一种超长海底监测探杆贯入装置及贯入方法与流程

本发明属于海洋资源与环境领域，具体涉及一种超长海底监测探杆贯入装置及贯入方法。

背景技术：

1、深海浅层沉积物的基本物理性质是判断浅地层工程地质灾害发生机制的重要依据。近年来逐渐发展起来的海洋沉积物原位观测技术，具有观测时间长、测试数据可靠等特点，在深海浅层地质风险长期原位观测领域具有广阔的应用前景。其基本工作原理是，由观测装置框架携带原位监测探杆、供电系统和采集系统等机构座底，然后将原位监测探杆贯入到海床沉积物中，依靠布设在原位监测探杆外围的声学、电学等类型的传感器，感知地层信息，并传递给数据采集系统。

2、然而，现有原位观测装置无论是声学观测还是电学观测，其原位探杆的贯入深度都较浅，一般小于3m。其重要的制约因素表现在如下两个方面：其一，原位监测探杆的贯入结构通常安装在监测系统的框架的顶部，依靠顶驱系统将原位监测探杆“压”入地层中，如授权公告号为cn115586586b的发明专利公开的一种海洋沉积物原位观测探杆的静力贯入装置及方法，这就导致监测装置的高度必须与探杆长度相差较小，否则顶驱系统无法正常安装。而监测装置的高度过高则导致座底过程中的稳定性难以得到保证。这就反过来限制了原位监测探杆的长度，导致监测深度较浅。其二，传统顶驱式探杆贯入方式，导致探杆从上到下全部处于受压应力状态。在探杆长度较长情况下，顶驱贯入容易导致探杆发生弯曲或产生其他形式的损坏。因此，贯入方式限制了超长探杆的使用。

3、针对上述问题，部分研究提出了节点式探杆设计的思路，即将贯入地层中的探杆做成一个一个的小短节，当前面一节探杆贯入到地层以后，采用机械手抓取第二根探杆与前一节探杆丝扣连接并继续贯入。但这种操作方式复杂程度极高、探杆与探杆的连接处密封性和牢固性都存在较大的风险。

4、因此，如何在一体化成型探杆前提下，实现超长探杆的安全贯入(在技术允许的前提下，对于超长探杆的长度则没有限制)，是加深深海原位监测深度、实现海底流体迁移等基本物理行为监测的重要基础。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中传统顶驱式探杆贯入方式以及节点式探杆贯入方式存在的缺陷，提出一种超长海底监测探杆贯入装置及贯入方法，在一体化成型探杆前提下，实现超长探杆的安全贯入。

2、本发明是通过以下方式实现的，一种超长海底监测探杆贯入装置，包括探杆搭载平台、贯入卡瓦、贯入丝杠和滑动丝杠；贯入卡瓦安装在贯入丝杠上，用以夹紧超长监测探杆，滑动丝杠固定在贯入卡瓦内，贯入丝杠穿过滑动丝杠并与其相对上下运动；

3、所述探杆搭载平台上还设置有扭矩电机和夹持液压缸；夹持液压缸与贯入卡瓦相连，用以驱动贯入卡瓦夹紧或脱离超长监测探杆；扭矩电机与贯入卡瓦下方的减速机相连，通过扭矩电机驱动减速机带动贯入丝杠自转，进而带动滑动丝杠相对转动，实现贯入卡瓦回升或贯入卡瓦下降对超长监测探杆的贯入。

4、进一步的，所述贯入卡瓦包括卡瓦外壳以及设置在卡瓦外壳内的丝杠腔、夹持液腔和夹持推进板，滑动丝杠安装在丝杠腔内部，卡瓦外壳和夹持推进板之间还安装有回力弹簧；

5、所述夹持推进板为以卡瓦外壳为定子的活塞结构，夹持推进板的内侧依次固定安装夹持板和橡胶垫，夹持板用于施加贯入卡瓦对超长监测探杆的夹紧力，橡胶垫用于防止夹持板与超长监测探杆直接接触夹紧时产生的硬碰硬损伤；夹持推进板的另外一侧为与夹持液压缸连接的夹持液腔，当通过夹持液压缸向夹持液压腔内注入液压油时，推动夹持推进板向内侧运动，夹紧超长监测探杆。

6、进一步的，所述贯入丝杠包括贯入丝杠本体、贯入丝杠上部支撑杆和贯入丝杠下部支撑杆，贯入丝杠本体与贯入丝杠上部支撑杆、贯入丝杠下部支撑杆外径相同，贯入丝杠上部支撑杆和贯入丝杠下部支撑杆均为光滑的金属杆件，贯入丝杠与卡瓦外壳之间密封连接。

7、进一步的，所述卡瓦外壳的上部设置有内径大于贯入丝杠直径的外凸腔体，外凸腔体与丝杠腔连通，外凸腔体与丝杠腔注满润滑剂。

8、进一步的，所述贯入装置还包括安装在探杆搭载平台顶部的探杆扶正器，探杆扶正器的中心与超长监测探杆中心对齐，以保持超长监测探杆在纵向上处于竖直状态，防止超长监测探杆承受横向载荷而发生倾斜或受损。

9、进一步的，所述贯入丝杠和对应的贯入卡瓦的数量均至少为两个。

10、本发明另外还提出一种超长海底监测探杆贯入装置的贯入方法，包括以下步骤：

11、步骤a、探杆夹紧：控制夹持液压缸驱动贯入卡瓦夹紧超长监测探杆；

12、步骤b、探杆贯入：通过扭矩电机驱动减速机带动贯入丝杠旋转，贯入丝杠带动滑动丝杠反向旋转，进而带动贯入卡瓦向下运动；在步骤a中形成的夹紧力作用下，超长监测探杆向下贯入地层；

13、步骤c、卡瓦脱离：一个贯入行程结束后，控制夹持液压缸驱动夹持推进板与超长监测探杆之间的夹紧力消失，夹持推进板向超长监测探杆反方向运动，超长监测探杆与贯入卡瓦脱离；

14、步骤d、卡瓦回升：通过扭矩电机驱动减速机反转带动贯入丝杠旋转，贯入丝杠带动滑动丝杠旋转，滑动丝杠旋转过程中带动贯入卡瓦向上运动，直至一个卡瓦回升结束；

15、重复步骤a～d直到超长监测探杆贯入预定深度，完成超长监测探杆的贯入。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、本方案巧妙的设计贯入卡瓦与贯入丝杆，通过贯入卡瓦对探杆进行夹紧或夹紧脱离，并结合滑动丝杠与贯入丝杠的配合关系，实现对超长探杆的贯入，与传统顶驱式贯入方法相比，将探杆贯入装置下移，能够有效降低监测装置的重心高度，进一步提高了设备的稳定性，且操作方便，可靠性高，具有较高的实际应用及推广价值。

技术特征：

1.一种超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于，包括探杆搭载平台(6)、贯入卡瓦(1)、贯入丝杠(2)和滑动丝杠(14)；贯入卡瓦(1)安装在贯入丝杠(2)上，用以夹紧超长监测探杆(7)，滑动丝杠(14)固定在贯入卡瓦(1)内，贯入丝杠(2)穿过滑动丝杠(14)并与其相对上下运动；

2.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述贯入卡瓦(1)包括卡瓦外壳(11)以及设置在卡瓦外壳(11)内的丝杠腔(12)、夹持液腔(13)和夹持推进板(15)，滑动丝杠(14)安装在丝杠腔(12)内部；

3.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述卡瓦外壳(11)和夹持推进板(15)之间还安装有回力弹簧(18)。

4.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述贯入丝杠(2)包括贯入丝杠本体(21)、贯入丝杠上部支撑杆(22)和贯入丝杠下部支撑杆(23)，贯入丝杠本体(21)与贯入丝杠上部支撑杆(22)、贯入丝杠下部支撑杆(23)外径相同，贯入丝杠上部支撑杆(22)和贯入丝杠下部支撑杆(23)均为光滑的金属杆件，贯入丝杠(2)与卡瓦外壳(11)之间密封连接。

5.根据权利要求2所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述夹持板(16)的内侧安装有橡胶垫(17)。

6.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述滑动丝杠(14)为具有内螺纹的、在平面内能够正反旋转的螺帽状结构。

7.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述卡瓦外壳(11)的上部设置有内径大于贯入丝杠(2)直径的外凸腔体(9)，外凸腔体(9)与丝杠腔(12)连通，外凸腔体(9)与丝杠腔(12)内注满润滑剂。

8.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述贯入装置还包括安装在探杆搭载平台(6)顶部的探杆扶正器(5)，探杆扶正器(5)的中心与超长监测探杆(7)中心对齐。

9.根据权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置，其特征在于：所述贯入丝杠(2)和对应的贯入卡瓦(1)的数量均至少为两个。

10.基于权利要求1所述的超长海底监测探杆贯入装置的贯入方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种超长海底监测探杆贯入装置及贯入方法，所述贯入装置包括探杆搭载平台、贯入卡瓦、贯入丝杠和滑动丝杠，贯入卡瓦安装在贯入丝杠上，用以夹紧超长监测探杆，滑动丝杠固定在贯入卡瓦内，贯入丝杠穿过滑动丝杠并与其相对上下运动；夹持液压缸与贯入卡瓦相连，用以驱动贯入卡瓦夹紧或脱离超长监测探杆，通过探杆搭载平台上的扭矩电机驱动减速机带动贯入丝杠自转，进而带动滑动丝杠相对转动，实现对超长监测探杆的贯入；本方案对贯入探杆的长度不做限制，结构设计巧妙，且有效降低监测装置的重心高度，提高设备稳定性。

技术研发人员：杨生香
受保护的技术使用者：浙江托莫斯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16