一种破冰系统及其破冰方法与流程

1.本发明属于水体破冰技术领域，尤其涉及一种破冰系统及其破冰方法。


背景技术：

2.在北极、南极地区各项活动中以及冬季我国北方河流、湖泊中经常需要进行一项投资大、技术难度非常高的作业——破冰，在日常生活中其主要是为了开辟出航道；此外，在冰层救援时也需要进行破冰来提升救援效率。
3.目前，常见的水面破冰的主要工具是破冰船，具体破冰方式是依靠破冰船自身的动力和质量来破冰，即利用船头劈开冰层或船体开到冰层上面后靠和自身重量压碎冰层，当破冰船被困住时还可以摇摆船体来进行破冰。上述破冰方式均依赖于破冰船自身的动力和质量，破冰船需要安装厚重的钢板并使用强劲的动力，因此有的破冰船使用成本较高的核动力，但无论建造多大的破冰船，其动力和质量也是有限度的，这便造成了破冰的局限性，对一些超厚的陈冰进行破除仍较为困难。同时，破冰船只对航线冰层破冰，破冰范围和角度存在一定局限。
4.基于现有技术的缺陷，本领域亟需提出一种不同于传统技术的破冰系统及其破冰方法，从而解决现有技术的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种破冰系统，其克服了传统破冰船自身质量和动力的限制，减少了破冰投资和成本，拓展了破冰使用场景，并且扩大了破冰角度和范围。
6.实现本发明目的所采用的技术方案是：
7.一种破冰系统，包括承载装置、气囊、牵引装置和气体控制装置，其中，气体控制装置放置于承载装置上，且气体控制装置通过输气管道与气囊一端固定连接；牵引装置与气囊另一端固定连接；还包括控制牵引装置的中心控制模块。
8.进一步地，气囊的数量为一个以上，且气体控制装置和输气管道的数量均与气囊数量相匹配。
9.进一步地，牵引装置包括动力装置、摄像头和位置传感器。
10.进一步地，气囊外部还设有保护框架，保护框架一端与输气管道固定连接。
11.进一步地，气体控制装置包括充气装置和抽气装置；输气管道包括充气管和抽气管，其中，充气管一端气囊固定连接，另一端与充气装置输出端固定连接；抽气管一端气囊固定连接，另一端与抽气装置输出端固定连接。
12.进一步地，充气管上设有第一单向阀，抽气管上设有第二单向阀。
13.进一步地，同一气体控制装置上的充气管和抽气管设置于一根软管内。
14.本发明的另一目的在于提供一种破冰方法，其操作简单，易于实现，实用性强。
15.实现本发明另一目的所采用的技术方案是：
16.一种破冰方法，具体包括以下步骤：
17.步骤s1，将气囊放入冰层下的水中；
18.步骤s2，通过中心控制模块控制牵引装置潜入冰层下方准备破冰位置，并将冰层水下情况信息传回中心控制模块；
19.步骤s3，通过操纵气体控制装置使气囊的充气与抽气，将冰层局部向上抬起或使冰层上下振动，从而使冰层断裂，实现破冰。
20.本发明的有益效果在于：
21.1、本发明克服了传统破冰船自身质量和动力的限制，减少了破冰投资和成本，并且扩大了破冰角度和范围。
22.2、本发明将传统自伤而下或平行破冰的方法改为自下而上的破冰方法，采用传统上而下的方法时，由于水体有较强的承载力，对重力破冰船的重力有一定的抵消作用，破冰效果不佳；而采用本发明自下而上的破冰方式时，由于空气没有承载力，冰层相对更容易断裂。
23.3、本发明通过充气使气囊体积膨胀，气囊在水中受到巨大向上的浮力，气囊将冰层局部顶起，同时，冰层自身又具备向下的重力，在气囊支撑力和冰层重力的作用下，冰层受到巨大的剪力，从而使冰层断裂。在本发明中，因气囊充气而受到的浮力不受破冰船本身的质量和动力限制，只与充气量有关，因此可以获得很大的浮力，完成高难度破冰任务。
24.4、本发明可通过对气囊快速充气和抽气使冰层不同部位随气囊上升或下降，从而引发冰层剧烈振动，促使坚硬的冰层快速断裂。
25.5、本发明克服了现有破冰船只限于航线范围的缺陷，采用本发明的系统可将破冰用的多个气囊投放到任意位置和范围，且不同方位的气囊可同时作用，实现全方位破冰。
26.6、在船只被困时可采用本发明的系统进行破冰自救；且在陆地上也可以进行水体破冰，不再依赖破冰船。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
28.图1是本发明系统的一种整体结构示意图。
29.图2是本发明一个实施例的一种整体结构示意图。
30.图3是本发明气囊与输气管道、保护框架和牵引装置配合的一种放大示意图。
31.图4是本发明气体控制装置与输气管道配合的一种放大示意图。
32.图5是本发明超厚陈冰的破冰作业的一种操作状态其一。
33.图6是本发明超厚陈冰的破冰作业的一种操作状态其二。
34.图7是本发明超厚陈冰的破冰作业的一种操作状态其三。
35.图8是本发明系统的一种连接关系示意图。
36.图中：1.承载装置；2.气囊；3.牵引装置；4.气体控制装置；5.输气管道；6.中心控制模块；7.第一单向阀；8.第二单向阀；9.软管；10.保护框架；11.固定装置；401.充气装置；402.抽气装置；501.充气管；502.抽气管。
具体实施方式
37.为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
38.如图1至图4和图8所示，一种破冰系统，包括承载装置1、气囊2、牵引装置3和气体控制装置4，其中，气体控制装置4放置于承载装置1上，且气体控制装置4通过输气管道5与气囊2一端固定连接；牵引装置3与气囊2另一端固定连接；还包括控制牵引装置3的中心控制模块6。
39.本发明中的承载装置1主要起到承载和收纳的作用，在实际应用过程中可根据打捞场景的改变而进行调整。在陆地破冰时，承载装置1不需要进入冰面或水面，承载装置1放置在陆地上，则承载装置1可以为汽车或其他带有万向轮的装载箱体等；如果需要承载装置1进入水面，则其可以为现有破冰船或其他船只，能起到承载作用即可。
40.气囊2为柔性不透水、不透气和无弹性柔性材质，其在水的浮力作用下浮于冰层下的水面，从而将水面上的冰层局部抬高。
41.牵引装置3的作用主要是牵引气囊2在水下移动，其可以是水下机器人或现有技术中常见的遥控潜水器，其在水下移动的原理为现有的原理，比如公开号为cn106275329a的专利公开的遥控潜水器。在本发明中，牵引装置3与气囊2末端采用绳索连接，在气囊2设置保护框架10的基础上，牵引装置3还可以与保护框架10通过绳索连接。
42.气体控制装置4为气泵，其可实现充气或抽气，从而使得气囊2充气或排气。当输气管道5为一根时采用的气体控制装置4为双向气泵；当输气管道5分为充气管501和抽气管502时，充气管501和抽气管502分别对应一个单向气泵，其中，充气管501对应的气泵向气囊2内充气，抽气管502对应的气泵将气囊2内气体抽出。
43.中心控制模块6是本发明的控制中心，具体可设置在承载装置1上，其主要与牵引装置3无线连接实现对牵引装置3的无线遥控；中心控制模块6还与气体控制装置4连接，从而改变气体控制装置4的工作状态，中心控制模块6与气体控制装置4的连接方式为现有常见的电动气泵与控制中心的连接方式相同，如公开号为cn111852827a的专利中电动气泵与其控制模块的连接方式。
44.如图2所示，在本发明的一个实施例中，气囊2的数量为一个以上，且气体控制装置4和输气管道5的数量均与气囊2数量相匹配。
45.气囊2数量为一个以上的目的是可以在冰层下面不同的位置放入气囊2，形成破冰线路，实现全方位破冰。
46.牵引装置3包括动力装置、摄像头和位置传感器。牵引装置3上动力装置的作用是驱动其在水下移动，在本发明的一个实施例中，牵引装置3现有技术中的遥控潜水器，具体如cn106275329a的专利公开的遥控潜水器，本发明中动力装置的驱动原理与该专利中驱动装置的原理相同。摄像头和位置传感器均为现有技术中的设备，其设置在牵引装置3上的目的是获取水下破冰位置的图像和位置信息。本发明的牵引装置3上可根据实际需要设置其他传感器，各种传感器对所有情况适时监测并适时回传信息给操作人员，以便操作人员根据实况准确操作。
47.在本发明的一个实施例中，在牵引装置3是上还设有振动测量装置，振动测量装置可以对冰层的振动频率进行测量，中心控制模块6根据测量结果计算气囊2的最佳充气和抽气时间关系以及充气和抽气速度，气体控制装置4以计算结果进行充气和抽气，使对应的冰层产生共振，加速冰层的断裂。本实施例中的振动测量装置为现有技术中常见的振动测量装置，如授权号为cn103364068b的专利公开的振动测量装置。振动测量装置在本发明的作用是用于测量冰层的振动频率。在本发明的其他实施例中，振动测量装置还可以设置在气囊2上。
48.如图3所示，气囊2外部还设有保护框架10，保护框架10一端与输气管道5固定连接。设置保护框架10的目的一方面代替气囊2与冰层接触，防止气囊2被冰层刮蹭；另一方面可以确保气囊2充气后能保持一定的形状，以确保其不因冰层重力而使气囊2形状受压变形，影响破冰效果。
49.在实际使用过程中，对于厚冰等难度较大的破冰作业，需要进行特殊作业时，才在气囊2外加装保护框架10，保护框架10材料可以为塑料、木材、金属等硬质材料。保护框架10分上下两部分，下部硬质材料重于上部硬质材料，以确保气囊2上下不发生颠倒、不产生角度变化。
50.在本发明的一个实施例中，保护框架10为立方体、球形、椭圆形三角形或其他形状的镂空架子，且保护框架10固定在输气管道5末端，具体可以采用绑绳将其固定在管道末端。在本实施例中，气囊2未与输气管道5连接的一端可通过绳索与保护框架10固定，以防止在充气时气囊2跑出框架外。此外，在本发明中，牵引装置3与气囊2末端采用绳索连接，在气囊2设置保护框架10的基础上，牵引装置3还可以与保护框架10通过绳索连接。
51.在本发明的其他实施例中，保护框架10还可以是可折叠的保护框架10，其目的是便于收纳，具体为现有技术中常见的可折叠框架，如授权号为cn111406028b的专利公开的可折叠框架。
52.如图3和图4所示，气体控制装置4包括充气装置401和抽气装置402；输气管道5包括充气管501和抽气管502，其中，充气管501一端气囊2固定连接，另一端与充气装置401输出端固定连接；抽气管502一端气囊2固定连接，另一端与抽气装置402输出端固定连接。
53.采用充气装置401与抽气装置402配合可使冰层的剧烈震动而断裂，具体过程如下：按照拟定的充放气方案，充气装置401对部分软管9充气及气囊2充气，使冰层局部上升；当充气到指定量时，快速抽气，同时按方案对另一部分气囊2快速充气；如此反复交错充气和抽气，使冰层产生剧烈振动，促使其产生并扩大裂缝，最终断裂。
54.如图3和图4所示，充气管501上设有第一单向阀7，抽气管502上设有第二单向阀8。
55.设置单向阀的目的是使得气体朝着同一方向运动，而不会回流。在第一单向阀7的作用下，充气管501仅仅向气囊2内输送气体；在第一单向阀7的作用下，抽气管502仅仅将气囊2内的其他抽出。本发明中的第一单向阀7可设置在充气管501上的任意位置，第二单向阀8可设置在抽气管502的任意位置，为了便于安装和拆卸，本发明优选将第一单向阀7设置在充气装置401输出口处，将第二单向阀8设置在气囊2与抽气管502连接的出口处。第一单向阀7和第二单向阀8均为现有技术中常见的单向阀，具体选用哪种型号可根据实际情况进行选择，能够起到控制气体单向流动的功能即可。
56.如图3和图4所示，同一气体控制装置4上的充气管501和抽气管502设置于一根软
管9内。
57.将同一气体控制装置4上的充气管501和抽气管502设置于一根软管9内可防止充气管501与抽气管502互相缠绕，便于布置和收纳。
58.在本发明的一个实施例中，在同一气体控制装置4上的充气管501和抽气管502采用若干固定装置11进行固定，固定装置11具体可以是绳索或扎带。将同一气体控制装置4上的充气管501和抽气管502采用固定装置11固定后装入软管9中，可防止充气管501与抽气管502互相缠绕。
59.在本发明中，为避免牵引装置3失控后无法控制其回到承载装置1周边，还可以使用绳索将气囊2和牵引装置3与承载装置1，以防止牵引装置3失灵后回收困难。在实际设置绳索时可将绳索设计长一些，多余部分采用收卷装置收卷在承载装置1上即可。
60.一种破冰方法，具体包括以下步骤：
61.步骤s1，将气囊2放入冰层下的水中；
62.步骤s2，通过中心控制模块6控制牵引装置3潜入冰层下方准备破冰位置，并将冰层水下情况信息传回中心控制模块6；
63.步骤s3，通过操纵气体控制装置4使气囊2的充气与抽气，将冰层局部向上抬起或使冰层上下振动，从而使冰层断裂，实现破冰。
64.本发明的方法在不同的场景下具体操作有所区别，具体破冰方式和操作过程如下：
65.一、常规情况下的破冰作业
66.第1步，将牵引装置3、输气管道5和气囊2从承载装置1上拿出并缓慢放入水中。
67.第2步，使用中心控制模块6远程遥控牵引装置3拉动输气管道5在水下航行，并实时反馈信息，通过中心控制模块6分析后确认最佳破冰位置，牵引装置3移动至最佳破冰点下方。
68.第3步，充气装置401通过充气管501对气囊2进行充气，在第一单向阀7的作用下，充气管501内的气体单向流动至气囊2内，从而气囊2充气膨胀，充气后的气囊2收到浮力向上对冰层产生压力；同时牵引装置3的各个传感器对气囊2形状变化、上浮情况和冰层振动频率等情况进行实时监测，并将检测信息实时传输回中心控制模块6供操作人员参考。
69.第4步，操作人员根据牵引装置3回传信息进行准确操作，直到该气囊2所在位置破冰成功。
70.第5步，破冰成功后启动抽气装置402，抽出气囊2中的气体，减少气囊2在水中移动的阻力，控制牵引装置3驶向新的破冰点，开展下一次的破冰作业。
71.二、超厚陈冰的破冰作业
72.具体操作过程的附图如图5至图7所示。
73.第1步，拟定破冰方案，确定输气管道5及牵引装置3的使用数量，控制牵引装置3的航行路线，做到航行路线不交叉、不重叠，拟定充气和抽气方案等。在本步骤中，输气管道5中的充气管501和抽气管502可根据实际情况选择常规充气管501、常规抽气管502或快速充气管501、快速抽气管502。
74.第2步，将各个牵引装置3以及与其对应的输气管道5和气囊2从承载装置1上的不同位置缓慢放入水中。
75.第3步，使用中心控制模块6远程遥控牵引装置3拉动输气管道5在水下航行，并实时反馈信息，通过操作系统确认各个气囊2各自破冰最佳位置，牵引装置3分别移动至各自的最佳破冰点下方。在本步骤中，如果在气囊2外面加装有保护框架10，则气囊2入水后可立即进行输入部分气体，以确保气囊2与保护装置的重量与水体浮力相同，便于牵引装置3进行牵引。
76.第4步，按照拟定的充放气方案，充气装置401对部分气囊2进行充气，使冰层局部上升，当充气到指定量时，快速抽气；同时按方案对另一部分气囊2快速充气；如此反复交错充气和抽气，使冰层产生剧烈振动，促使冰层产生并扩大裂缝，最终断裂。
77.第5步，对于难度更大的破冰作业，在气囊2顶部或牵引装置3上加装振动测量装置，对冰层振频进行测量，根据测量结果，计算各点气囊2最佳充气、抽气时间关系和充气、抽气速度，并以计算结果进行充气、抽气控制，使冰层产生共振，加速冰层断裂。
78.第6步，破冰成功后启动抽气装置402，抽出气囊2中的气体，减少气囊2在水中移动的阻力，控制牵引装置3驶向新的破冰点，开展下一次的破冰作业。
79.三、全方位、大面积破冰作业
80.第1步，拟定破冰方案，拟定冰层断裂线，确定输气管道5、牵引装置3使用数量以及潜艇航行路线方案等。
81.第2步，将各个牵引装置3以及与其对应的输气管道5和气囊2从承载装置1上的不同位置缓慢放入水中。
82.第3步，使用中心控制模块6远程遥控牵引装置3拉动输气管道5在水下航行，并实时反馈信息，通过操作系统确认各个气囊2各自破冰最佳位置，牵引装置3分别移动至各自的最佳破冰点下方。在本步骤中，如果在气囊2外面加装有保护框架10，则气囊2入水后可立即进行输入部分气体，以确保气囊2与保护装置的重量与水体浮力相同，便于牵引装置3进行牵引。
83.第4步，按照拟定的充抽气方案，充气装置401对部分软管9充气及气囊2充气，使冰层局部上升使冰层断裂。微型潜艇对所有情况适时监测并适时回传信息给操作人员，以便操作人员根据实况准确操作；
84.按照拟定的充放气方案，充气装置401对部分气囊2进行充气，使冰层局部上升后在剪力作用下断裂。
85.第5步，破冰成功后启动抽气装置402，抽出气囊2中的气体，减少气囊2在水中移动的阻力，控制牵引装置3驶向新的破冰点，开展下一次的破冰作业。
86.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种破冰系统，其特征在于，包括承载装置(1)、气囊(2)、牵引装置(3)和气体控制装置(4)，其中，气体控制装置(4)放置于承载装置(1)上，且气体控制装置(4)通过输气管道(5)与气囊(2)一端固定连接；牵引装置(3)与气囊(2)另一端固定连接；还包括控制牵引装置(3)的中心控制模块(6)。2.根据权利要求1所述的破冰系统，其特征在于，气囊(2)的数量为一个以上，且气体控制装置(4)和输气管道(5)的数量均与气囊(2)数量相匹配。3.根据权利要求1或2所述的破冰系统，其特征在于，牵引装置(3)包括动力装置、摄像头和位置传感器。4.根据权利要求1或2所述的破冰系统，其特征在于，气囊(2)外部还设有保护框架(10)，保护框架(10)一端与输气管道(5)固定连接。5.根据权利要求3所述的破冰系统，其特征在于，气囊(2)外部还设有保护框架(10)，保护框架(10)一端与输气管道(5)固定连接。6.根据权利要求1、2或5所述的破冰系统，其特征在于，气体控制装置(4)包括充气装置(401)和抽气装置(402)；输气管道(5)包括充气管(501)和抽气管(502)，其中，充气管(501)一端气囊(2)固定连接，另一端与充气装置(401)输出端固定连接；抽气管(502)一端气囊(2)固定连接，另一端与抽气装置(402)输出端固定连接。7.根据权利要求6所述的破冰系统，其特征在于，充气管(501)上设有第一单向阀(7)，抽气管(502)上设有第二单向阀(8)。8.根据权利要求6所述的破冰系统，其特征在于，同一气体控制装置(4)上的充气管(501)和抽气管(502)设置于一根软管(9)内。9.一种基于权利要求1至8中任一权利要求所述破冰系统的破冰方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤s1，将气囊(2)放入冰层下的水中；步骤s2，通过中心控制模块(6)控制牵引装置(3)潜入冰层下方准备破冰位置，并将冰层水下情况信息传回中心控制模块(6)；步骤s3，通过操纵气体控制装置(4)使气囊(2)的充气与抽气，将冰层局部向上抬起或使冰层上下振动，从而使冰层断裂，实现破冰。

技术总结
本发明属于水体破冰技术领域，公开了一种破冰系统，其包括承载装置、气囊、牵引装置和气体控制装置，其中，气体控制装置放置于承载装置上，且气体控制装置通过输气管道与气囊一端固定连接；牵引装置与气囊另一端固定连接；还包括控制牵引装置的中心控制模块。本系统可解决传统破冰船动力和质量有限度的问题。本发明系统的具体操作步骤如下：步骤S1，将气囊放入冰层下的水中；步骤S2，通过中心控制模块控制牵引装置潜入冰层下方准备破冰位置，并将冰层水下情况信息传回中心控制模块；步骤S3，通过操纵气体控制装置使气囊的充气与抽气，将冰层局部向上抬起或使冰层上下振动，从而使冰层断裂，实现破冰。本方法操作简单，易于实现，实用性强。性强。性强。


技术研发人员：蒋颜徽
受保护的技术使用者：蒋颜徽
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/28