CN115573318A - 一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涉及海底沉积物原位长期观测技术领域，具体涉及一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置及方法，底座包括中心开设有贯穿孔的不锈钢圆盘和固定在不锈钢圆盘底面周向的配重支撑座，不锈钢圆盘和配重支撑座上均安装有一个触底开关，不锈钢圆盘的表面还安装有磁浮电机和控制舱，磁浮电机安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱，磁浮电机通过驱动缆绳与贯入机构连接；释放机构包括两个声学释放器和地质缆绳，两个声学释放器通过并联架固定在地质缆绳上，地质缆绳的端部与立架上的吊环连接，两个声学释放器的释放钩之间通过一根与观测探杆连接的缆绳连接。本发明布放不受尺寸影响、探杆稳定可控释放、应用水深环境可达12000m。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程地质、海底沉积物原位长期观测技术领域，具体涉及一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置及方法。
背景技术
中国发明专利申请CN110117951A公开了一种压载式海洋观测探杆海底静力贯入装置及贯入方法，包括探杆立架、与探杆立架滑动连接的外卡环以及位于探杆立架底部的底座。外卡环上安装有设置插销和电磁铁的探杆定位装置和滑动连接在探杆立架内部的压帽式结构，底座包括分别安装一个触底开关的上底板和下底板以及位于两者之间安装电磁铁的分离板，上底板上安装有相互连接的电池仓、驱动器仓和电机，电机通过驱动绳连接压帽式结构，压帽式结构包括贯入机构、安装有磁石的接触杆和连接外卡环的控制仓，外卡环和底座之间对应夹紧固定有探杆。
上述专利中，虽然贯入装置上也设置了电磁释放装置，但是在实际海试过程中，电磁释放装置产生的吸附力不足以固定重量较大的海洋观测探杆，在遭受海浪冲击时，该吸附力也达不到安全系数的要求，一味增大电磁释放装置吸附力会导致该装置体积和重量增大，影响贯入装置整体功能效果。而且，电磁释放方法为一次性释放，一旦贯入效果不能满足观测需求，则无法进行调整再次进行贯入。此外，深水电机因暴露在深海高压环境中，其转动轴承提供探杆贯入力，需要做动密封，但深水电机动密封技术难以承受大于2000m的深海环境压力，导致贯入装置仅能应用于2000m以内的海洋环境。贯入装置整体受海洋观测探杆尺寸的影响，往往高度较大，普通海洋科考船的A架尺寸无法满足贯入装置的工作要求。
显然，对于复杂、多变的海洋环境，上述申请公开的海底静力贯入装置及贯入方法还存在缺陷，无法满足现有的实际应用需求，这是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置及方法，其布放不受船体A架尺寸影响，探杆稳定可控释放，应用水深环境可达12000m并保持稳定。
本发明是通过如下技术方案实现的：
提供一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，包括底座、立架、观测探杆、探杆定位机构、贯入机构和释放机构，底座包括中心开设有贯穿孔的不锈钢圆盘和固定在不锈钢圆盘底面周向的配重支撑座，不锈钢圆盘和配重支撑座上均安装有一个触底开关，不锈钢圆盘的表面还安装有磁浮电机和控制舱，磁浮电机安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱，磁浮电机通过驱动缆绳与贯入机构连接；
释放机构包括两个声学释放器和地质缆绳，两个声学释放器通过并联架固定在地质缆绳上，地质缆绳的端部与立架上的吊环连接，两个声学释放器的释放钩之间通过一根与观测探杆连接的连接缆绳连接。
进一步的，磁浮电机包括外壳，外壳内置推力磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、电机定子和电机转子，电机定子为圆筒状电磁铁，转子一端在外壳外部连接有叶轮齿。
电子转子和定子之间无刚性约束，从而无需进行动密封，使得该磁浮电机具备了深海高压环境下工作的能力。其中电机两侧的径向磁悬浮轴承用于约束电机转子的位置，推力磁悬浮轴承用于控制电机转速大小，电机定子为圆筒状电磁铁，用于产生磁力。转子与叶轮连接，用于带动叶轮齿转动。
进一步的，不锈钢圆盘上在磁浮电机的一端通过固定架转动安装有绕设驱动缆绳的绕线轮，绕线轮的转轴上安装有与叶轮齿啮合的从动齿轮。
磁浮电机的叶轮齿驱动从动齿轮转动进行带动绕线轮转动缠绕驱动缆绳，驱动缆绳可带动贯入机构向下对观测探杆施加下压力以贯入海底。
进一步的，配重支撑座设有三个，每个配重支撑座上铰接有一支撑脚，每个支撑脚的中部均与立架之间铰接安装有液压支架，不锈钢圆盘的表面安装有驱动液压支架伸缩且可由控制舱控制的液压站。
配重支撑座上分别设置支撑架，在触底后可通过液压站提供动力使液压支架伸长将支撑脚打开并与海底接触，用于增大接触面积并保持贯入装置的稳定性，在回收贯入装置时可通过液压支架收缩，将支撑脚收回到立架外周，以减少空间占用。
进一步的，控制舱内设置有用于控制磁浮电机的控制模块MCU和电量供应的锂电池组。
控制舱内的MCU模块为微控制模块可进行命名发送与接收信号，通过锂电池组进行供电。
进一步的，不锈钢圆盘的表面还安装有具有姿态传感器、加速度传感器和水位压力传感器的设备状态监控舱，设备状态监控舱安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱。
姿态传感器、加速度传感器、高精度水位压力传感器，分别用于监测设备布放回收和坐底观测期间的海底姿态倾斜角度变化、三维运动加速度变化、设备坐底沉降量变化等参数。
进一步的，立架顶部和底座上部各安装有一部深海摄像机，不锈钢圆盘上还安装有摄像机控制舱，深海摄像机的数据采集仪密封于摄像机控制舱内部，摄像机控制舱内置摄像机总控系统和用于供电的锂电池组，总控系统主体部分为可向各深海摄像机发送总体控制命令的ARM微控制器和存储观测视频图像的大容量机械硬盘，数据采集仪通过RS232线缆与摄像机控制舱内部的总控系统双向数据通讯。
一方面总控系统可以向深海摄像机的数据采集仪发送控制命令(设备唤醒、设备休眠、获取设备状态信息、重置设备参数等)，另一方面总控系统可以接收各深海摄像机的数据采集仪采集到的视频数据信息和反馈的各深海摄像机的数据采集仪状态信息。各深海摄像机和各深海摄像机的数据采集仪与锂电池舱之间通过供电线缆连接，接受电量供应。此外，摄像机控制舱预留了光电复合缆接口，用于与船载光电复合缆连接，从而将海底拍摄画面实时传输至海面船只。
一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置的贯入方法，包括以下步骤：
S1、通过船体起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置接近海底，通过水声通讯机不断向贯入装置顶部的声学释放器发送命令，接收声学释放器反馈的实时姿态信息；
S2、在贯入装置到达海底后，配重支撑座的触底开关感应触底信号，控制舱控制液压站使得液压支架伸长将支撑脚张开并与海底接触支撑；
S3、声学释放器反馈的实时姿态信息与船载测深系统获取的水深信息进行对比，判断全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置距离海底的距离，当全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置坐底稳定时，通过声学释放器的甲板单元发送释放命令，观测探杆与贯入装置无刚性连接，磁浮电机转动叶轮通过驱动缆绳为观测探杆提供贯入力，在贯入机构压载作用下稳定匀速贯入海底，待不锈钢圆盘上的触底开关接收到贯入机构的信号后，磁浮电机停止运行，贯入完成；
S4、回收贯入机构，完成贯入流程。
进一步的，在步骤S1中，船体起吊时，将甲板布放系统导轨安装在船体后甲板末端，通过地脚螺栓安装固定，将全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置通过后甲板A架地质缆绳起吊，安装至甲板布放系统的支撑架凹槽内，将船载地质缆绳与海底贯入系统吊环进行连接，保持船体稳定，控制A架释放地质缆绳，保持缆绳处于松弛状态，控制液压支臂伸缩，控制A架向海方向摆动，使地质缆绳处于垂直状态，控制A架回收地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，使其缓缓脱离甲板布放系统，控制A架释放地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置入水。
本发明的有益效果：
一、贯入装置采用平躺的姿态进行甲板布放，不受船只A架尺寸影响，提高了环境适应性。
二、采用深海磁浮电机提供贯入力，无需动密封，解决了海洋观测探杆全海深稳定布放难题，提高了数据质量，扩大了适用水深范围。
三、采用双声学释放器并联释放探杆的方法，解决了电磁释放装置产生的吸附力不足以固定重量较大的海洋观测探杆的问题，保证了海上作业安全，受外部环境冲击较小，稳定性高。
四、设置力可自由伸缩的支撑脚结构，保证了细长贯入装置的海底贯入稳定性，提高了海洋观测探杆的贯入质量。
五、结构简单，活动部件较少，整体稳定性高，可靠度高，能够兼顾结构的可靠性及观测探杆的布放效率。
附图说明
图1为本发明全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置总体结构示意图。
图2为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置主视图。
图3为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置右视图。
图4为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置俯视图。
图5为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置底部视图。
图6为磁浮电机总体结构示意图。
图7为磁浮电机内部结构示意图。
图8为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置布放流程图。
图9为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置释放器连接示意图。
图10为全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置贯入流程图。
图中所示：
1、立架，2、吊环，3、贯入机构，4、观测探杆，5、不锈钢圆盘，6、配重支撑座，7、液压支架，8、支撑腿，9、绕线轮，10、液压站，11、贯穿孔，12、叶轮齿，13、径向磁悬浮轴承，14、推力磁悬浮轴承，15、转子，16、电机定子，17、外壳，18、声学释放器，19、地质缆绳，20、连接缆绳。
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，对本方案进行阐述。
如图1所示，一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，包括底座、立架、观测探杆、探杆定位机构、贯入机构和释放机构，立架包括3根不锈钢立柱组成的环形框架结构，立架外围焊有防变形圈，每隔一米安放一个根据长度选择防变形圈的个数。立架内部沿长度方向设置贯入导轨，贯入导轨用于为贯入机构提供移动轨道，贯入导轨整体为不锈钢细长圆柱形立柱，贯入机构上设置有三个滑轮，可与贯入导轨配合完成贯入机构的上下移动，贯入导轨共有三个，分别对应贯入机构的三个滑轮，三个贯入导轨形成三角形稳定结构，从而保证贯入机构的贯入稳定性。立架一方面起到保护立架内部观测探杆的作用，另一方面起到承受上部吊环拉力，以及下部支撑脚和海床沉积物之间的吸附力的作用。贯入机构的底部装有接触杆，杆上装有磁石，不锈钢圆盘上的触底开关会检测磁信号，当触底开关检测到信号的时候，磁浮电机停止运转。同时接触杆以螺栓连接，可随时人工调整位置，保证功能实现的稳定性。在贯入机构的中间设有过绳轮，可采用四个过绳滑轮来确保驱动缆绳通过时，整体的受力均匀，驱动缆绳经过过绳轮后绕设到绕线轮上，实现绕线轮转动带动贯入机构移动。
底座包括中心开设有贯穿孔的不锈钢圆盘和固定在不锈钢圆盘底面周向的配重支撑座，底部配重脚用于为贯入装置整体提供支撑功能，保持海底做底稳定性，防止由于贯入装置自身重量导致在海底过度沉降。不锈钢圆盘和配重支撑座上均安装有一个触底开关，不锈钢圆盘的表面还安装有磁浮电机和控制舱，磁浮电机安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱，磁浮电机通过驱动缆绳与贯入机构连接。
如图9所示，释放机构包括两个声学释放器和地质缆绳，两个声学释放器通过并联架固定在地质缆绳上，地质缆绳的端部与立架上的吊环连接，两个声学释放器的释放钩之间通过一根与观测探杆连接的连接缆绳连接。释放装置改用两个声学释放器并联的方式，通过一个缆绳直接与贯入机构下部的观测探杆相连，另一端穿过两个声学释放器的释放钩。两个声学释放器通过并联架与地质缆绳连接，地质缆绳直接与贯入装置上部的吊环相连接，释放时，通过声学释放器的甲板单元发送释放命令，此时声学释放器的释放钩打开，观测探杆不再收到约束力，在贯入机构的贯入力作用下开始贯入。
如图6和图7所示，磁浮电机包括外壳，外壳内置推力磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、电机定子和电机转子，电机定子为圆筒状电磁铁，转子一端在外壳外部连接有叶轮齿。
不锈钢圆盘上在磁浮电机的一端通过固定架转动安装有绕设驱动缆绳的绕线轮，绕线轮的转轴上安装有与叶轮齿啮合的从动齿轮。
如图1和图5所示，配重支撑座设有三个，每个配重支撑座上铰接有一支撑脚，每个支撑脚的中部均与立架之间铰接安装有液压支架，不锈钢圆盘的表面安装有驱动液压支架伸缩且可由控制舱控制的液压站。
控制舱内设置有用于控制磁浮电机的控制模块MCU和电量供应的锂电池组。
不锈钢圆盘的表面还安装有具有姿态传感器、加速度传感器和水位压力传感器的设备状态监控舱，设备状态监控舱安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱。此外，设备状态监控舱预留了光电复合缆接口，用于与船载光电复合缆连接，从而将设备状态数据实时传输至海面船只。
立架顶部和底座上部各安装有一部深海摄像机，不锈钢圆盘上还安装有摄像机控制舱，深海摄像机的数据采集仪密封于摄像机控制舱内部，摄像机控制舱内置摄像机总控系统和用于供电的锂电池组，总控系统主体部分为可向各深海摄像机发送总体控制命令的ARM微控制器和存储观测视频图像的大容量机械硬盘，数据采集仪通过RS232线缆与摄像机控制舱内部的总控系统双向数据通讯。摄像机控制舱预留了光电复合缆接口，用于与船载光电复合缆连接，从而将海底拍摄画面实时传输至海面船只。
如图10所示，一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置的贯入方法，包括以下步骤：
S1、通过船体起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置接近海底，通过水声通讯机不断向贯入装置顶部的声学释放器发送命令，接收声学释放器反馈的实时姿态信息；
S2、在贯入装置到达海底后，配重支撑座的触底开关感应触底信号，控制舱控制液压站使得液压支架伸长将支撑脚张开并与海底接触支撑；
S3、声学释放器反馈的实时姿态信息与船载测深系统获取的水深信息进行对比，判断全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置距离海底的距离，当全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置坐底稳定时，通过声学释放器的甲板单元发送释放命令，观测探杆与贯入装置无刚性连接，磁浮电机转动叶轮通过驱动缆绳为观测探杆提供贯入力，在贯入机构压载作用下稳定匀速贯入海底，待不锈钢圆盘上的触底开关接收到贯入机构的信号后，磁浮电机停止运行，贯入完成；
S4、回收贯入机构，完成贯入流程。
在步骤S1中，船体起吊时，如图8所示，将甲板布放系统导轨安装在船体后甲板末端，通过地脚螺栓安装固定，将全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置通过后甲板A架地质缆绳起吊，安装至甲板布放系统的支撑架凹槽内，将船载地质缆绳与海底贯入系统吊环进行连接，保持船体稳定，控制A架释放地质缆绳，保持缆绳处于松弛状态，控制液压支臂伸缩，控制A架向海方向摆动，使地质缆绳处于垂直状态，控制A架回收地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，使其缓缓脱离甲板布放系统，控制A架释放地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置入水。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (9)
1.一种全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，包括底座、立架、观测探杆、探杆定位机构、贯入机构和释放机构，其特征在于：底座包括中心开设有贯穿孔的不锈钢圆盘和固定在不锈钢圆盘底面周向的配重支撑座，不锈钢圆盘和配重支撑座上均安装有一个触底开关，不锈钢圆盘的表面还安装有磁浮电机和控制舱，磁浮电机安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱，磁浮电机通过驱动缆绳与贯入机构连接；
释放机构包括两个声学释放器和地质缆绳，两个声学释放器通过并联架固定在地质缆绳上，地质缆绳的端部与立架上的吊环连接，两个声学释放器的释放钩之间通过一根与观测探杆连接的连接缆绳连接。
2.根据权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：磁浮电机包括外壳，外壳内置推力磁悬浮轴承、径向磁悬浮轴承、电机定子和电机转子，电机定子为圆筒状电磁铁，转子一端在外壳外部连接有叶轮齿。
3.根据权利要求2所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：不锈钢圆盘上在磁浮电机的一端通过固定架转动安装有绕设驱动缆绳的绕线轮，绕线轮的转轴上安装有与叶轮齿啮合的从动齿轮。
4.根据权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：配重支撑座设有三个，每个配重支撑座上铰接有一支撑脚，每个支撑脚的中部均与立架之间铰接安装有液压支架，不锈钢圆盘的表面安装有驱动液压支架伸缩且可由控制舱控制的液压站。
5.根据权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：控制舱内设置有用于控制磁浮电机的控制模块MCU和电量供应的锂电池组。
6.根据权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：不锈钢圆盘的表面还安装有具有姿态传感器、加速度传感器和水位压力传感器的设备状态监控舱，设备状态监控舱安装有水密接插件并通过水密供电线缆连接控制舱。
7.根据权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，其特征在于：立架顶部和底座上部各安装有一部深海摄像机，不锈钢圆盘上还安装有摄像机控制舱，深海摄像机的数据采集仪密封于摄像机控制舱内部，摄像机控制舱内置摄像机总控系统和用于供电的锂电池组，总控系统主体部分为可向各深海摄像机发送总体控制命令的ARM微控制器和存储观测视频图像的大容量机械硬盘，数据采集仪通过RS232线缆与摄像机控制舱内部的总控系统双向数据通讯。
8.一种权利要求1所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置的贯入方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过船体起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置接近海底，通过水声通讯机不断向贯入装置顶部的声学释放器发送命令，接收声学释放器反馈的实时姿态信息；
S2、在贯入装置到达海底后，配重支撑座的触底开关感应触底信号，控制舱控制液压站使得液压支架伸长将支撑脚张开并与海底接触支撑；
S3、声学释放器反馈的实时姿态信息与船载测深系统获取的水深信息进行对比，判断全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置距离海底的距离，当全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置坐底稳定时，通过声学释放器的甲板单元发送释放命令，观测探杆与贯入装置无刚性连接，磁浮电机转动叶轮通过驱动缆绳为观测探杆提供贯入力，在贯入机构压载作用下稳定匀速贯入海底，待不锈钢圆盘上的触底开关接收到贯入机构的信号后，磁浮电机停止运行，贯入完成；
S4、回收贯入机构，完成贯入流程。
9.根据权利要求8所述的全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置的贯入方法，其特征在于：在步骤S1中，船体起吊时，将甲板布放系统导轨安装在船体后甲板末端，通过地脚螺栓安装固定，将全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置通过后甲板A架地质缆绳起吊，安装至甲板布放系统的支撑架凹槽内，将船载地质缆绳与海底贯入系统吊环进行连接，保持船体稳定，控制A架释放地质缆绳，保持缆绳处于松弛状态，控制液压支臂伸缩，控制A架向海方向摆动，使地质缆绳处于垂直状态，控制A架回收地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置，使其缓缓脱离甲板布放系统，控制A架释放地质缆绳，起吊全海深组合型海洋观测探杆静力贯入装置入水。
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