CN116902181B - 一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海潜器坐底技术领域，特别是一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法。包括底板；内环，深海潜器位于内环的环形腔体内，内环的内圈与深海潜器固定连接，内环的外圈与齿形轴啮合传动；外环，位于内环的外侧，且与内环同轴设置，外环和内环之间的间隙内设有数个齿形轴，齿形轴与外环连接，外环的底部与底板固定连接；数个设置在底板下方的定位锥；探测杆，定位锥通过探测杆与底板连接；容压舱，固定在底板上，通过溢流口与设置在底板底部表面的凹形开口连通。其能够识别并判断海床类型，有效地防止深海潜器倾覆，深海潜器坐底后仍然能够安全脱离沉积物层。

Description

一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法

技术领域

本发明涉及深海潜器坐底技术领域，特别是一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法。

背景技术

载人潜水器是指具有水下观察和作业能力的潜水装置。用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可作为潜水人员水下活动的作业基地，它可以完成多种复杂任务，包括通过摄像、照相对海底资源进行勘查、执行水下设备定点布放、海底电缆和管道检测等。载人潜水器，特别是深海载人潜水器，是海洋开发的前沿与制高点之一，其水平可以体现出一个国家材料、控制、海洋学等领域的综合科技实力。

多数场景任务情况下潜器需要在海床上坐底执行任务，海底海床分软、硬两种状态。对于硬质的海床地质条件，只需要在潜器底部设置合理的坐底机构，保证潜器在坐底下降过程中不会发生碰撞造成潜器损伤即可。但是对于软质的并且厚度比较大的沉积层地质环境，潜器在这样的地层结构上坐底会出现“陷入”状况，由于潜器自身加上压载物的重量非常大，一旦出现“侧翻陷入”后果非常严重，这种状况极有可能造成压载物(一般压载物是挂载在潜器底部两侧)和压载脱离机构被掩埋，潜器压载脱离装置无法实现正常脱离，陷入绝境，在水深超过2000米的深海实施救援其难度非常大。

目前尽管有坐底装置的防护，但是据资料调研发现，无论是从专利技术还是从实际使用状况来看，现有的潜器坐底装置还无法应对较厚的软质的沉积泥层。现有的坐底装置仅解决的是与海床碰撞、地形不平造成的力冲击等问题，聚焦在力冲击过程对内部器件装置的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法，其能够识别并判断海床类型，有效地防止深海潜器倾覆，深海潜器坐底后仍然能够安全脱离沉积物层。

本发明的技术方案是：一种适用于深海潜器的安全坐底装置，包括底板，其中，还包括：

内环，深海潜器位于内环的环形腔体内，内环的内圈与深海潜器固定连接，内环的外圈与齿形轴啮合传动；

外环，位于内环的外侧，且与内环同轴设置，外环和内环之间的间隙内设有数个齿形轴，齿形轴与外环连接，外环的底部与底板固定连接；

数个设置在底板下方的定位锥；

探测杆，定位锥通过探测杆与底板连接；

容压舱，固定在底板上，通过溢流口与设置在底板底部表面的凹形开口连通。

本发明中，所述齿形轴的中心固定有转轴，转轴的两端分别与固定板转动连接，固定板与外环固定连接。

所述内环的内圈通过数个支撑杆与深海潜器的外表面固定连接，支撑杆沿内环的周向间隔设置。

所述内环外圈的环形表面呈齿状，齿形轴的内部封装有低速大扭矩电机，低速大扭矩电机带动齿形轴转动，齿形轴与内环外圈的外齿之间啮合传动。

所述深海潜器的底部设有潜器底座，潜器底座通过固定销与压载铅块连接；

所述固定销的内端与深海潜器的液压机构连接，固定销的外端固定有挡块，压载铅块挂接在固定销的销杆上，挡块位于压载铅块的外侧。

所述探测杆包括由上至下依次设置的第一节杆、第二节杆和第三节杆，第二节杆滑动设置在第一节杆内，第三节杆滑动设置在第二节杆内；

定位锥通过第一节杆与底板固定连接；

第三节杆的底部设有压力传感器，第三节杆的下部设有第四含水量传感器，第三节杆的中部由上至下均匀分布有第一含水量传感器、第二含水量传感器和第三含水量传感器。

所述底板的中部设有凹形开口，凹形开口的顶部中心设有溢流口。

本发明中还包括一种利用上述深海潜器的安全坐底装置实现深海潜器坐底的方法，其中，包括以下步骤：

S1、判断坐底区域的地质条件是否适合坐底；

S2、当深海潜器必须在软质沉积物层坐底时，保证深海潜器在竖直方向垂直坐底；当软质沉积物层的地质环境差异大，导致深海潜器坐底产生倾斜时，调整深海潜器的姿态和重心位置，防止深海潜器产生倾覆。

上述骤S1中，数个探测杆插入沉积物层内，根据探测杆反馈的深度数据、力传感数据和含水量传感数据，判断坐底区域是软质海底海床，还是硬质海底海床，从而决定深海潜器是否坐底：

如果数个探测杆探测得到的深度数据、力传感数据和含水量传感器数据一致，此时适合深海潜器坐底；当上述同类数据之间不一致时，则说明当前深海潜器所述的海底海床区域地质条件复杂，不适于坐底。

上述步骤S2中，当深海潜器坐底过程中产生倾斜时，低速大扭矩电机动作，带动齿形轴转动，通过齿形轴与内齿外圈的外齿之间的啮合传动，使与内齿带动与其固定连接的深海潜器转动，使深海潜器的重心位置产生变化，对深海潜器的姿态进行调整，防止深海潜器产生倾覆；

坐底工作结束后，深海潜器的液压机构将固定销抽回，当固定销的销杆被完全抽回时，挂接在销杆上的压载铅块自动掉落，实现压载铅块的自动卸载；

与此同时，容压舱内的高压流体自动流出，配合深海潜器的向上推力，实现深海潜器脱离沉积物层。

本发明的有益效果是：

(1)通过该装置，能够识别并判断海床类型，评估海床类型是硬质海底海床，还是软质海底海床，并测得沉积泥层的安全深度；

(2)通过本申请可以实现深海潜器在软质的海床沉积泥层安全坐底，并且当深海潜器在坐底后倾斜时，可以有效地防止深海潜器倾覆；并且当该深海潜器坐底完成工作后，该装置仍能够有效脱离沉积物层。

附图说明

图1是该装置的立体结构示意图；

图2是该装置的左视结构示意图；

图3是传动齿轮处的结构示意图；

图4是传动齿轮与固定块连接处的结构示意图；

图5是容压舱的局部结构示意图；

图6是定位锥的局部结构示意图；

图7是探测杆的局部结构示意图；

图8是底板底部表面的局部结构示意图。

图中：1外环；2支撑杆；4探测杆；5固定销；6定位锥；7压载铅块；8内环；10底板；12固定板；13底座；14第一含水量传感器；15第二含水量传感器；16第三含水量传感器；17第四含水量传感器；18压力传感器；19第三节杆；20第二节杆；21第一节杆；22溢流口；23凹形开口；24转轴；25齿形轴；26深海潜器；27容压舱；28弧形凹槽；29倒伞形弧面。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

如图1和图2所示，本发明所述的一种适用于深海潜器的安全坐底装置包括外环1、内环8、底板10和定位锥6，外环1和内环8之间呈同心设置，外环1和内环8之间可以相对转动。外环1与底板10的顶部表面固定连接。深海潜器8设置在内环的环形内侧，并与内环8固定连接。底板10上设有数个定位锥6。

外环1和内环8呈圆环状，内环8位于外环1的内侧，且内环8和外环1之间呈同轴设置，因此外环1的内表面与内环8的外表面之间存在间隙。外环1的底部表面通过底座13与底板10的顶部表面固定连接。该间隙内设有齿形轮轴25，通过该齿形轴，既对内环8起到了支撑作用，使外环和内环之间始终保持同轴状态，也能够通过齿形轮轴与内环之间的啮合，带动内环8转动。

深海潜器26位于内环8的环形腔体内，且深海潜器26的外表面通过数个支撑杆2与内环8的内表面固定连接。本实施例中，深海潜器26和内环8之间通过三个支撑杆2固定连接，三个支撑杆沿圆周方向均匀间隔设置，也就是说，相邻两支撑杆之间的角度为120°。

如图3和图4所示，内环8的环形外表面呈齿状，齿形轴25与内环8的环形齿状外表面之间相互啮合。齿形轴25的中心固定有转轴24，转轴24的两端分别与两侧固定板12转动连接，固定板12与外环1固定连接。本实施例中，三个齿形轴25均与固定板连接，因此本实施例中设有三组固定板，这三组固定板均与外环1固定连接。齿形轴25的转动由设置在齿形轴内部的低速大扭矩电机驱动，低速大扭矩电机与齿形轴25一体封装。低速大扭矩电机带动齿形轴25转动过程中，通过齿形轴25与内环8之间的相互啮合，带动内环8和与内环8固定连接的深海潜器26转动，使深海潜器的重心产生变化。

本实施例中，在内环8和外环1之间的间隙内均匀间隔设置三个齿形轴25，相邻两齿形轴之间的角度为120°，对应的在外环1上设有三个固定板12。齿形轴25通过固定板与外环1连接，因此齿形轴25的位置不会发生变化，通过数个齿形轴，实现了对内环8的支撑。与此同时，通过齿形轴25的转动带动内环8转动，实现了内环8的转动。

如图5所示，深海潜器26的底部设有潜器底座30，潜器底座30上设有压载铅块7。本实施例中，深海潜器26的底部对称设有两个潜器底座30，潜器底座30沿深海潜器26的长度方向设置，潜器底座30的外表面上均连接有压载铅块7。

本实施例中，潜器底座30通过固定销5与压载铅块7连接，沿潜器底座30的长度方向间隔设置数个固定销5。固定销5的内侧端部与深海潜器26的液压机构连接，固定销5的外侧端部设有挡块，压载铅块7挂在固定销的销杆上，挡块位于压载铅块7的外侧，对压载铅块7起到了阻挡的作用，可以有效地防止压载铅块7脱离销杆。

同时，本申请中的潜器底座30呈倾斜设置，即两侧潜器底座的顶端之间的距离小于两底端之间的距离。此时挂在销杆上的压载铅块7可以向潜器内侧方向倾斜，也可以保证压载铅块能够有效地挂在固定销的销杆上。

当需要卸载压载铅块7时，深海潜器的液压机构对固定销产生向内侧的拉力，固定销被向内拉动的过程中，挡块也随之向内运动。当挡块与压载铅块接触后，压载铅块对挡块产生向外的推力，当该推力逐渐增大至大于挡块与销杆之间的连接力时，挡块与销杆脱离。当固定销5的销杆被完全抽回后，作用在压载铅块上的支撑力消失，此时压载铅块脱离整个装置，实现了压载铅块7的自主卸载。

本实施例中的底板10呈长方体状，底板10的四个角点处的下方分别设有定位锥6，定位锥6通过探测杆4与底板10连接。如图6所示，定位锥6呈倒圆台形，定位锥6的底部表面处设有弧形凹槽28。当该深海潜器在沉积层坐底后，部分沉积物会填充进入定位锥6底部的弧形凹槽28内，同时潜器坐底过程中，定位锥6的倒伞形弧面29可以牢固下压，使整个装置保持整体稳定性，有效地防止了整个装置以及与该装置连接的深海潜器产生横向移动。

由于定位锥6分别通过探测杆4与底板19连接，因此本实施例中设有四根探杆。如图7所示，本实施例中的探测杆4为可伸缩的探测杆，包括第一节杆21、第二节杆20和第三节杆19，其中第一节杆21的上端与底板10固定连接，第一节杆21的下端穿过定位锥6，实现了定位锥6与底板10之间的固定连接。第一节杆21、第二节杆20和第三节杆19由上至下依次设置，第二节杆20由下至上滑动设置在第一节杆21内，第三节杆19由下至上滑动设置第二节杆20内。第三节杆19的底端设有压力传感器18。同时第三节杆上由上至下依次设有四个含水量传感器，分别为第一含水量传感器14、第二含水量传感器15、第三含水量传感器16和第四含水量传感器17，其中第一含水量传感器14、第二含水量传感器15、第三含水量传感器16均匀分布在第三节杆19的中部位置，第四含水量传感器17位于第三节杆19的下部位置。

本申请中，由于探测杆可伸缩，潜器下压过程中，探测杆进入沉积层中，探杆底端的压力传感器同步记录探测杆的压力变化，同时探测杆被逐渐压缩。探测杆内部设有位移传感器，通过位移传感器，可以测得沉泥层的深度。

探测杆在插入过程中，其底端的压力传感器18首先与沉积物接触。通过压力传感器18感应到的压力变化数据，可评估沉积层的地质条件：如果探测杆在贯入过程中的压力较小，也就是说探测杆能够轻松贯入沉积层中，说明此处沉积物底层可能出现液化现象，地层不稳定。同时结合第四含水量传感器17的含水量变化数据得到沉积物底部的含水情况。同时，在垂直梯度上，结合第一含水量传感器14、第二含水量传感器15、第三含水量传感器16的含水量数据对比分析，最终综合评判处该处地质层环境是否适合坐底。

如图8所示，底板10的底部表面的中心设有凹形开口23，凹形开口的顶部中心设有溢流口23，该凹形开口23的顶部通过溢流口22与固定在底板10上的容压腔27连通。底板10在深海潜器26的重力作用下向下运动，此时底板10底部表面的凹形开口23处形成压力区域，位于凹形开口23内的流体在压力作用下，通过溢流口22进入容压腔27内，通过容压腔27实现了高压流体的回收。深海潜器坐底过程中，底板10与沉积物层直接接触。当高压流体从容压腔27内流出时，可以降低底板10与沉积物层之间的吸附力，有助于实现深海潜器的脱底。

实施例2

本发明还包括利用实施例1所述的一种适用于深海潜器的安全坐底装置实现坐底的方法，该方法包括以下步骤。

第一步，判断坐底区域的地质条件是否适合坐底。

深海潜器在海床上坐底前，需要先评估并判断坐底区域的地质条件是否适合坐底。

深海潜器的底部临近海底时，四个探测杆均插入沉积物层内，根据探测杆反馈的深度数据和力传感数据、以及含水量传感数据，判断坐底区域的地质类型，是属于软质海底海床还是硬质海底海床，从而决定深海潜器是否坐底。

如果四根探测杆探测得到的深度数据一致，那么认为该深海潜器可以坐底，即使深海潜器的底部遭受掩埋，但是由于整个深海潜器能够在海底保持竖直方向的稳定状态，不会出现倾覆即侧翻现象，在脱离海床时只需要增加竖直方向上的推动力即可。如果四根探测杆探测到的深度数据、力传感数据、以及含水量传感数据不一致时，则说明当前深海潜器所处的海底海床区域地质条件复杂，深海潜器坐底作业可能会产生倾覆现象，该区域不适合坐底。

具体的，判断四根探测杆探测得到的深度数据、力传感数据、以及含水量传感数据是否一致的具体标准如下所述。以四根探测杆探测得到的深度数据为例，将四根探测杆探测得到的四个深度数据计算求得深度数据的平均值，然后将四个深度数据分别与深度数据的平均值进行比较。当四个深度数据和平均值之间的差值与平均值的比值小于5％-8％时，则代表四根探测杆探测到的深度数据一致；当该比值大于5％-8％时，则代表四根探测杆探测到的深度数据不一致。

第二步，在特定任务情况下，该深海潜器必须坐底时，深海潜器应尽量以竖直方向垂直坐底。此时，通过底板底部的定位锥6，可以尽量减少底板与沉积物层之间的接触面积，降低底板10与沉积物层之间的吸附力；同时定位锥6自身的结构可以维持深海潜器的坐底安全性。

坐底作业完成后，深海潜器的液压机构动作，将固定销向内侧抽回，当固定销的销杆被完全抽回时，压载铅块7自动落下，实现了压载铅块的自动抛载。通过深海潜器自身产生的向上的推力，使该装置脱离沉积物层。与此同时，容压舱27内的高压流体流出，流出的流体也可以降低底板与沉积物层之间的吸附力，有利于深海潜器脱离沉积物层。

极端情况下，由于沉积物层的地质环境差异大，当深海潜器坐底并降落至沉积物层后，深海潜器不可避免的会产生倾斜。此时为了防止深海潜器产生倾覆，低速大扭矩电机动作，并带动齿形轴25转动，通过齿形轴25与内环外表面的外齿之间的齿轮啮合，使内环8转动，内环8转动过程中，带动与内环固定连接的深海潜器26转动，使深海潜器的重心位置发生改变，从而对深海潜器的姿态进行调节，有效地防止了深海潜器产生倾覆。

当深海潜器的坐底工作完成后，深海潜器的液压机构动作，将固定销向内侧抽回，当固定销的销杆被完全抽回时，压载铅块7自动落下，实现了压载铅块的自动抛载。

也就是说，在深海潜器倾斜坐底的情况下，通过调整深海潜器的重心位置和姿态，对压载铅块进行自动抛载、使容压舱内高压流体的自动流出、同时配合深海潜器的推进器等多种手段，实现了深海潜器在倾斜状态上的整体上升，并脱离沉积物层。

以上对本发明所提供的一种适用于深海潜器的安全坐底装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种深海潜器坐底方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、判断坐底区域的地质条件是否适合坐底；

S2、当深海潜器必须在软质沉积物层坐底时，保证深海潜器在竖直方向垂直坐底；当软质沉积物层的地质环境差异大，导致深海潜器坐底产生倾斜时，调整深海潜器的姿态和重心位置，防止深海潜器产生倾覆；

利用深海潜器安全坐底装置实现深海潜器坐底，深海潜器安全坐底装置包括底板，还包括：

内环，深海潜器位于内环的环形腔体内，内环的内圈与深海潜器固定连接，内环的外圈与齿形轴啮合传动；

外环，位于内环的外侧，且与内环同轴设置，外环和内环之间的间隙内设有数个齿形轴，齿形轴与外环连接，外环的底部与底板固定连接；

数个设置在底板下方的定位锥；

探测杆，定位锥通过探测杆与底板连接；

容压舱，固定在底板上，通过溢流口与设置在底板底部表面的凹形开口连通；

所述齿形轴的中心固定有转轴，转轴的两端分别与固定板转动连接，固定板与外环固定连接；

所述内环的内圈通过数个支撑杆与深海潜器的外表面固定连接，支撑杆沿内环的周向间隔设置；

内环外圈的环形表面呈齿状，齿形轴的内部封装有低速大扭矩电机，低速大扭矩电机带动齿形轴转动，齿形轴与内环外圈的外齿之间啮合传动；

所述深海潜器的底部设有潜器底座，潜器底座通过固定销与压载铅块连接；

所述固定销的内端与深海潜器的液压机构连接，固定销的外端固定有挡块，压载铅块挂接在固定销的销杆上，挡块位于压载铅块的外侧；

所述探测杆包括由上至下依次设置的第一节杆、第二节杆和第三节杆，第二节杆滑动设置在第一节杆内，第三节杆滑动设置在第二节杆内；

定位锥通过第一节杆与底板固定连接；

第三节杆的底部设有压力传感器，第三节杆的下部设有第四含水量传感器，第三节杆的中部由上至下均匀分布有第一含水量传感器、第二含水量传感器和第三含水量传感器；

所述底板的中部设有凹形开口，凹形开口的顶部中心设有溢流口。

2.根据权利要求1所述的深海潜器坐底方法，其特征在于，

步骤S1中，数个探测杆插入沉积物层内，根据探测杆反馈的深度数据、力传感数据和含水量传感数据，判断坐底区域是软质海底海床，还是硬质海底海床，从而决定深海潜器是否坐底：

如果数个探测杆探测得到的深度数据、力传感数据和含水量传感器数据一致，此时适合深海潜器坐底；当数个探测杆探测得到的深度数据、力传感数据和含水量传感器数据不一致时，则说明当前深海潜器所处的海底海床区域地质条件复杂，不适于坐底。

3.根据权利要求2所述的深海潜器坐底方法，其特征在于，

步骤S2中，当深海潜器坐底过程中产生倾斜时，低速大扭矩电机动作，带动齿轮轴转动，通过齿轮轴与内齿外圈的外齿之间的啮合传动，使与内齿固定连接的深海潜器的重心位置产生变化，对深海潜器的姿态进行调整，防止深海潜器产生倾覆；

坐底工作结束后，深海潜器的液压机构将固定销抽回，当固定销的销杆被完全抽回时，挂接在销杆上的压载铅块自动掉落，实现压载铅块的自动卸载；

与此同时，容压舱内的高压流体自动流出，配合深海潜器的向上推力，实现深海潜器脱离沉积物层。