沟作业，同时，对冲机构同步运行，并通过调向舵板调节大流量喷嘴的喷射方向，以平衡高压射流机构带来的反作用力，最后配合履带轮实现连续性挖沟作业；本发明通过增加可调的对冲机构，实现对水射流所产生的反作用力进行抵消，解决挖沟时高压水射流产生的反作用力，对挖沟作业效率和运行稳定性造成严重影响的问题。

Description

一种对冲模块、对冲式高压水射流型挖沟机及作业方法

技术领域

本发明涉及海洋工程装备技术邻域，特别是涉及一种对冲模块、对冲式高压水射流型挖沟机及作业方法。

背景技术

随着社会经济的发展，海洋的价值越来越被人类重视。尤其在资源日益短缺的今天，海洋开发与利用的意义更加突出。海洋中蕴藏着锰、煤、石油等多种资源，同时，近年来海洋牧场等日益繁荣，作为海洋工程技术领域中重要组成部分的挖沟技术日益成熟。

其中挖沟机的设计直接影响着挖沟的质量。现今多数挖沟机都是比较笨重，在水中机动性不强。申请人在前期文献检索中发现，大都水下挖沟机均采用机械与水力冲射复合形式，这样不仅使得机器结构变得复杂、占用了挖沟机的运作空间，同时也降低了挖沟效率。而且在海洋中作业由于存在着水体紊动、暗流等多种因素的影响，尤其是高压水射流产生的反作用力，对于挖沟机作业效率和整机运行稳定性的影响不容忽视。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种对冲模块、对冲式高压水射流型挖沟机及作业方法，通过设置对冲模块，实现对挖沟所产生的反作用力进行抵消，解决高压水射流产生的反作用力，对挖沟作业效率和运行稳定性造成严重影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是，提供一种对冲模块，包括喷口相背设置的高压射流机构和对冲机构，通过所述对冲机构平衡由所述高压射流机构引起的反作用力。

进一步的，所述高压射流机构包括高压射流泵、高压输水管和高压喷嘴，高压射流泵和高压输水管与高压喷嘴可拆卸连通。

进一步的，所述高压喷嘴的喷射角度为45°~70°，所述高压喷嘴出口水流的流速为25m/s~35m/s。

进一步的，所述高压喷嘴包括至少两个小喷嘴，且每个小喷嘴之间的间距为15mm-25mm。

进一步的，所述小喷嘴的喷射角度可调节，所述小喷嘴的喷射角度的调节范围为0°~60°。

进一步的，所述对冲机构包括缓冲泵、低压输水管和大流量喷嘴，缓冲泵和低压输水管与大流量喷嘴可拆卸连通。

进一步的，所述低压输水管上可拆卸设置有对所述大流量喷嘴的喷射方向进行调整的调向舵板。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是，提供一种对冲式高压水射流型挖沟机，包括ROV本体及设置在其上的行走装置，还包括设置在所述ROV本体上的如前述中任一项所述的对冲模块。

进一步的，所述高压射流机构可拆卸安装在所述ROV本体的底部中央的前面，所述对冲机构可拆卸安装在所述ROV本体的底部中央的后面。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是，提供一种对冲式高压水射流型挖沟机的作业方法：

在控制系统的控制下，对冲式高压水射流型挖沟机通过行走装置进行竖直移动和水平移动，到达作业地点；

高压射流机构运行，在调整小喷嘴的直径、间距和水射流方向后，喷出的高压水射流冲击沟渠处的泥土，同时，对冲机构同步运行，并通过调向舵板调节大流量喷嘴的喷射方向，以平衡高压射流机构带来的反作用力；

行走装置移动，实现连续性挖沟作业。

本发明的有益效果是：在控制系统的控制下，对冲式高压水射流型挖沟机通过行走装置进行竖直移动和水平移动，移动灵活，便于快速到达作业地点，高压射流机构运行，在调整小喷嘴的直径、间距和水射流方向后，实现大面积范围内各种型号水下沟渠的开挖，同时，对冲机构同步运行，并通过调向舵板调节大流量喷嘴的喷射方向，以平衡高压射流机构带来的反作用力，最后在履带轮的所用下，实现连续性挖沟作业；通过增加可调的对冲机构，实现对水射流所产生的反作用力进行抵消，提供了一种对冲式结构来平衡反作用力，有利于提高挖沟机的稳定性以及挖沟机的效率。

其中，浮力材料在ROV框架顶部的四角呈矩形设置，平衡挖沟机的姿态，使挖沟机在移动的时候能够保持正确的姿态，并在竖直推进器和水平推进器以及履带轮形成的行走装置的作用下，实现了在海洋中挖沟机对自身运动角度的调整，大大提高了作业效率，相较于多数现有的挖沟机，更加的灵活，机动性更好，效率更高；同时，履带轮方便在湿地等沼泽环境下的作业，能够在水下或陆地使用，适用范围广。

附图说明

图1为本发明提供的对冲式高压水射流型挖沟机的结构示意图；

图2为本发明提供的对冲式高压水射流型挖沟机的剖视图；

图3为本发明提供的对冲式高压水射流型挖沟机的俯视图；

图4为本发明提供的对冲式高压水射流型挖沟机的仰视图；

图5为本发明提供的高压喷嘴的结构示意图；

图6为本发明提供的小喷嘴的结构示意图；

图7为本发明提供的喷头口板的结构示意图；

图8为本发明提供的调向舵板的结构示意图；

图9为本发明提供的舵板的结构示意图。

图中的附图标记为：100-ROV本体；200-对冲机构；300-高压射流机构；201-缓冲泵；202-低压输水管；203-调向舵板；2031-舵板；2032-舵；2033-转轴；204-大流量喷嘴；205-抱箍；306-高压射流泵；307-高压输水管；308-高压喷嘴；3081-小喷嘴；3081a-圆锥端；3081b-球头端；3082-端盖；3083-喷头口板；3084-喷嘴座上；3085-弧形槽；3086-孔；3087-通孔；101-浮力材料；102-垂直推进器；103-水平推进器；104-履带轮；105-安装板；106-ROV框架；107-控制舱。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，对冲式高压水射流型挖沟机包括ROV本体100（水下有缆机器人，Romotely Operated Vehicle, ROV）、对冲机构200和高压射流机构300三部分。

其中，ROV本体100为基础支架，履带轮104是挖沟时的行走装置，通过螺钉安装在ROV框架106的底部两侧；高压射流机构300是挖沟时的破土装置，安装在ROV本体100的底部中央的前面；对冲机构200用来平衡由高压射流机构300引起的反作用力，安装在ROV本体100的底部中央的后面。

如图1，2，3，4所示，ROV本体100是整个挖沟机的基础部分，其包括ROV框架106、推进器和浮力材料101。

其中，ROV框架106是整个本体的安装基础，提供各个部件的安装位置，由钛合金管件焊接而成，它的长为1m~3m，宽为1m~2m，高为1m~2m,在ROV框架106的底部焊接了安装板105，用于履带轮104的安装，控制舱107安装在ROV框105的下部，控制舱107内装有机器的控制系统及类电子元件。

其中，浮力材料101安装在ROV本体100的顶部四角，浮力材料101的作用是平衡挖沟机的姿态，使挖沟机在移动的时候能够保持正确的姿态。

其中，推进器用固定支架作为支撑，与ROV框架106用螺钉进行连接，推进器包括两个垂直推进器102和四个水平推进器103，两个垂直推进器102安装在浮力材料101的中间，用于挖沟时的上浮与下沉，水平推进器103安装在浮力材料101的下边，用于控制挖沟机的前进后退，可以使挖沟机进行横移运动。

如图1，2所示，高压射流机构300主要由高压射流泵306和高压输水管307与高压喷嘴308组合而成。

其中，高压射流泵306的底座与ROV框架106之间通过螺钉固定连接，其通过法兰与高压射流管307的一端可拆卸连接，高压输水管307的直径为15cm~25cm,其一端通过法兰与高压喷嘴308连通，高压喷嘴308可以将海底的泥土冲走，实现挖沟的功能。

其中，高压喷嘴308的喷射角度为45°~70°，可以有效调节高压喷嘴所喷射出水体的角度，以便不同距离处形成直径不同的喷射口，进而可以确保开挖沟壕的体积能够挖出宽30cm~60cm,高50cm~80cm，长为20d~30d的沟，其中d为小喷嘴直径。它的出口流速为25m/s~35m/s,能满足水下污泥和部分岩石基地等多种海底地质的要求。

其中，如图5、6和7所示，高压喷嘴308由若干个可调向的小喷嘴3081组成，每个小喷嘴3081的直径为10mm~20mm，每个小喷嘴3081可调节的角度为0°~60°，每个小喷嘴3081之间的间距为15mm~25mm。

其中，端盖3082把小喷嘴3081和喷头口板3083固定在与高压输水管307连通的喷嘴座3084上；小喷嘴3081的一端呈圆锥状的圆锥端3081a，另一端呈球头状的球头端3081b，球头端3081b可转动设置在由端盖3082和喷头口板3083上的弧形槽3085相互扣合形成的球窝内，小喷嘴3081的圆锥端3081a通过设置在端盖3082上的孔3086贯穿端盖3082；喷头口板3083上设置有供水流进入弧形槽3085的通孔3087。

从高压输水管307输送的水流从通孔3087进入小喷嘴3081的球头端3081b，然后从圆锥端3081a喷出，通过拨动小喷嘴3081的圆锥端3081a，实现球头端3081b在球窝中转动，完成小喷嘴3081角度的调节。

如图1，2，8所示，对冲机构200通过抱箍205安装在安装板105上，便于其安装和拆卸，大大提高了通用性，只需要修改安装板的大小即可适用于宽度不同的ROV框架106，在控制舱107控制高压射流机构进行开沟时，对冲机构200在其控制下也开始运行，对冲机构200能够平衡高压射流机构300带来的反作用力的影响，提高了挖沟机的稳定性与效率；且对冲机构200主要由缓冲泵201和低压输水管202与调向舵板203以及大流量喷嘴204组成。

其中，低压输水管202的直径为25cm~35cm，此时，调向舵板203在控制舱107的控制下开始调节大流量喷嘴204的喷射方向，直到挖沟机的运动达到平衡点时停止调节；其中，大流量喷嘴204的出口流速为0.1Vm/s~0.2Vm/s，其中V为高压喷嘴的出口流速。

其中，如图9所示，调向舵板203包括舵板2031和舵机2032，两个舵板2031通过螺栓连接在低压输水管202上，舵板2031上设置有供舵2032安装并绕其转动的转轴2033。

通过舵机来移动舵板，借助自身的振动传感器来确定舵板的位置是否合理。如果装置本身的振动幅度大于该ROV自身在该海域工作时的10%，则舵机连续工作直至ROV振幅在原振幅的1.1倍范围内为止。

大流量喷嘴204带动周围的水向后方流动时，流动的水经过调向舵板203，由于控制舱107控制转轴2033带动舵2032转动，在水流的作用下产生反作用力，以平衡高压射流机构300带来的反作用力。

下面依据上述形成的对冲式高压水射流型挖沟机，对其作业过程进行详细描述。

其作业可分为两个阶段：第一个阶段是人工控制对冲式高压水射流型挖沟机到达作业地点，第二个阶段是对冲式高压水射流型挖沟机根据实际需要进行挖沟。

其中，第一个阶段分为水下作业和/或陆地作业；在水下作业中，在控制系统的控制下，对冲式高压水射流型挖沟机通过垂直推进器和水平推进器进行竖直移动和水平移动，到达作业地点；在陆地作业中，在控制系统的控制下，对冲式高压水射流型挖沟机通过履带轮104进行移动，到达作业地点；

其中，第二个阶段是，在控制系统的控制下，高压射流机构300运行，在调整小喷嘴的直径、间距和水射流方向后，喷出的高压水射流将海底的泥土冲走，实现大面积范围内各种型号水下沟渠的开挖，同时，对冲机构200同步运行，并通过调向舵板203调节大流量喷嘴204的喷射方向，以平衡高压射流机构300带来的反作用力；最后，履带轮104开始移动，实现连续性挖沟作业。

其中，在第一个阶段和第二个阶段中，控制系统的控制为在控制舱107的自动控制和/或人工远程控制。

在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。

上文对各个实施例的描述倾向于强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以互相参考，为了简洁，本文不再赘述。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限值本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种对冲模块，其特征在于：包括喷口相背设置的高压射流机构和对冲机构，通过所述对冲机构平衡由所述高压射流机构引起的反作用力。

2.根据权利要求1所述的对冲模块，其特征是：所述高压射流机构包括高压射流泵、高压输水管和高压喷嘴，高压射流泵和高压输水管与高压喷嘴可拆卸连通。

3.根据权利要求2所述的对冲模块，其特征是：所述高压喷嘴的喷射角度为45°~70°，所述高压喷嘴出口水流的流速为25m/s~35m/s。

4.根据权利要求2所述的对冲模块，其特征是：所述高压喷嘴包括至少两个小喷嘴，且每个小喷嘴之间的间距为15mm-25mm。

5.根据权利要求4所述的对冲模块，其特征是：所述小喷嘴的喷射角度可调节，所述小喷嘴的喷射角度的调节范围为0°~60°。

6.根据权利要求1所述的对冲模块，其特征是：所述对冲机构包括缓冲泵、低压输水管和大流量喷嘴，缓冲泵和低压输水管与大流量喷嘴可调的拆卸连通。

7.根据权利要求6所述的对冲模块，其特征是：所述低压输水管上可拆卸设置有对所述大流量喷嘴的喷射方向进行调整的调向舵板。

8.一种对冲式高压水射流型挖沟机，包括ROV本体及设置在其上的行走装置，其特征在于：还包括设置在所述ROV本体上的如权利要求1-7中任一项所述的对冲模块。

9.根据权利要求8所述的对冲式高压水射流型挖沟机，其特征是：所述高压射流机构可拆卸安装在所述ROV本体的底部中央的前面，所述对冲机构可拆卸安装在所述ROV本体的底部中央的后面。

10.一种对冲式高压水射流型挖沟机的作业方法，其步骤是：首先将该模块通过可调节连接装置安装在ROV本体上，在控制系统的作用下，对冲式高压水射流型挖沟机借助ROV本体的行走装置进行竖直移动和水平移动，到达作业地点；

高压射流机构运行，在调整小喷嘴的直径、间距和水射流方向后，喷出的高压水射流冲击沟渠处的泥土，同时，对冲机构同步运行，并通过调向舵板调节大流量喷嘴的喷射方向，以平衡高压射流机构带来的反作用力；行走装置移动，实现连续性挖沟作业。