一种基于回转动力头的海床式静力触探装备

摘要

本发明涉及海洋工程技术装备领域，具体涉及一种基于回转动力头的海床式静力触探装备。包括整体框架，整体框架内底部设有探杆架，探杆架旁侧的设有第二支撑架，第二支撑架上设有水平支撑板，支撑板下端面设有两个竖向液压油缸，液压油缸伸缩杆连接水平板两端，板上固设有抱紧油缸；整体框架内顶部设有两个液压油缸，液压油缸伸缩杆与水平支撑板相连，液压旋转传动机构的传动轴底端与双向油缸相连液压旋转传动机构内部设有油路，油路与双向油缸的油路连通，双向油缸的两个活塞杆均连接夹持块，两个夹持块用于夹持探杆。本发明相较于整长度的平直刚性探杆在深海环境下工作有着径向失稳与操作不便的问题，本发明采用分段探杆的方式有着较好的稳定性。

权利要求

1.一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，包括整体框架、探杆架、贯入及移杆机构、回转动力头模块、静力触探探头及电控系统；

所述探杆架设于整体框架内底部中心，探杆存放于探杆架上；

所述贯入及移杆机构包括设于探杆架旁侧的第二支撑架，第二支撑架上设有水平支撑板，支撑板下端面设有两个竖向液压油缸，液压油缸伸缩杆连接同一水平板两端，板上固设有抱紧油缸；第二支撑架上还设有固定框架，固定框架一侧设有机械抓手，固定框架上还设有水平导向杆，导向杆穿过机械抓手用于对机械抓手导向，液压油缸设置于固定框架的一侧，液压油缸伸缩杆与机械抓手相连；

所述回转动力头模块设于贯入及移杆机构正上方，包括两个沿竖向设于整体框架内顶部的液压油缸，液压油缸伸缩杆与水平支撑板相连，支撑板上端面设有液压旋转传动机构和两个液压马达；液压旋转传动机构和液压马达的传动轴均穿过支撑板并分别与设于支撑板下方的齿轮相连，齿轮间相互啮合，液压旋转传动机构的传动轴底端与双向油缸相连液压旋转传动机构内部设有油路，油路与双向油缸的油路连通，能对双向油缸进行供油；双向油缸的两个活塞杆均连接夹持块，两个夹持块用于夹持探杆；

所述探杆两端分别设有内螺纹和外螺纹，探杆间能进行对接和拆卸，最先贯入土体的探杆前端设有静力触探探头；电控系统包括水下电子舱和水下电机，水下电子舱与水下电机相连，水下电机与液压阀箱相连，液压阀箱连接液压旋转传动结构；

所述探杆架设于整体框架内底部中心的第一支撑架，第一支撑架上设有竖向的中心杆，中心杆顶部设有水平旋转盘，旋转盘外缘均布多个缺口，探杆端部能卡设于所述缺口中；水平旋转盘正中心设有一限位孔，盘面周向分布多个限位孔，中心限位孔正上方设有一竖向液压缸，周向限位孔所在圆周处设有一竖向液压缸和一个水平液压缸，竖直液压缸和水平液压缸活塞杆上均设有插销；两个竖直液压缸活塞杆的收缩和伸长状态相反，竖直液压缸插销均能在活塞杆的驱动下插入所述旋转盘的限位孔中；转动液压油缸设于支撑架上，并与中心杆底端相连，进而能带动整个探杆架旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，所述整体框架内部安装防腐锌块，外部安装有防撞条。

3.根据权利要求1所述的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，所述探杆架还包括固设于第一支撑架上并设于探杆外部的保护盘，保护盘为带缺口的环形结构，保护盘内侧贴设有橡胶垫，共同用于探杆的限位。

4.根据权利要求1所述的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，所述中心杆底部设有用于对探杆限位的限位板。

5.根据权利要求1所述的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，所述中心杆上沿轴向设有多个弹片，旋转盘的外缘缺口内卡设有多排探杆，所述弹片用于外排探杆移出后内排探杆的推出。

6.根据权利要求1所述的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，其特征在于，所述机械抓手包括机械抓手本体，两个相对设置的抓手块通过固定杆设于机械抓手本体前端；液压油缸设于机械手本体内部，液压油缸伸缩杆连接抓手块，能推动抓手块绕着固定杆旋转，进行夹持和松开动作。

说明书

一种基于回转动力头的海床式静力触探装备

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋工程技术装备领域，具体涉及一种基于回转动力头的海床式静力触探装备。

背景技术

[0002] 国内在近几年对海洋资源开发的注重逐渐加大，在海洋工程建设方面投入日益增多。而海底工程建设前，对海底土体性质的调查研究是必不可少的先行步骤。海底以下数米
至数十米的沉积物性质研究对于海洋环境调查、海底资源勘探、海洋开发利用等各方面都
具有重要意义。对海床地层力学特性的高效勘测和科学分析才可以进行安全、经济的海洋
工程结构基础设计。

[0003] 海底土体一般为新近沉积物，厚度大、饱和松散且容易扰动，钻探、取样等操作对土体产生了扰动，取样后进行现场观测或室内试验已经使土体失水失压，因此无法获得原
位海底沉积物土体性质。静力触探技术却因为在海底土体的实际环境中进行测试，可以获
得更为真实的土体性质。海上静力触探的方法是一种无需取样、适合范围广、快速、经济的
海床土体原位测量方法，在工程地质综合分析评价中显示了无可比拟的优越性，将静力触
探技术应用到海底土体勘测则更能显示出自身的优点。并且勘测速度快、效率高这种优势
在进行大范围的海底土体勘测时更加明显，如海底电缆和输油管线的路由调查等。

[0004] 目前静力触探技术装备多采用整长度的平直刚性探杆直接将探头压入海床表面，从而导致径向失稳与操作不便，因此不适用较深海床沉积物的勘测；此外，采用分段探杆的
方式，则需要人工对接，有较大作业劳动要求，这种探测方法只限于浅水作业环境，并不适
用于较深的海域。

[0005] 因此，设计一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，采用水下自动对接探杆的形式，将满足针对海底土体性质的精准勘测技术与装备的需求，在深海较大的工作水深
下进行海底土体性质的静力触探试验工作，在提高勘测深度的同时可以进一步提高我国海
洋岩土工程原位勘测设备水平。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于回转动力头的海床式静力触探装备。

[0007] 为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0008] 提供一种基于回转动力头的海床式静力触探装备，包括整体框架、探杆架、贯入及移杆机构、回转动力头模块、静力触探探头及电控系统；

[0009] 探杆架包括设于整体框架内底部中心的第一支撑架，第一支撑架上设有竖向的中心杆，中心杆顶部设有水平旋转盘，旋转盘外缘均布多个缺口，探杆端部能卡设于缺口中；
水平旋转盘正中心设有一限位孔，盘面周向分布多个限位孔，中心限位孔正上方设有一竖
向液压缸，周向限位孔所在圆周处设有一竖向液压缸和一个水平液压缸，竖直液压缸和水
平液压缸活塞杆上均设有插销；两个竖直液压缸活塞杆的收缩和伸长状态相反，竖直液压
缸插销均能在活塞杆的驱动下插入旋转盘的限位孔中；转动液压油缸设于支撑架上，并与
中心杆底端相连，进而能带动整个探杆架旋转；

[0010] 贯入及移杆机构包括设于探杆架旁侧的第二支撑架，第二支撑架上设有水平支撑板，支撑板下端面设有两个竖向液压油缸，液压油缸伸缩杆连接同一水平板两端，板上固设
有抱紧油缸；第二支撑架上还设有固定框架，固定框架一侧设有机械抓手，固定框架上还设
有水平导向杆，导向杆穿过机械抓手用于对机械抓手导向，液压油缸设置于固定框架的一
侧，液压油缸伸缩杆与机械抓手相连；

[0011] 回转动力头模块设于贯入及移杆机构正上方，包括两个沿竖向设于整体框架内顶部的液压油缸，液压油缸伸缩杆与水平支撑板相连，支撑板上端面设有液压旋转传动机构
和两个液压马达；液压旋转传动机构和液压马达的传动轴均穿过支撑板并分别与设于支撑
板下方的齿轮相连，齿轮间相互啮合，液压旋转传动机构的传动轴底端与双向油缸相连液
压旋转传动机构内部设有油路，油路与双向油缸的油路连通，能对双向油缸进行供油；双向
油缸的两个活塞杆均连接夹持块，两个夹持块用于夹持探杆；

[0012] 探杆两端分别设有内螺纹和外螺纹，探杆间能进行对接和拆卸，最先贯入土体的探杆前端设有静力触探探头；电控系统包括水下电子舱和水下电机，水下电子舱与水下电
机相连，水下电机与液压阀箱相连，液压阀箱连接液压旋转传动结构。

[0013] 作为一种改进，整体框架内部安装防腐锌块，外部安装有防撞条。

[0014] 作为一种改进，探杆架还包括固设于第一支撑架上并设于探杆外部的保护盘，保护盘为带缺口的环形结构，保护盘内侧贴设有橡胶垫，共同用于探杆的限位。

[0015] 作为一种改进，中心杆底部设有用于对探杆限位的限位板。

[0016] 作为一种改进，中心杆上沿轴向设有多个弹片，旋转盘的外缘缺口内卡设有多排探杆，弹片用于外排探杆移出后内排探杆的推出。

[0017] 作为一种改进，机械抓手包括机械抓手本体，两个相对设置的抓手块通过固定杆设于机械抓手本体前端；液压油缸设于机械手本体内部，液压油缸伸缩杆连接连接抓手块，
能推动抓手块绕着固定杆旋转，进行夹持和松开动作。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0019] 1、本发明相较于整长度的平直刚性探杆在深海环境下工作有着径向失稳与操作不便的问题，本发明采用分段探杆的方式有着较好的稳定性。

[0020] 2、本发明相较于人工对接分段探杆的方式，有较大作业劳动要求且不适用于深海环境的问题，本发明无需人工进行对接，减少劳动强度，可以进行深海环境下的海底静力触
探作业。采用回转动力头式的探杆对接方式，有着精准稳定的对接效果，在水下实现探杆的
自动对接。

附图说明

[0021] 图1是本发明提供的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备的整体示意图。

[0022] 图2是本发明提供的一种基于回转动力头的海床式静力触探装备的结构示意图。

[0023] 图3是本发明提供的回转动力头模块的结构示意图。

[0024] 图4是本发明提供的液压旋转传动结构的结构示意图。

[0025] 图5是本发明提供的探杆架的整体结构示意图。

[0026] 图6是本发明提供的探杆架的部分结构示意图。

[0027] 图7是本发明提供的贯入及移杆机构的结构示意图。

[0028] 图8是本发明提供的移杆部分的结构示意图。

[0029] 图9是本发明提供的机械抓手的结构示意图。

[0030] 图10是本发明提供的探杆的结构示意图。

[0031] 图中：1—整体框架；2—回转动力头模块；2‑1—液压油缸；2‑2—液压旋转传动结构；2‑2‑1—端盖；2‑2‑2—滚珠轴承；2‑2‑3—外壳；2‑2‑4—内部结构；2‑2‑5—密封圈；2‑2‑
6—滚珠轴承；2‑2‑7—下部结构；2‑3—液压马达；2‑4—支撑板；2‑5—齿轮传动机构；2‑6—
双向油缸；2‑7—夹持块；3—探杆架；3‑1—竖直液压缸；3‑2—水平液压缸；3‑3、3‑8、3‑14—
插销；3‑4—弹片；3‑5—卡盘；3‑6—第一支撑架；3‑7—竖直液压缸；3‑9—旋转盘；3‑10—保
护盘；3‑11—橡胶垫；3‑12—限位板；3‑13—中心杆；4—贯入及移杆机构；4‑1—第二支撑
架；4‑2—支撑板；4‑3—液压油缸；4‑4—导向杆；4‑5—液压油缸；4‑6—机械抓手；4‑6‑1—
液压油缸；4‑6‑2—连接杆；4‑6‑3—固定杆；4‑6‑4—抓手块；4‑7—抱紧油缸；4‑8—支撑板；
4‑9—固定框架；5—探杆；6—静力触探探头；7—底部抱紧油缸；8—水下电子舱；9—液压阀
箱；10—水下电机。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0033] 如图1、2所示，为本发明一种基于回转动力头的海床式静力触探装备的整体示意图，包括整体框架1、回转动力头模块2、探杆架3、贯入及移杆机构4、探杆5。回转动力头模块
2、探杆架3、贯入及移杆机构4、底部抱紧油缸7、电控系统均安装在整体框架1上。整体框架1
内部安装防腐锌块，外部安装防撞条及保护栅格。

[0034] 如图5、6所示，为探杆架3的结构示意图，包括第一支撑架3‑6。第一支撑架3‑6安装在整体框架1底部中心，用于探杆架3的整体固定。第一支撑架3‑6上设有竖向的中心杆3‑
13，中心杆3‑13底部设有用于对探杆5限位的限位板3‑12。卡盘3‑5设于探杆架中部，用于存
放探杆。中心杆3‑13顶部设有水平旋转盘3‑9，旋转盘3‑9外缘均布多个缺口，探杆5端部能
卡设于缺口中,中心杆3‑13上沿轴向设有多个弹片3‑4，旋转盘的3‑9外缘缺口内卡设有多
排探杆5，弹片3‑4用于外排探杆5移出后内排探杆5的推出。水平旋转盘3‑9正中心设有一限
位孔，盘面周向分布多个限位孔，中心限位孔正上方设有一竖向液压缸3‑1，周向限位孔所
在圆周处设有一竖向液压缸3‑7和一个水平液压缸3‑2，竖直液压缸3‑1、3‑7和水平液压缸
3‑2活塞杆上均设有插销3‑14、3‑8、3‑3。两个竖直液压缸3‑1、3‑7活塞杆的收缩和伸长状态
相反，竖直液压缸插销3‑8、3‑14均能在活塞杆的驱动下插入水平旋转盘3‑9的限位孔中。转
动液压油缸设于第一支撑架3‑9上，并与中心杆3‑13底端相连。探杆架3还包括固设于第一
支撑架3‑9上并设于探杆外部的保护盘3‑10，保护盘3‑10为带缺口的环形结构，保护盘内侧
贴设有橡胶垫3‑11，共同用于探杆5的限位。

[0035] 转动液压油缸可以带动探杆架3的整体旋转，起始状态下，竖直液压缸3‑7伸出状态，插销3‑8插入旋转盘3‑9的孔中，对探杆架3进行定位，使其处于探杆处于可以被抓取的
位置，同时，竖直液压缸3‑1收缩状态，水平液压缸3‑2处于伸出状态，插销3‑3可对插销3‑8
进行限位。探杆架3进行转动时，竖直液压缸3‑1伸出，将插销3‑14插入旋转盘3‑9的孔中，同
时竖直液压缸3‑7收缩，将插销3‑8从旋转盘3‑9的孔中拔出，水平液压缸3‑2收缩，带动旋转
盘3‑9旋转固定角度。旋转完成后，竖直液压缸3‑7伸长，将插销3‑8插入旋转盘3‑9的孔中，
竖直液压缸3‑1收缩，将插销3‑14拔出，水平液压缸3‑2伸长复位进行第二次操作。转动液压
缸组带动探杆架3旋转，将探杆5移动到合适的移杆位置。探杆5双排放置在卡盘3‑5中，橡胶
垫3‑11将外排探杆5进行位置限制，弹片3‑4在外排探杆5移出后将内排探杆5推出至外排。
限位板3‑12和保护盘3‑10用于探杆5拿取存放过程中的限位保护作用。

[0036] 如图3所示，为回转动力头模块的结构示意图，包括两个竖直设置的液压缸2‑1，液压缸2‑1安装在整体框架1上，液压缸2‑1另一端连接支撑板2‑4，支撑板2‑4上安装液压马达
2‑3和液压旋转传动结构2‑2，液压马达2‑3旋转带动齿轮传动机构2‑5，齿轮传动机构2‑5带
动固定在支撑板2‑4下方的双向油缸2‑6旋转。

[0037] 如图4所示，为液压旋转传动结构2‑2的结构示意图，包括端盖2‑2‑1、滚珠轴承2‑2‑2、外壳2‑2‑3、内部结构2‑2‑4、旋转密封圈2‑2‑5、滚珠轴承2‑2‑6、下部结构2‑2‑7。端盖
2‑2‑1与内部结构2‑2‑4用螺栓相连，端盖2‑2‑1与外壳2‑2‑3之间安装有滚珠轴承2‑2‑2，下
部结构2‑2‑7与外壳2‑2‑3之间安装有滚珠轴承2‑2‑5，端盖2‑2‑1、内部机构2‑2‑4和下部结
构2‑2‑6可以对外壳2‑2‑3进行相对旋转运动。外壳2‑2‑3上有两个油路通孔。内部结构2‑2‑
4中有两个油路孔，外壁开有油路槽，油路槽与外壳2‑2‑3上的两个油路通孔相对应。旋转密
封圈2‑2‑5用于不同液压油路之间的分隔与密封。下部结构2‑2‑7安装在支撑板2‑4上，下部
结构2‑2‑7有油路通孔，油路通孔上端与内部结构2‑2‑4的油路孔连接，下端与双向油缸2‑6
相连接。使用过程中，外壳2‑2‑3保持不动，液压油从外壳2‑2‑3上的油路通孔输入。端盖2‑
2‑1、内部机构2‑2‑4和下部结构2‑2‑7对外壳2‑2‑3进行相对旋转运动，液压油经过内部结
构2‑2‑4的油路槽进行内部结构2‑2‑4中的油路孔，然后进行下部结构2‑2‑7油路通孔，输入
到双向油缸2‑6中。

[0038] 液压旋转传动结构2‑2可以将液压动力传动到旋转的双向油缸2‑6，双向油缸2‑6两端的伸缩杆均连接有夹持块2‑7。液压缸2‑1可以带动整个回转动力头模块2上下移动。在
对接过程中，双向油缸2‑6带动夹持块2‑7相向运动夹持探杆5，液压马达2‑3旋转带动探杆5
旋转，探杆5之间的连接方式为锥螺纹连接形式，通过旋转将相邻探杆5进行对接，在旋转的
同时液压缸2‑1竖直向下进行运动，将对接完成的探杆送至贯入及移杆机构4。

[0039] 如图7、8、9所示，为贯入及移杆机构的结构示意图，包括第二支撑架4‑1，第二支撑架4‑1安装在探杆架3旁侧的整体框架1上，水平支撑板4‑2安装在支撑架4‑1上，支撑板4‑2
上安装有液压油缸4‑3。液压油缸4‑3下部的支撑板4‑8上安装有抱紧油缸4‑7。贯入过程中，
抱紧油缸4‑7将探杆夹持，通过液压油缸4‑3向下运动，将探杆5贯入地面。一次贯入过程结
束后，底部抱紧油缸7夹持探杆5，抱紧油缸松开探杆，液压油缸向上运动复位，复位后抱紧
油缸4‑7再次进行探杆5夹持，底部抱紧油缸7松开探杆5，液压油缸4‑3向下运动，进行阶段
连续的探杆5贯入过程。移杆部分安装支撑架4‑1上，用于探杆的移动。移杆部分由液压油缸
4‑5、机械抓手4‑6、导向杆4‑4、固定框架4‑9组成，水平导向杆4‑4贯穿于固定框架4‑9且穿
过机械抓手4‑6能对其进行导向。液压油缸4‑5设置于固定框架4‑9的右侧并与设于对侧的
机械抓手4‑6相连。液压油缸4‑5可以带动机械抓手4‑6进行运动，机械抓手4‑6对探杆5进行
抓取，将探杆5移动到对接位置后通过回转动力头模块2进行探杆5间的对接。机械抓手4‑6
包括液压油缸4‑6‑1、连接杆4‑6‑2、固定杆4‑6‑3、抓手块4‑6‑4组成。液压油缸4‑6‑1可以推
动抓手块4‑6‑4绕着固定杆4‑6‑3旋转，进行夹持和松开动作。

[0040] 如图10所示，为探杆的结构示意图。探杆5两端分别设有锥形内螺纹和外螺纹结构，探杆5间能进行对接和拆卸，最先贯入土体的探杆前端设有静力触探探头6。静力触探探
头6为自容式，通过探头所携带的传感器对原位土工数据进行采集，并存储在探头自身所携
带的存储装置中。静力触探探头6对锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力、电阻率等原位多参
数进行数据采集。

[0041] 电控系统包括水下电子舱8和水下电机10，水下电子舱8与水下电机10相连，水下电机10与液压阀箱9相连，液压阀箱9连接液压旋转传动结构2‑2。

[0042] 最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导
出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。