一种射流式水下开沟及土体强度测试装置

1.本发明属于海洋工程装备技术领域，涉及一种射流式水下开沟及土体强度测试装置。


背景技术：

2.目前，随着海上风电、油气等资源和能源开发的快速发展，海底各类管缆已成为陆海之间信息与能源最为重要和稳定可靠的传输方式。在海床上开沟埋设是保护海底管缆免受外部干扰和损毁的最有效方法，而冲喷射流式开沟是综合性能较好的开沟模式。林如在《海底管道射流式挖沟机的研究及射流破土的仿真分析》中介绍射流式开沟机在海底工作时由水面母船拖曳前进，灵活性不高，行进过程中的运动姿态难以调整。并且现有的冲喷射流式开沟装置难以准确描述开沟后的沟型特征。另外，海床沉积物具有显著的空间异质性，会对冲喷射流开沟的效率产生较大影响。因此，为减少设备能耗，提高开沟效率，实时刻画冲喷开沟后的沟型演化规律，并同步测定海床土的不排水抗剪强度，迫切需要新型海底开沟机，即一种射流式水下开沟及土体强度测试装置。


技术实现要素：

3.本发明针对现有射流式开沟机的不足，通过前、后横向拖拉式球型全流动触探仪测定开沟前、后海床土体的不排水抗剪强度，采用螺旋桨和陀螺仪传感器调整开沟机行进姿态，结合高精度多波束探测装置动态监测开沟后沟型特征，从而提供一种射流式水下开沟及土体强度测试装置。
4.本发明的技术方案：
5.一种射流式水下开沟及土体强度测试装置，包括开沟机主框架、水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统、土体强度测量系统和数据储存传输系统；
6.所述开沟机主框架由多个刚性横梁组成，底部安装有滑橇；开沟机主框架上安装有水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统和土体强度测量系统；
7.所述的水下射流开沟系统包括高压射流泵、固定转轴、液压推杆、喷冲臂和高压射流喷嘴；液压推杆分别连接固定转轴和开沟机主框架，固定转轴连接喷冲臂，液压推杆可带动固定转轴，从而改变喷冲臂的喷冲高度；喷冲臂上有多个高压射流喷嘴，调节喷冲流量，高压射流喷嘴包括垂向喷嘴和尾喷嘴；高压射流泵和液压推杆的驱动力均由母船提供；
8.所述的姿态智能调节系统包括螺旋桨和陀螺仪传感器，六个螺旋桨分别安装在开沟机主框架的前后及左右，陀螺仪传感器安装在开沟机主框架的上部中心处，用于监测开沟机行进方向和角度，智能实时调节螺旋桨的运作功率保证开沟机的姿态稳定；
9.所述的沟型演化监测系统为高精度多波束探测装置，工作原理是利用发射换能器阵列向水底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能阵列对声波进行窄波束接收，一次探测就能给出与开沟机行进方向垂直的垂面内的水底被测点的水深值，可以精确、快速地测出水下地形的三维特征；
10.所述的土体强度测量系统包括前全流动触探仪和后全流动触探仪，安装在开沟机主框架的下部，前全流动触探仪测量开沟前原状土的不排水抗剪强度，后全流动触探仪测量开沟之后受扰动土的不排水抗剪强度；
11.所述的全流动触探仪包括外套管、刚性探杆、弯矩传感器和球形探头，外套管内部有一刚性探杆，弯矩传感器安装在球形探头与刚性探杆之间，从而消除刚性探杆所受土体摩擦阻力的影响。
12.所述的数据储存传输系统分别与高精度多波束探测装置、陀螺仪传感器和前后全流动触探仪连接，将测得的数据传输给母船。
13.本发明的有益效果：本发明的装置适用于海床软黏土，并可以测得海床土的强度。能够调整喷冲臂的喷冲高度和喷冲臂的流量，从而提高开沟效率。开沟机主框架上的螺旋桨和陀螺仪传感器可以调整开沟机行进方向和角度，弥补滑橇式行进模式的不足。
附图说明
14.图1是射流式水下开沟及土体强度测试装置的主视图；
15.图2是本发明装置的俯视图；
16.图3是本发明装置的左视图；
17.图4是本发明中喷冲臂的结构示意图；
18.图5是本发明中前横向拖拉式球型全流动触探仪的内部结构示意图。
19.图中：11刚性横梁；12滑橇；21高压射流泵；22固定转轴；23液压推杆；24喷冲臂；25垂向喷嘴；26尾喷嘴；31螺旋桨；32陀螺仪传感器；4高精度多波束探测装置；51前全流动触探仪；52后全流动触探仪；511刚性探杆；512弯矩传感器；513球形探头；6数据储存传输系统。
具体实施方式
20.以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
21.实施例
22.如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种射流式水下开沟及土体强度测试装置，包括开沟机主框架、水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统和土体强度测量系统。开沟机主框架由多个刚性横梁11组成，底部安装有滑橇12；开沟机主框架上安装有水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统和土体强度测量系统。水下射流开沟系统包括高压射流泵21、固定转轴22、液压推杆23、喷冲臂24和高压射流喷嘴，液压推杆连接固定转轴22和主框架，固定转轴22连接喷冲臂24，液压推杆23可带动固定转轴22，从而改变喷冲臂24的喷冲高度。高压射流泵21和液压推杆23的驱动力均由母船提供。如图4所示，所述的喷冲臂24上有多个高压射流喷嘴，包括垂向喷嘴25和尾喷嘴26，可改变喷冲流量。垂向喷嘴25为竖直方向，向下喷冲，尾喷嘴26为水平方向，向后喷冲。
23.所述的姿态智能调节系统包括六个螺旋桨31和陀螺仪传感器32。螺旋桨31在开沟机主框架的前后各安装两个，在主框架的左右两侧各安装一个，陀螺仪传感器32安装在主框架的上部中心处，可以实时监测开沟机行进方向和角度。所述的沟型演化监测系统是指高精度多波束探测装置4，可以动态监测开沟尺寸特征。
24.所述的沟型演化监测系统为高精度多波束探测装置，安装在开沟机主框架的下部中轴线处，位于喷冲臂24和后全流动触探仪52之间，可以动态监测开沟尺寸特征。
25.所述的土体强度测量系统包括前全流动触探仪51和后全流动触探仪52，安装在主框架的下部，与主框架为刚性连接。前全流动触探仪51测量开沟前原状土的不排水抗剪强度，后全流动触探仪52测量开沟之后受扰动沟底土的不排水抗剪强度。如图5所示，所述的前、后全流动触探仪内部有一刚性探杆511，将弯矩传感器512安装在刚性探杆511与球形探头513之间，从而消除刚性探杆511所受土体摩擦阻力的影响。
26.数据储存传输系统6分别与高精度多波束探测装置4、陀螺仪传感器32和前后全流动触探仪连接，并将测得的数据传输给母船。
27.土体不排水抗剪强度计算方法：
[0028][0029]
式中，n
kt
为阻力系数，a为球型探头竖向投影面积，f为球形探头所测得的阻力，通过以下公式进行计算：
[0030][0031]
式中，m为弯矩传感器所测得的弯矩，h为球形探头中心与传感器之间的距离。


技术特征：
1.一种射流式水下开沟及土体强度测试装置，其特征在于，该射流式水下开沟及土体强度测试装置包括开沟机主框架、水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统、土体强度测量系统和数据储存传输系统；所述开沟机主框架由多个刚性横梁组成，底部安装有滑橇；开沟机主框架上安装有水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统和土体强度测量系统；所述的水下射流开沟系统包括高压射流泵、固定转轴、液压推杆、喷冲臂和高压射流喷嘴；液压推杆分别连接固定转轴和开沟机主框架，固定转轴连接喷冲臂，液压推杆可带动固定转轴，从而改变喷冲臂的喷冲高度；喷冲臂上有多个高压射流喷嘴，用于调节喷冲流量，高压射流泵和液压推杆的驱动力均由母船提供；所述的姿态智能调节系统包括螺旋桨和陀螺仪传感器，多个螺旋桨分别安装在开沟机主框架的前后及左右，陀螺仪传感器安装在开沟机主框架的上部中心处，用于监测开沟机行进方向和角度，实时调节螺旋桨的运作功率保证开沟机的姿态稳定；所述的沟型演化监测系统为高精度多波束探测装置；所述的土体强度测量系统包括前全流动触探仪和后全流动触探仪，安装在开沟机主框架的下部，前全流动触探仪测量开沟前原状土的不排水抗剪强度，后全流动触探仪测量开沟之后受扰动土的不排水抗剪强度；所述的数据储存传输系统分别与高精度多波束探测装置、陀螺仪传感器和前后全流动触探仪连接，将测得的数据传输给母船。2.根据权利要求1所述的射流式水下开沟及土体强度测试装置，其特征在于，所述的全流动触探仪包括外套管、刚性探杆、弯矩传感器和球形探头，外套管内部有一刚性探杆，弯矩传感器安装在球形探头与刚性探杆之间，从而消除刚性探杆所受土体摩擦阻力的影响。3.根据权利要求1所述的射流式水下开沟及土体强度测试装置，其特征在于，所述的高压射流喷嘴包括垂向喷嘴和尾喷嘴。4.根据权利要求1所述的射流式水下开沟及土体强度测试装置，其特征在于，所述的螺旋桨为六个，在开沟机主框架的前后各安装一个，左右各安装两个。

技术总结
本发明属于海洋工程装备技术领域，公开了一种射流式水下开沟及土体强度测试装置，包括开沟机主框架、水下射流开沟系统、姿态智能调节系统、沟型演化监测系统、土体强度测量系统和数据储存传输系统。水下射流开沟系统包括高压射流泵、固定转轴、液压推杆、喷冲臂和高压射流喷嘴，液压推杆连接固定转轴和主框架。姿态智能调节系统包括螺旋桨和陀螺仪传感器，用于调整开沟机行进方向和角度。沟型演化监测系统是指高精度多波束探测装置，可动态监测开沟尺寸特征。土体强度测量系统包括前、后横向拖拉式球型全流动触探仪，所测得的弯矩可间接获取开沟前后的海底土体强度。液压推杆带动喷冲臂可改变喷冲高度和喷冲流量，从而提高开沟机的开沟效率。开沟效率。开沟效率。


技术研发人员：王忠涛 周莹 任玉宾 范泽仁 于龙
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/8