CN116278549B - 一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，包括船体、滚轮破冰装置、履带爬冰装置、重心调整装置和控制单元，滚轮破冰装置设在船体前部，包括安装架、减速电机、第一滚轮冰刀、第二滚轮冰刀和锥筒滚轮冰刀。减速电机设在船体内部，第一滚轮冰刀转动设在安装架后部，通过第一传动机构与减速电机一个输出端相连。第二滚轮冰刀设在第一滚轮冰刀前上方，通过第二传动机构与减速电机另一个输出端相连。锥筒滚轮冰刀有两个，对称设在安装架前端两侧。重心调整装置包括可移动设在船体上部的两个浮体舱。本发明具有多模式破冰能力，破冰效率高，有效避免船艏受损，提高航行效率，对船体重心调整实现爬冰，遇到超出破冰能力的冰层时避免被困。

Description

一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统

技术领域

本发明涉及船舶制造技术领域，具体涉及一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统。

背景技术

近年来随着水资源丰富以及航运历史悠久的北方河流成为国家开发的重点，但由于北方河流存在结冰期较长、流量受季节影响大等问题，严重制约了内河航道的发展，同时受限于北方河流航道狭窄，传统极地破冰船由于体型巨大，无法进行内河作业。因此自主研制和建造小型破冰船是我国进行北方航道开辟、内河资源开发考察以及军事上进行运输侦察必不可少的重要抓手，具有重要的战略意义。研制具备结冰区域航行作业条件的小型破冰船，不仅可以作为科研用途用作河底勘探作业，而且可作为军事用途用作小型侦察船、运输人员装备等。

破冰船是用于破碎水面冰层，开辟航道，保障舰船进出冰封港口、锚地，或引导舰船在冰区航行的勤务船。目前传统的破冰船有连续破冰和冲撞破冰两种破冰方式，其中连续破冰法主要利用螺旋桨的力量和船头连续撞击冰层，把冰层劈开并撞碎；冲撞破冰法主要利用破冰船船头部位吃水浅，船艏能够轻易移动到冰面上，依靠自身的重量将冰层压碎。如果破冰船遭遇很厚的冰层，以上两种方法均不能成功破冰时，需要破冰船利用水泵，将尾部水舱灌满水，使得船舶重心后移，将船头抬高依靠螺旋桨的推力“爬”上冰面，随后将尾部水舱中的水排出，同时利用水泵将首部水舱灌满水，便能够依靠船体首部此时的重力将冰层压碎。以上破冰方式均需要依靠船艏部分的重量将冰层压碎或利用自身惯性将冰层劈开，破冰船艏部受到冰层的磨损、挤压，长期破冰作业容易造成损伤。

申请号CN114750883A的中国专利提出一种通过电机驱动传动杆带动起振器工作进行往复运动，产生振动带动碎冰刀切割冰层。但该装置破冰方式单一且破冰刀破冰接触面积较小，破冰效果较差，对于较厚的冰层无法进行切割，同时碎冰刀之间间隙较小，进行切割作业时容易产生碎冰，影响破冰效率；在航行性能方面，单纯依靠此碎冰刀进行破冰，当遇到较厚冰层超过该破冰船的破冰能力时，无法通过其他方式辅助船只及时驶出结冰区域，严重影响破冰船的航行效率。因此如何设计一种既能够辅助破冰船进行破冰以提高破冰能力，并且最大限度提高破冰船在不同水域的航行效率的装置至关重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，解决现有河流的破冰船仅依靠船艏撞击实现破冰，易导致船艏受损，破冰效率低，破冰效果较差，对于较厚的冰层破冰难度大，无法通过其他方式辅助船只及时驶出结冰区域的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，包括船体、滚轮破冰装置、履带爬冰装置、重心调整装置和控制单元，滚轮破冰装置设在船体的前部，其包括安装架、减速电机、第一滚轮冰刀、第二滚轮冰刀和锥筒滚轮冰刀，所述安装架的后部与船体固定相连。

控制单元包括控制器及双目深度相机，双目深度相机设在船体前端，与控制器通讯相连。

减速电机设置在船体的前部，减速电机的减速器具有相对的两个输出端，第一滚轮冰刀转动设在安装架的后部，减速电机的一个输出端通过第一传动机构驱动第一滚轮冰刀转动，所述减速电机的信号端与控制器通讯相连。

所述第二滚轮冰刀有两个，并且设置在第一滚轮冰刀的前上方，且与安装架的中部转动配合，减速电机的另一个输出端通过第二传动机构驱动第两个第二滚轮冰刀同步转动。

锥筒滚轮冰刀有两个，对称设在安装架的左右两侧，各锥筒滚轮冰刀分别通过电机箱与安装架转动配合，每个电机箱均配置有一个角度调节机构。

履带爬冰装置有两组，对称设置在船体底部的左右两侧，每组履带爬冰装置包括一前一后布置的两个履带爬冰装置。

重心调整装置设在船体上部，其包括直线驱动机构及左右对称布置的两个浮体舱，两个浮体舱的底部与船体前后滑动配合，直线驱动机构设在两个浮体舱之间，可驱动两个浮体舱前后移动。

进一步地，所述安装架包括前横梁及两个边梁，两个边梁左右相对布置，后部通过所述前横梁固定相连，各边梁的后端均通过一个后横梁与船体固定相连成一体。

每个边梁均通过加强梁与船体固定相连，加强梁位于对应边梁的上方。

进一步地，所述边梁和后横梁均是由方管制成的，且端部封闭。

所述边梁为三段式结构，包括由后往前依次固定相连的后水平段、倾斜段及前水平段，前横梁的左右两端分别与两个边梁的后水平段固定相连成一体，所述第一滚轮冰刀位于前横梁的前侧。

进一步地，所述第一滚轮冰刀通过第一轮轴横向水平设在两个边梁之间，第一轮轴的两端分别与两个边梁转动相连。

所述第一传动机构设在左侧边梁内部，其包括第一转轴，第一转轴沿边梁的长度方向布置且与边梁转动配合，其左端与第一轮轴的前端锥齿轮传动。

所述第一轮轴的后端穿入左侧的后横梁内，通过设置在后横梁内的第一蜗轮蜗杆机构与减速电机左侧的输出端相连。

进一步地，两个所述第二滚轮冰刀通过第二轮轴横向水平设在两个边梁之间，第二轮轴的两端分别与两个边梁倾斜段的前端转动相连。

所述第二传动机构包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴分别转动设置在右侧边梁的后水平段和倾斜段内，并通过第一十字联轴器相连，所述第三转轴的前端与第二轮轴的右端锥齿轮传动。

所述第二转轴的后端穿入右侧的后横梁内，通过设置在右侧后横梁内的第二蜗轮蜗杆机构与减速电机右侧的输出端相连。

进一步地，所述电机箱的内部固定设有步进电机，步进电机的输出轴穿出电机箱与锥筒滚轮冰刀的端部同轴固定相连，所述步进电机的信号端与控制器通讯相连。

各所述电机箱的后侧通过回转支承与同侧边梁的前端转动相连，角度调节机构设在边梁内，包括沿边梁长度方向依次设置的第四转轴、第五转轴和第六转轴，第四、第五转轴的对应端以及第五、第六转轴的对应端均通过第二十字联轴器相连。

进一步地，所述第四转轴的后端穿入同侧的后横梁内并与其转动配合，第六转轴的前端与电机箱的后侧壁固定相连。

每个所述后横梁的内部均设有第七转轴，所述减速电机的左右两侧对称设置由两个第一伺服电机，所述第一伺服电机的信号端与控制器通讯相连。

所述第七转轴的一端与同侧第一伺服电机的输出端锥齿轮传动，另一端与同侧第四转轴的后端锥齿轮传动。

进一步地，两个浮体舱的底部通过连接架固定相连，所述连接架的下方设有纵向平行的两个导轨，每个导轨上均配置有至少两个导滑块，所有导滑块均与连接架的底部固定相连。

直线驱动机构包括丝杠及丝母座，所述丝杠设置在两个导轨之间且与导轨平行布置，所述丝杠的前端设置有第二伺服电机，所述第二伺服电机的信号端与控制器通讯相连。

所述丝母座设在支撑架上，支撑架与两个浮体舱的下部固定相连，丝杠穿过丝母座可驱动两个浮体舱沿导轨前后移动。

进一步地，履带爬冰装置包括履带梁、履带，所述履带梁纵向布置在船体外侧，通过梁架与船体龙骨固定相连，其前后两端分别设有主动链轮和从动链轮，所述主动链轮的轮轴伸至船体内部，通过离合器与船体的动力机构相连。

所述履带梁的上部设有多个托链轮，多个托链轮沿履带梁的长度方向等间隔布置，履带梁的下部设有多个支重轮，多个支重轮沿履带梁的长度方向等间隔布置，履带设置在履带梁、主动链轮、从动链轮、托链轮和支重轮的外侧，主动链轮可驱动履带运动。

进一步地，所述第一、第二滚轮冰刀均包括直圆筒，所述直圆筒的圆周外壁上具有均匀分布的第一斜齿，第一斜齿的根部与直圆筒为一体结构。

锥筒滚轮冰刀包括圆锥筒，所述圆锥筒的圆周外壁上具有均匀分布的第二斜齿，第二斜齿的根部与直圆筒为一体结构，每个第一斜齿和第二斜齿的齿顶可拆卸安装有条形刀片。

所述条形刀片是由硬质合金制成的。

通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明基于现有适用于内河航道的小型破冰船基础上，在船体首部加装滚轮破冰装置，避免了采用传统破冰方法会造成船艏部位损伤，滚轮破冰装置的多个滚轮冰刀可实现姿态调整且相互配合，第二滚轮冰刀和第一滚轮冰刀高低搭配进行主要破冰作业，锥筒滚轮冰刀在转动切割冰层的同时进行垂向转动打击冰层，从而大幅提升小型破冰船的破冰能力。

在已有辅助破冰装置的前提下，加装了可伸缩式履带和可移动浮体舱，当破冰船在航行过程中遭遇较厚冰层，超出破冰能力的情况下，可以启动爬冰系统，爬升至冰面上继续依靠履带行驶，从而实现水冰两栖行驶，避免因无法进行破冰作业而影响航行效率，水冰两栖行驶也极大程度拓宽了现有技术下小型破冰船的航区范围。

采用可移动式的浮体舱极大程度节省船只作业时间，可移动式的浮体舱调整船体的重心位置，避免对浮水舱内重复进行灌水、排水作业，只需进行一次对于浮体舱内的灌水、排水作业，即可完成调整船体重心的工作，大大节省了破冰船在该项工作上的作业时间，提高作业效率。

附图说明

图1是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的结构示意图一。

图2是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的结构示意图二。

图3是图1中某一部分的示意图，示出的是滚轮破冰装置。

图4是图1中另一部分的示意图，示出的是重心调整装置。

图5是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的破冰工作状态图一。

图6是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的破冰工作状态图二。

图7是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的爬冰工作状态图一。

图8是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的爬冰工作状态图二。

图9是本发明一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统的冰面行走工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

为了完成我国北部近海海域或河道内特定区域的破冰任务，以满足航运需要、资源开发或进行冬季渔业捕捞、人员救援等工作，所需船舶类型主要为小型破冰船，由于本发明所涉及的船型船体本身较小，排水量小，如果采取传统破冰方法即利用连续破冰法和冲撞破冰法，难以满足本船的破冰需求。

实施例，结合图1至图9，一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，包括船体1、滚轮破冰装置2、履带爬冰装置3、重心调整装置4和控制单元，滚轮破冰装置2设在船体1的前部，其包括安装架、减速电机9、第一滚轮冰刀51、第二滚轮冰刀53和锥筒滚轮冰刀55，所述安装架的后部与船体1固定相连。

所述安装架包括前横梁22及两个边梁21，两个边梁21的结构相同且左右相对布置，所述边梁21为三段式结构，包括由后往前依次固定相连的后水平段211、倾斜段212及前水平段213，前横梁22的左右两端分别与两个边梁21的后水平段固定相连成一体。两个边梁21后水平段中部通过所述前横梁22固定相连，各边梁21的后端均通过一个后横梁23与船体1固定相连成一体。

两个后横梁23相对设置在两个边梁21之间，两个后横梁23背离的一端与同侧边梁21的后端固定焊接成一体，相对的一端与船体1的龙骨固定焊接在一起。每个边梁21均通过加强梁24与船体1固定相连，加强梁24位于对应边梁21的上方。所述边梁21和后横梁23均是由方管制成的，内部为空腔结构且端部封闭，防止水进入安装架的内部。

控制单元包括控制器及双目深度相机，双目深度相机固定安装在船体1前端，双目深度相机的信号端与控制器通讯相连，所述控制器和双目深度相机采用现有技术，双目深度相机用于实时识别船体前侧的冰层状况信息，并传送至控制器，通过算法得到冰层厚度的数据。本发明的滚轮破冰装置后侧上方加装控制单元，减少人为误判冰层的概率，同时便于精准识别前方所遭遇冰层的厚度情况，以此来选择是继续进行破冰作业或停止破冰改而启动爬冰系统，保证破冰船的航行效率。

所述第一滚轮冰刀51位于前横梁22的前侧，所述第一滚轮冰刀51通过第一轮轴52横向水平设在两个边梁21之间，第一轮轴52的两端分别通过轴承与两个边梁21转动配合，第一轮轴52与第一滚轮冰刀51同轴固定相连成一体。

减速电机9固定安装在船体1的前部，减速电机9的减速器具有相对的两个输出端，减速电机9的两个输出端左右同轴相对布置，减速器的输出轴分别配置有离合器，可分别控制两个输出端的转动状态，所述减速电机9的信号端与控制器通讯相连。第一滚轮冰刀51转动设在安装架的后部，与第一轮轴52同轴固定相连成一体，减速电机9左侧的输出端通过第一传动机构驱动第一滚轮冰刀51转动，以转动切割的方式实现对冰层的破冰操作。

所述第一传动机构设在左侧边梁21内部，其包括第一转轴61、第一锥齿轮63和第二锥齿轮64，第一转轴61沿边梁21的长度方向布置且与边梁21转动配合，其左端与第一轮轴52的前端锥齿轮传动。具体地，所述第一锥齿轮63安装在第一转轴61的左端，第二锥齿轮64安装在第一转轴61的前端，第一锥齿轮63和第二锥齿轮64啮合。所述第一轮轴52的后端穿入左侧的后横梁23内，通过设置在后横梁23内的第一蜗轮蜗杆机构62与减速电机9左侧的输出端相连。工作状态下，减速电机9左侧的输出轴通过第一蜗轮蜗杆机构62驱动第一转轴61转动，第一转轴61转动通过锥齿轮传动的方式驱动第一滚轮冰刀51向前转动。

所述第二滚轮冰刀53有两个，并且设置在第一滚轮冰刀51的前上方，且与安装架的中部转动配合，减速电机9右侧的输出端通过第二传动机构驱动第两个第二滚轮冰刀53同步转动。

具体地，两个所述第二滚轮冰刀53通过第二轮轴54横向水平设在两个边梁21之间，第二轮轴54与第二滚轮冰刀53同轴固定成一体，其两端分别与两个边梁21倾斜段的前端通过轴承转动配合。所述第一轮轴52和第二滚轮冰刀53均包括直圆筒，所述直圆筒的圆周外壁上具有均匀分布的第一斜齿，第一斜齿的根部与直圆筒为一体结构。每个第一斜齿的齿顶均可拆卸安装有条形刀片，所述条形刀片是由硬质合金制成的，可轻松实现对冰层的切割。

所述第二传动机构包括第二转轴71、第三转轴72、第三锥齿轮75、第三锥齿轮76，所述第二转轴71和第三转轴72分别转动设置在右侧边梁21的后水平段和倾斜段内，并通过轴承分别与右侧边梁21的后水平段和倾斜段转动配合，所述第二转轴71的前端与第三转轴72的后端通过第一十字联轴器73相连，所述第三转轴72的前端与第二轮轴54的右端锥齿轮传动。

具体地，第三锥齿轮75安装在的第二轮轴54右端，第三锥齿轮76安装在第二转轴71的前端，第三锥齿轮75和第三锥齿轮76啮合。所述第二转轴71的后端穿入右侧的后横梁23内，通过设置在右侧后横梁23内的第二蜗轮蜗杆机构74与减速电机9右侧的输出端相连，第二蜗轮蜗杆机构74与第一蜗轮蜗杆机构62结构相同。工作状态下，减速电机9右侧的输出端通过第二蜗轮蜗杆机构74驱动第三转轴72转动，第三转轴72通过第一十字联轴器73驱动第三转轴72转动，所述第三转轴72转动驱动第二滚轮冰刀53向前转动，实现对冰层切割破冰。

锥筒滚轮冰刀55有两个，对称设在安装架的左右两侧，各锥筒滚轮冰刀55分别通过电机箱56与安装架转动配合，每个电机箱56均配置有一个角度调节机构。锥筒滚轮冰刀55包括圆锥筒，所述圆锥筒的圆周外壁上具有均匀分布的第二斜齿，第二斜齿的根部与直圆筒为一体结构，每个第二斜齿的齿顶也可拆卸安装有同样的条形刀片，条形刀片沿着圆锥筒的外表面螺旋布置，转动过程中可提升其切割破冰能力。

具体地，所述电机箱56的内部固定安装有步进电机57，所述步进电机57的信号端与控制器通讯相连。电机箱56是由铸钢制成的壳体结构，其前端为锥形头。步进电机57的输出轴穿出电机箱56与锥筒滚轮冰刀55的端部同轴固定相连，步进电机57的输出轴与电机箱56的侧壁转动密封配合，并与锥筒滚轮冰刀55的轮轴同轴固定相连，步进电机57的输出轴驱动锥筒滚轮冰刀55转动，实现对冰层切割破冰。

各所述电机箱56的后侧通过回转支承58与同侧边梁21的前端转动相连，角度调节机构设在边梁21内，包括沿边梁21长度方向由后往前依次设置的第四转轴81、第五转轴82和第六转轴83，所述第四转轴81、第五转轴82和第六转轴83分别位于边梁21的后水平段211、倾斜段212及前水平段213内，与边梁21通过轴承转动配合，第四转轴81、第五转轴82的对应端以及第五转轴82、第六转轴83的对应端均通过第二十字联轴器84相连。所述四转轴81、第五转轴82和第六转轴83及第二十字联轴器84位于第一传动机构、第二传动机构的上方，并与其均不干涉。

所述回转支承58的固定部分安装在边梁21的前端，其转动部分与电机箱56的后侧壁固定相连，电机箱56可相对于边梁21转动。另外，回转支承58的外侧设置有防水罩59，防水罩59的后侧于边梁21的前端侧壁固定密封相连，其前端设置有O型密封圈，通过O型密封圈与电机箱56的后侧壁转动密封配合。

具体地，所述第四转轴81的后端穿入同侧的后横梁23内并与其转动配合，第六转轴83的前端与电机箱56的后侧壁固定相连。每个所述后横梁23的内部均设有第七转轴85，所述减速电机9的左右两侧对称设置由两个第一伺服电机86，所述第一伺服电机86的信号端与控制器通讯相连。所述第七转轴85的一端与同侧第一伺服电机86的输出端锥齿轮传动，另一端与同侧第四转轴81的后端锥齿轮传动。

第四转轴81的后端安装有第五锥齿轮87，第四转轴81位于后横梁23的内部，所述第七转轴85上设置有第六锥齿轮88，第六锥齿轮88与第五锥齿轮87啮合传动，第一伺服电机86通过第七转轴85驱动第四转轴81转动，第四转轴81通过第五转轴82、第二十字联轴器84、第六转轴83驱动电机箱56转动，实现对锥筒滚轮冰刀55的角度调节。

此外，每个边梁21的前端对称固定安装有两个电动伸缩缸59，电动伸缩缸59的信号端与控制器通讯相连，回转支承58的固定部分具有与电动伸缩缸59位置对应的导向孔，电动伸缩缸59的伸缩杆位于对应的导向孔内，电动伸缩缸59的伸缩杆由控制器控制其伸缩杆在对应的导向孔内前后移动。

回转支承58的转动部分具有呈环形均匀布置的四个定位孔，锥筒滚轮冰刀55处于水平或竖直状态下，两个电动伸缩缸59的伸缩杆端部可穿入相对的两个定位孔将回转支承58的转动部分锁定，动伸缩缸59的伸缩杆端部退出回转支承58转动部分的定位孔后，第一伺服电机86可通过角度调节机构带动锥筒滚轮冰刀55往复摆动，在其转动状态下，还可绕回转支承的中心往复摆动，实现对冰面的打击。

位于船体1前侧下方的滚轮破冰装置2包括位于安装架后部的第一滚轮冰刀51和位于安装架后部的两个第二滚轮冰刀53，所述第一滚轮冰刀51和第二滚轮冰刀53采用高低布置，对冰层其主要破冰作用，还包括位于安装架前端的两个锥筒滚轮冰刀55，两个锥筒滚轮冰刀55可变距、姿态可调整。锥筒滚轮冰刀55转动切割冰层，并通过姿态变换可打击冰层，起着辅助破冰作用。同时，控制单元的图像采集系统能够实时采集前方冰层的图像信息并确定冰层厚度，以决定是采取继续破冰还是停止破冰，而启动履带爬冰装置3实现船体爬冰，到冰面上行走。

当破冰船航行至结冰区，通过控制单元的图像采集系统发现前方出现冰层，控制器发送指令控制滚轮破冰装置2开始作业。若所遇到的冰层较薄时，利用第一滚轮冰刀51和第二滚轮冰刀53进行破冰作业即可满足破冰需求，如图5所示。此时，锥筒滚轮冰刀55保持向上的竖直状态，不工作，安装架的前水平段213位于冰面上方。

前方出现较厚冰层时，若利用第一滚轮冰刀51和第二滚轮冰刀53无法单独完成破冰作业，需要锥筒滚轮冰刀55进行破冰，如图6所示。两个锥筒滚轮冰刀55向内侧旋转90°后处于水平状态，完成角度锁定后，锥筒滚轮冰刀55切割冰面，与第一滚轮冰刀51和第二滚轮冰刀53一起开展破冰作业，提高其破冰能力。

前方出现冰层厚度继续增加时，可解除对锥筒滚轮冰刀55的角度锁定，第一伺服电机86通过角度调节机构驱动锥筒滚轮冰刀55摆动，并配合其自身的转动实现对冰层的击打和切割，增强其破冰能力，提高破冰效率。

通过控制单元的图像采集系统发现所传递的冰层信息判断，前方所遇到的冰层超出了该破冰船的破冰能力，滚轮破冰装置2停止破冰，锥筒滚轮冰刀55保持向上的竖直状态，不工作，安装架的前水平段213位于冰面上方，随即启动爬冰操作。

当破冰船进行爬冰以及在冰面行驶时，滚轮破冰装置2处于停止运行状态，同时需要保持控制单元的图像采集系统时刻处于工作状态，以保证及时探明船艏前方冰层情况。

履带爬冰装置3有两组，对称设置在船体1底部的左右两侧，每组履带爬冰装置3包括一前一后布置的两个履带爬冰装置3。履带爬冰装置3包括履带梁31、履带32，所述履带梁31纵向布置在船体1外侧，通过梁架与船体1龙骨固定相连，其前后两端分别设有主动链轮33和从动链轮34，所述主动链轮33的轮轴伸至船体1内部，通过电磁离合器与船体1的动力机构相连。船体1的动力机构驱动主动链轮33转动，可实现船体1在冰层断口处的爬冰及冰面上的行走。

所述履带梁31的上部设有多个托链轮35，多个托链轮沿履带梁31的长度方向等间隔布置，托链轮35的作用是对履带梁31上方的履带32起支撑作用。履带梁31的下部设有多个支重轮36，多个支重轮36沿履带梁31的长度方向等间隔布置，支重轮36的作用是对履带梁31和船体1起支撑作用，以实现船体1在履带32的下层部分上行走。履带32设置在履带梁31、主动链轮33、从动链轮34、托链轮35和支重轮36的外侧，主动链轮33可驱动履带32运动。

重心调整装置4设在船体1上部，其包括直线驱动机构及左右对称布置的两个浮体舱41，两个浮体舱41的底部与船体1前后滑动配合，直线驱动机构设在两个浮体舱41之间，可驱动两个浮体舱41前后移动。浮体舱41是首部和尾部呈圆钝的纺锤形，舱体的横剖面均为圆截面。此形状的浮体舱41在航行过程中风阻力较小，有助于减小对船舶航行阻力性能的影响。

每个浮体舱41的一侧分别设有进水口和出水口，进水口和出水口上均设有泵体，并分别连接有进水管和排水管，实现向浮体舱41内部注水和将浮体舱41的水排出，以实现船体1吃水深度的调节。

两个浮体舱41的底部通过连接架42固定相连，所述连接架42的下方设有纵向平行的两个导轨43，每个导轨43上均配置有至少两个导滑块44，所有导滑块44均与连接架42的底部固定相连。

直线驱动机构包括丝杠45及丝母座46，所述丝杠45设置在两个导轨43之间且与导轨43平行布置，所述丝杠45的前端设置有第二伺服电机47，所述第二伺服电机47的信号端与控制器通讯相连。所述丝母座46设在支撑架48上，支撑架48与两个浮体舱41的下部固定相连，丝杠45穿过丝母座46可驱动两个浮体舱41沿导轨43前后移动，以实现船体的重心位置调节。可移动式浮体舱41可在需要改变船体重心位置的情况下进行一次性灌水，避免在破冰作业过程中进行重复的灌水工作，极大程度提高了破冰作业效率。同时，该浮体舱41可充当稳定浮箱的作用，防止船体横倾。

若航行过程中所遇冰层较厚，对船体上冰过程中的重心调整较大，需要将整个浮体舱的内部作为储水腔体，将整个浮体舱注水，利于对船体重心的调整。位于船体两翼的浮体舱不仅起改变船身重心位置的作用，还可以起增加船体浮力、防止船体横倾的作用。具体实施过程如下：

1、当破冰船启动爬冰系统的情况下，首先将浮体舱中的首尾水舱部分灌满水，船上人员通过控制系统调整浮体舱沿着铺设于船体两翼的固定滑轨移动，移动方向设置为朝着船尾的方向，即可实现调整船体重心后移的目的，使得船头翘起便于爬冰作业；

2、当破冰船即将爬上冰面的情况下，船上人员再次通过控制系统调整浮体舱沿着固定滑轨移动，移动方向设置为朝着船艏的方向，即可实现调整船体重心前移的目的，使得船头重量增加便于为前端履带提供更大的爬升力，从而顺利完成爬冰作业；

3、当破冰船整体成功爬上冰面以后，排空浮体舱中的水，减少船体自身重量。同时船上人员通过控制系统将浮体舱移动至船中位置，避免行驶过程中船体重心位置偏移；

4、当破冰船启动爬冰系统进行上冰过程中，若遭遇一侧履带抓冰力不足导致船体侧倾，可依靠该侧浮体舱提供浮力，防止船体倾覆落入水中；当破冰船在冰面上行驶过程中，遭遇一侧冰面突然塌陷的情况，可以依靠该侧的浮体舱提供足够大的浮力，从而维持船身主体不落入水中；当破冰船驶出结冰区域进行下冰的过程中，容易导致船艏埋入水中，此时可依靠浮体舱立即提供浮力，避免船身进水；

当破冰船在未结冰区域正常行驶过程中，可利用浮体舱有效增加船体自身浮力，避免船只在恶劣极端条件下发生倾覆事故，造成人员伤亡和财产损失。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的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，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，包括船体、滚轮破冰装置、履带爬冰装置、重心调整装置和控制单元，滚轮破冰装置设在船体的前部，其包括安装架、减速电机、第一滚轮冰刀、第二滚轮冰刀和锥筒滚轮冰刀，所述安装架的后部与船体固定相连；

控制单元包括控制器及双目深度相机，双目深度相机设在船体前端，与控制器通讯相连；

减速电机设置在船体的前部，减速电机的减速器具有相对的两个输出端，第一滚轮冰刀转动设在安装架的后部，减速电机的一个输出端通过第一传动机构驱动第一滚轮冰刀转动；

所述第二滚轮冰刀有两个，并且设置在第一滚轮冰刀的前上方，且与安装架的中部转动配合，减速电机的另一个输出端通过第二传动机构驱动第两个第二滚轮冰刀同步转动；

锥筒滚轮冰刀有两个，对称设在安装架的左右两侧，各锥筒滚轮冰刀分别通过电机箱与安装架转动配合，每个电机箱均配置有一个角度调节机构，锥筒滚轮冰刀转动切割冰层，并通过姿态变换可打击冰层，起着辅助破冰作用；

履带爬冰装置有两组，对称设置在船体底部的左右两侧，每组履带爬冰装置包括一前一后布置的两个履带爬冰装置；

重心调整装置设在船体上部，其包括直线驱动机构及左右对称布置的两个浮体舱，两个浮体舱的底部与船体前后滑动配合，直线驱动机构设在两个浮体舱之间，可驱动两个浮体舱前后移动；

所述安装架包括前横梁及两个边梁，两个边梁左右相对布置，后部通过所述前横梁固定相连，各边梁的后端均通过一个后横梁与船体固定相连成一体；

每个边梁均通过加强梁与船体固定相连，加强梁位于对应边梁的上方；

所述电机箱的内部固定设有步进电机，步进电机的输出轴穿出电机箱与锥筒滚轮冰刀的端部同轴固定相连；

各所述电机箱的后侧通过回转支承与同侧边梁的前端转动相连，角度调节机构设在边梁内，包括沿边梁长度方向依次设置的第四转轴、第五转轴和第六转轴，第四、第五转轴的对应端以及第五、第六转轴的对应端均通过第二十字联轴器相连；

所述第四转轴的后端穿入同侧的后横梁内并与其转动配合，第六转轴的前端与电机箱的后侧壁固定相连；

每个所述后横梁的内部均设有第七转轴，所述减速电机的左右两侧对称设置有两个第一伺服电机，所述第七转轴的一端与同侧第一伺服电机的输出端锥齿轮传动，另一端与同侧第四转轴的后端锥齿轮传动。

2.根据权利要求1所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，所述边梁和后横梁均是由方管制成的，且端部封闭；

所述边梁为三段式结构，包括由后往前依次固定相连的后水平段、倾斜段及前水平段，前横梁的左右两端分别与两个边梁的后水平段固定相连成一体，所述第一滚轮冰刀位于前横梁的前侧。

3.根据权利要求1所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，所述第一滚轮冰刀通过第一轮轴横向水平设在两个边梁之间，第一轮轴的两端分别与两个边梁转动相连；

所述第一传动机构设在左侧边梁内部，其包括第一转轴，第一转轴沿边梁的长度方向布置且与边梁转动配合，其前端与第一轮轴的左端锥齿轮传动；

所述第一转轴的后端穿入左侧的后横梁内，通过设置在后横梁内的第一蜗轮蜗杆机构与减速电机左侧的输出端相连。

4.根据权利要求2所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，两个所述第二滚轮冰刀通过第二轮轴横向水平设在两个边梁之间，第二轮轴的两端分别与两个边梁倾斜段的前端转动相连；

所述第二传动机构包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴分别转动设置在右侧边梁的后水平段和倾斜段内，并通过第一十字联轴器相连，所述第三转轴的前端与第二轮轴的右端锥齿轮传动；

所述第二转轴的后端穿入右侧的后横梁内，通过设置在右侧后横梁内的第二蜗轮蜗杆机构与减速电机右侧的输出端相连。

5.根据权利要求1所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，两个浮体舱的底部通过连接架固定相连，所述连接架的下方设有纵向平行的两个导轨，每个导轨上均配置有至少两个导滑块，所有导滑块均与连接架的底部固定相连；

直线驱动机构包括丝杠及丝母座，所述丝杠设置在两个导轨之间且与导轨平行布置，所述丝杠的前端设置有第二伺服电机；

所述丝母座设在支撑架上，支撑架与两个浮体舱的下部固定相连，丝杠穿过丝母座可驱动两个浮体舱沿导轨前后移动。

6.根据权利要求1所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，履带爬冰装置包括履带梁、履带，所述履带梁纵向布置在船体外侧，通过梁架与船体龙骨固定相连，其前后两端分别设有主动链轮和从动链轮，所述主动链轮的轮轴伸至船体内部，通过离合器与船体的动力机构相连；

所述履带梁的上部设有多个托链轮，多个托链轮沿履带梁的长度方向等间隔布置，履带梁的下部设有多个支重轮，多个支重轮沿履带梁的长度方向等间隔布置，履带设置在履带梁、主动链轮、从动链轮、托链轮和支重轮的外侧，主动链轮可驱动履带运动。

7.根据权利要求1所述一种小型水冰两栖破冰船破冰爬冰系统，其特征在于，所述第一、第二滚轮冰刀均包括直圆筒，所述直圆筒的圆周外壁上具有均匀分布的第一斜齿，第一斜齿的根部与直圆筒为一体结构；

锥筒滚轮冰刀包括圆锥筒，所述圆锥筒的圆周外壁上具有均匀分布的第二斜齿，第二斜齿的根部与直圆筒为一体结构，每个第一斜齿和第二斜齿的齿顶可拆卸安装有条形刀片；

所述条形刀片是由硬质合金制成的。