CN114232584B - 一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋地质原位勘探技术，旨在提供一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头。该电磁锤击头包括沿轴向依次布置的电磁铁、磁驱加速管、能量缓冲芯和输出轴；磁驱加速管呈中空套筒状，在其夹层内沿轴向间隔地布置若干级加速线圈，磁驱弹头位于内管中并以其作为位移通道；所述电磁铁通过线缆依次连接控制模块和外部电源；所述各级加速线圈分别通过单独的线缆连接控制模块，控制模块通过线缆接至外部直流电源。本发明利用电磁驱动产生的冲击能，能使所产生的冲击能精确可控。能通过微调电流强度的方式，对冲击能大小进行改动，实现在不同标准和国家间的切换。

Description

一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头

技术领域

本发明涉及海洋地质原位勘探技术领域，具体涉及一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头。

背景技术

海上风机、跨海大桥、海上油气平台等海洋结构物建设的开挖范围大、工程涉及面广、影响因素多，需要获取地层参数以便提高海工结构物稳定性。海底原位触探中的动触探是一种新的有效研究方式。原位动触探可划分不同性质的土层，当土层的力学性质有显著差异，且在触探指标上有显著反映时，可利用动力触探设备进行分层并定性地评价地层的诸多性质，用于确定土的物理力学性质，评价地基上和桩基承载力，估算土的强度和变形参数等。

目前国内陆地上的原位动触探自动化程度低，国外的动触探尽管达到了更高的自动化程度，但是其动力头部分依旧采用的是重力穿心锤的方式，冲击力不具备可调性。在海底由于海水浮力的作用，冲击能不再是一个定值，而是在小范围内波动。另外，海水容易对重力穿心锤产生冲击倾斜、减弱冲击作用。

因此，设计可用于海洋原位动触探设备的动力头以满足触探探头在土层内的连续贯入，使其能在试验深度范围内不断测得土层的力学特性及变化规律，弥补上述现有技术之不足，是具有现实需求的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于海底原位动触探设备的电磁锤击头，该电磁锤击头包括沿轴向依次布置的电磁铁、磁驱加速管、能量缓冲芯和输出轴；磁驱加速管呈中空套筒状，在其夹层内沿轴向间隔地布置若干级加速线圈，磁驱弹头位于内管中并以其作为位移通道；磁驱弹头在各级加速线圈驱动下能够被加速后由内管射出，经能量缓冲芯对输出轴产生冲击，并在完成冲击后由加速线圈反向驱动实现回收；所述电磁铁通过线缆依次连接控制模块和外部电源；所述各级加速线圈分别通过单独的线缆连接控制模块，控制模块通过线缆接至外部直流电源。

本发明中，所述输出轴和能量缓冲芯的外部分别设有保护外壳。

本发明中，所述各级加速线圈具有相同的轴向宽度，磁驱弹头的长度大致等于加速线圈的轴向宽度。

本发明中，所述各级加速线圈为渐增式间距布置；加速线圈的轴向宽度为25-40mm，相邻级间距离为10-20mm。

本发明中，在内管中设有若干组用于获取磁驱弹头行进位置的光电传感器，光电传感器通过线缆连接控制模块，其测量信号被用于控制各级加速线圈的通断电操作。

本发明中，磁驱弹头为导磁非导电材料制备的圆柱体，磁驱弹头与磁驱加速管的内管之间为间隙配合。

本发明中，所述能量缓冲芯为铝青铜材料制备的圆柱体。

本发明中，所述控制模块包括单片机和与加速线圈数量相同且一一对应连接的单级控制电路；各单级控制电路具有相同电路结构，均包括与直流电源构成回路的直流升压电路、充电继电器、放电继电器、电容组和单极加速线圈，充电继电器和放电继电器各自与一个三极管构成充电控制电路和放电控制电路，两个三极管与单片机相接。

本发明进一步提供了利用前述电磁锤击头实现海底原位动触探的方法，包括：

(1)对电磁铁通电，实现磁驱弹头的固定；将电磁锤击头随水下工作平台入水；设备进入海底试验区域后，操作水下机械臂使其竖向布置，并将输出轴对准竖立在土层表面的触探杆的尾端；

(2)关闭电磁铁，释放磁驱弹头，控制模块根据预设程序逐次启动各级加速线圈；在磁驱弹头到达某一加速线圈之前，该加速线圈保持加电状态；在磁驱弹头到达线圈中心点后对当前加速线圈断电，同时对下一级加速线圈通电；以此方式持续对磁驱弹头进行加速，直至获得单次动触探冲击所需要的动能；

(3)磁驱弹头以预定的出膛速度冲击能量缓冲芯，后者吸收冲击能并与输出轴碰撞，实现输出轴对触探杆的冲击；触探杆在贯入土层的同时，利用其内置传感器收集相关检测信号；

(4)对靠近能量缓冲芯的加速线圈进行反向充电，使磁驱弹头反向运动；对靠近电磁铁的加速线圈进行正向充电，使反向运动的磁驱弹头减速，最终由通电的电磁铁实现回收；

(5)重复步骤(2)至(4)，实现触探杆的动触探过程。

发明原理描述：

本发明设计了用于海洋原位动触探的电磁动力头，针对锤击头进行单独设计，提高装置对环境适应性，同时利用电磁产生冲击能替换重力势能产生的冲击能。提出磁驱弹头的回填方式，实现电磁锤击头的轻量化、机构原理高效可靠化、操控智能化与维修便利化。同时，弥补目前海洋工程建设地质勘探的能力空白，形成对海底黏土层、粉土层、砂土层、碎石土层乃至风化岩层的连续原位勘探能力。

本发明通过在电磁头处设置具有较好电气特性、绝缘强度和机械强度的多级驱动线圈，使得在发射弹丸受到电动力的情况下能够保持良好的加速性能；通过选择长度与驱动线圈相接近的，由导磁非导电材料制成的弹头，采用电磁驱动的方式可以调节冲击能的大小，并且在动力头的空腔内不存在海水的干扰，能使冲击能可以高效率的传递给触探杆。

只有直流电才有唯一的电流方向，加速线圈通直流电，才能产生唯一的磁场方向。线圈通电的形式多样，只要能满足提供的电能具备瞬间使弹头逐级加速的能力即可。而这个力量取决于电压的大小，电压越大，瞬时磁场也就越强，弹头喷射的距离也就越远。另外和线圈的匝数的平方成正比，和线圈的截面积成线性相关，因此想要达到对应的出膛速度，改变以上参量即可。因为电容可以提供瞬间的喷发动能，故选择电容放电的方式给线圈进行通电。线圈产生的电感强度可根据以下公式确定：

式中，μ₀为真空磁导率，N为驱动线圈匝数，S为线圈的横截面积；l为驱动线圈的长度；K为形状系数，与线圈直径和长度之比有关。

考虑到在弹头到达单级线圈的中心点后，线圈驱动会从驱动力变为阻滞力，因此需要在磁驱弹头到达线圈中心之后进行当前驱动线圈的断电操作。下一级驱动线圈通电，并继续加速弹头，上一次线圈停止作用，持续加速直到最后离开管口时，达到单次动触探冲击贯入所需要的能量。多级驱动线圈之间的距离可根据精确计算和多次试验获取，并在加速过程中根据精确设定的时间进行放电加速。在磁驱加速管的内管中可进一步加入光电传感器获取弹头位置，当弹头经过遮挡了光电信号，触发下一级驱动线圈开启工作。通过多级电磁感应加速弹头，获得相应的出口速度。

单级线圈的弹头加速可选由51单片机控制，通过引脚的高低电压控制电容的充放电，来给线圈进行供电和断电，通过按键来启停线圈对弹头的加速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用电磁驱动产生的冲击能，能使所产生的冲击能精确可控。摒弃传统技术所采用自由落体运动将重力势能转换为冲击能的方式，改为采用电磁加速方式将电能转化为弹头的冲击能；通过控制电流强度实现不同冲击能之间的转换，实现对软黏土、粉土、砂土、碎石土具有较好的兼容性。

(2)本发明能通过微调电流强度的方式，对冲击能大小进行改动，实现在不同标准和国家间的切换。动触探探杆在欧标、美标和国标之间有一定的冲击能区别，通过调整电流强度，可以搭配不同标准条件的动触探探杆。因此本发明不仅能实现不同地质对象的切换分析，还能兼容诸多国家和地区的标准。

附图说明

图1为本发明中电磁锤击头的结构示意图；

图2为本发明中电磁锤击头的半剖图；

图3为本发明中的电磁加速线圈的单级控制电路图；

图4为本发明中的电磁加速主控MCU图。

图中附图标记：1输出轴；2输出轴外壳；3缓冲芯外壳；4能量缓冲芯；5磁驱弹头；6加速线圈；7电磁铁。

具体实施方式

首先需要说明的是，本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下的实施案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1-4所示，本发明所述用于海底原位动触探设备的电磁锤击头，包括沿轴向依次布置的电磁铁7、磁驱加速管、能量缓冲芯4和输出轴1，输出轴1和能量缓冲芯4的外部分别设有保护外壳。磁驱加速管呈中空套筒状，在其夹层内沿轴向间隔地布置若干级加速线圈6，磁驱弹头5位于内管中并以其作为位移通道；当磁驱弹头5被加速后由内管射出并冲击能量缓冲芯4，能量缓冲芯4与输出轴1发生碰撞并使后者产生位移；磁驱弹头5在完成冲击后，再由加速线圈反向驱动实现回收；所述电磁铁7通过线缆依次连接控制模块和外部电源；所述各级加速线圈6分别通过单独的线缆连接控制模块，控制模块通过线缆接至外部直流电源。

作为示例，各级加速线圈6具有相同的轴向宽度且渐增式间距布置，加速线圈的轴向宽度可选为25-40mm，相邻级间距离可选为10-20mm。磁驱弹头5可选为导磁非导电材料制备的圆柱体，其长度大致等于加速线圈的轴向宽度，磁驱弹头5与磁驱加速管的内管之间为间隙配合。在内管中可以进一步设置若干组用于获取磁驱弹头5行进位置的光电传感器，光电传感器通过线缆连接控制模块，其测量信号被用于控制各级加速线圈6的通断电操作。能量缓冲芯可选为铝青铜材料(如ZQAl10-3-1.5)制备的圆柱体，用于吸收磁驱弹头5的冲击力并将其转换为对输出轴1的撞击。

作为示例，控制模块包括单片机和与加速线圈数量相同且一一对应连接的单级控制电路(如图3、4)；各单级控制电路具有相同电路结构，均包括与直流电源构成回路的直流升压电路、充电继电器、放电继电器、电容组和单极加速线圈，充电继电器和放电继电器各自与一个三极管构成充电控制电路和放电控制电路，两个三极管与单片机相接。

基于上述电磁锤击头，本发明提供了一种实现海底原位动触探的方法，包括：

(1)对电磁铁7通电，实现磁驱弹头5的固定；将电磁锤击头随水下工作平台入水；设备进入海底试验区域后，操作水下机械臂使其竖向布置，并将输出轴1对准竖立在土层表面的触探杆的尾端；

(2)关闭电磁铁7，释放磁驱弹头5，控制模块根据预设程序逐次启动各级加速线圈6；在磁驱弹头5到达某一加速线圈之前，该加速线圈保持加电状态；在磁驱弹头5到达线圈中心点后对当前加速线圈断电，同时对下一级加速线圈通电；以此方式持续对磁驱弹头5进行加速，直至获得单次动触探冲击所需要的动能；

(3)磁驱弹头5以预定的出膛速度冲击能量缓冲芯4，后者吸收冲击能并与输出轴1碰撞，实现输出轴1对触探杆的冲击；触探杆在贯入土层的同时，利用其内置传感器收集加速度、侧摩阻力、锥尖阻力的检测信号；

(4)对靠近能量缓冲芯4的加速线圈进行反向充电，使磁驱弹头5反向运动；对靠近电磁铁7的加速线圈进行正向充电，使反向运动的磁驱弹头5减速，最终由通电的电磁铁7实现回收；

(5)重复步骤(2)至(4)，实现触探杆的动触探过程。

更为具体的示例如下所述：

如图1和2所示，电磁锤击头的前端为输出轴1和输出轴外壳2，中间段为能量缓冲芯4和缓冲芯外壳3，末尾端为磁驱加速管和电磁铁7。磁驱弹头5、多级加速线圈6分设于磁驱加速管的内管和夹层中，由多级加速线圈6对磁驱弹头5进行加速。获取预定的出膛速度后，磁驱弹头5冲击能量缓冲芯4，能量缓冲芯4将冲击能进行转换，进而与输出轴1碰撞，实现输出轴1对触探杆的冲击。图1中对输出轴1进行了截断处理，未在图中完全表示出。

如图2所示，该示例的多级加速线圈6采用了八个单级加速线圈，按照磁驱加速管的轴向直线排列。一般小型电磁发射器的驱动线圈平均长度基本在25-40mm之间，级间距离10-20mm。相比于单级驱动线圈电磁发射，多级驱动线圈系统能够更加有效的加速弹丸，并且每一级驱动线圈的激励电源相对较小，发射系统的效率也比单级高。

多级加速线圈6是磁驱加速管的关键部件，因为磁驱加速管不仅要具有良好的电气特性，同时还应具有足够的绝缘强度和机械强度，使得在发射磁驱弹头5受到电动力的情况下依旧能够保持良好的性能。为了理想的发射效率，磁驱弹头5的长度应该尽量和单级加速线圈的长度相接近，磁驱弹头5选择导磁非导电的材料，或者通过改变其结构设计来抑制内部产生的感应涡流。

由于动力触探具有相应的国际或国家标准，在设计驱动电路前需要对冲击能进行一定的换算。以国标动触探为例，就具有两种类型动触探冲击能的设计换算。本示例综合考量尺寸和可以实现的速度，选取半径为25mm、长度为50mm的铁质磁驱弹头作为被驱动对象。当出加速管的最终速度为11.27m/s时，则冲击能和轻型动力触探落锤作自由落体运动产生的冲击能相等。当出加速管的最终速度为35m/s时，则冲击能和重型动力触探落锤作自由落体运动产生的冲击能相等。

在磁驱弹头5的加速过程中，速度越来越快，因此各级加速线圈的间距离应随之增大。在磁驱弹头5到达某个单级线圈的中心点后，线圈提供的驱动力就会变为阻滞力，因此需要在磁驱弹头到达线圈中心之后对当前驱动线圈进行断电操作。随即由下一级驱动线圈通电，继续加速弹头。按此方式各加速线圈依次加速，直到磁驱弹头5离开管口时能达到单次动触探冲击贯入需要的能量。多级线圈之间的距离是需要进行精确计算和试验的，这样可以在加速过程中的准确时间点对各线圈进行充放电操作。

多级加速线圈6之间的距离需要进行精确计算和试验，在加速过程中按准确时间进行放电加速。本发明通过加入光电传感器获取弹头位置，当弹头经过遮挡了光电信号，触发下一级驱动线圈开启工作。通过多级电磁感应加速弹头，获得相应的出口速度。通过控制电磁加速线圈的电流变化，实现弹丸的加速控制，使得具备输出可变冲击能的能力；并通过小幅微调，实现各国家地区间标准切换的动力头冲击能适配。

本发明利用对电磁铁7的通断电操作，实现磁驱弹头的固定与释放。在通电时，电磁铁7产生磁力，能够对金属材质磁驱弹头产生引力，将其固定于磁驱加速管的尾段。电磁铁7在断电时对磁驱弹头5间的引力消失，磁驱弹头5被释放，并在多级加速线圈6作用下完成动触探。

本发明在装置尾部设置电磁铁7用于吸附固定磁驱弹头5，既可以用作启示出发定位，也可以用作回位复用。对完成发射的磁驱弹头5，若干级加速线圈6通过施加反向电流可以驱动磁驱弹头5进行反向运动，直至回到磁驱加速管的尾端后，与电磁铁再次吸合并固定。如图2所示，磁驱弹头5的回位只需要反向供电，产生反向驱动磁场，采用先四级加速和再四级减速的方式进行快速回位，减少了充电的电能消耗。为了避免最终磁驱弹丸的回位速度过高，采用短时充放电，即不完全对电容进行充放电的方式。在下次锤击时候，停止对电磁铁7供电，即能实现磁驱弹头5的再次发射。利用线圈进行弹头的回填，避免使用复杂的机械结构。

如图3所示，电磁加速线圈的单级控制电路图，左边的电路为保护和观察电路，为了方便观察电容的充电过程，设计一个发光二极管。为了防止电流的倒流，增加一个二极管。为了防止电流过大而损坏元件，增加电阻。单级控制电路主要分为电容充电电路和电容放电电路，图3的中间电路为电容的放电电路，右边电路为电容的充电电路。放电电路和充电电路采用继电器进行通断电控制，利用电容进行储能并释放瞬间高电能，两个并联电容与单级加速线圈相连接。通过控制三极管S8550引脚的高低电压实现右边继电器的通断电，继而控制对单级加速线圈的通断电的控制。设置发光LED用于观察电容充电的过程，为了防止电流的倒流，增加一个二极管。为了防止电流过大而损坏元件，增加电阻。

如图4所示，通过控制STC89C52芯片的P2.0和P2.1引脚的高低压继而控制图3的两个继电器通断，利用晶振产生振荡，使电路工作在稳定的频率范围之内。主控用51单片机，用到两个GPIO口，两个外部中断之间为串口通讯。采用Teensy 3.5DEV-14055MK64FX512VMD12模块进行八级加速的总控制。

Claims (4)

1.一种利用电磁锤击头实现海底原位动触探的方法，其特征在于，

该方法是基于下述电磁锤击头实现的：该电磁锤击头包括沿轴向依次布置的电磁铁、磁驱加速管、能量缓冲芯和输出轴；磁驱加速管呈中空套筒状，在其夹层内沿轴向间隔地布置若干级加速线圈，磁驱弹头位于内管中并以其作为位移通道；磁驱弹头在各级加速线圈驱动下能够被加速后由内管射出，经能量缓冲芯对输出轴产生冲击，并在完成冲击后由加速线圈反向驱动实现回收；所述电磁铁通过线缆依次连接控制模块和外部电源；所述各级加速线圈分别通过单独的线缆连接控制模块，控制模块通过线缆接至外部直流电源；

所述各级加速线圈具有相同的轴向宽度，磁驱弹头的长度大致等于加速线圈的轴向宽度；所述各级加速线圈为渐增式间距布置；加速线圈的轴向宽度为25-40mm，相邻级间距离为10-20mm；在内管中设有若干组用于获取磁驱弹头行进位置的光电传感器，光电传感器通过线缆连接控制模块，其测量信号被用于控制各级加速线圈的通断电操作；

所述控制模块包括单片机和与加速线圈数量相同且一一对应连接的单级控制电路；各单级控制电路具有相同电路结构，均包括与直流电源构成回路的直流升压电路、充电继电器、放电继电器、电容组和单极加速线圈，充电继电器和放电继电器各自与一个三极管构成充电控制电路和放电控制电路，两个三极管与单片机相接；

所述海底原位动触探方法包括以下步骤：

（1）对电磁铁通电，实现磁驱弹头的固定；将电磁锤击头随水下工作平台入水；设备进入海底试验区域后，操作水下机械臂使其竖向布置，并将输出轴对准竖立在土层表面的触探杆的尾端；

（2）关闭电磁铁，释放磁驱弹头，控制模块根据预设程序逐次启动各级加速线圈；在磁驱弹头到达某一加速线圈之前，该加速线圈保持加电状态；在磁驱弹头到达线圈中心点后对当前加速线圈断电，同时对下一级加速线圈通电；以此方式持续对磁驱弹头进行加速，直至获得单次动触探冲击所需要的动能；

（3）磁驱弹头以预定的出膛速度冲击能量缓冲芯，后者吸收冲击能并与输出轴碰撞，实现输出轴对触探杆的冲击；触探杆在贯入土层的同时，利用其内置传感器收集相关检测信号；

（4）对靠近能量缓冲芯的加速线圈进行反向充电，使磁驱弹头反向运动；对靠近电磁铁的加速线圈进行正向充电，使反向运动的磁驱弹头减速，最终由通电的电磁铁实现回收；

（5）重复步骤（2）至（4），实现触探杆的动触探过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出轴和能量缓冲芯的外部分别设有保护外壳。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磁驱弹头为导磁非导电材料制备的圆柱体，磁驱弹头与磁驱加速管的内管之间为间隙配合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量缓冲芯为铝青铜材料制备的圆柱体。