一种控制贯入速度的液压油缸装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及海洋工程勘察领域，尤其涉及一种控制贯入速度的液压油缸装置。


背景技术：

[0002]
相关海洋工程设施建设前需要开展海底土体的基本物理力学性质和地基承载力等的前期勘察，而静力触探是获取这些海底土体性质的有效手段。随着海洋资源开发利用和海洋工程建设的不断发展，海底土体静力触探在海洋地质调查、海洋工程勘察领域得到越来越广泛的应用。
[0003]
静力触探是通过贯入设备将探头以准静力匀速贯入到海底土体中而获取土体的相关测试参数。目前海底静力触探工艺主要采用设备系统构成较为简单、使用操作较为方便的海床式静力触探。海床式触探通过贯入设备坐落在海床面上，再采用前端带有探头的探杆由贯入设备自海床面贯入海底土体中。
[0004]
中国专利号cn110029646a公开了一种井下式静力触探系统，包括探头、探杆、钻头、钻杆、贯入机构、油线分离器、承重头、脐带缆、轴向定位器及测速机构，钻杆底端设有钻头，内部设有探杆，探杆底端连接探头，顶端连接贯入机构，贯入机构顶端连接油线分离器，油线分离器顶端通过承重头与脐带缆固定连接，贯入机构上设有轴向定位器，钻杆内壁开设有与轴向定位器配合的定位槽。采用该静力触探系统，以钻探平台为触探基准，将深层静力触探探头沿钻杆的中间孔放下，启动贯入系统，在取得一个行程内的数据后利用钻头将已经测试过的土层扫去，同时启动泥浆泵，将钻杆中的泥沙清洗干净，但是该专利还存在不足之处：第一，缺乏有效的限速装置和测距装置，导致测试的数据可靠性不高；第二，缺乏可靠的通讯手段，导致是被很容易会在深海环境中出现失联状况；第三，定位装置的控制装置过于复杂，增加后期维护成本以及操控繁琐。


技术实现要素：

[0005]
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种控制贯入速度的液压油缸装置，其能解决传统的静力触探装置缺乏有效的限速装置的问题。
[0006]
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0007]
1一种控制贯入速度的液压油缸装置，包括控制器、单向阀门、液压泵、液压油缸、用于供油的复合管缆和测试探头，所述液压油缸包括有杆腔和无杆腔，所述有杆腔设有液压杆，所述测试探头通过液压杆与液压油缸连接，所述单向阀门与有杆腔靠近测试探头一端连接，所述复合管缆的出油口通过液压泵与液压油缸的无杆腔连接，所述液压泵、复合管缆和测试探头均与控制器连接；所述单向阀门，用于排放无杆腔内储存的液体，以控制测试探头的贯入速度。
[0008]
优选的，还包括限压阀，所述复合管缆的出油口通过限压阀与液压泵连接。
[0009]
优选的，还包括设置在液压杆内腔中的第一线缆和设置在无杆腔中的第二线缆，
所述测试探头的信号输出端依次通过第一线缆、第二线缆与控制器连接。
[0010]
优选的，所述复合管缆包括输油管和第三线缆，所述输油管的出油口与流量计的进油口连接，所述测试探头的信号输出端依次通过第一线缆、第二线缆、第三线缆与控制器连接。
[0011]
优选的，所述第三线缆覆盖在输油管外表面。
[0012]
优选的，还包括定位装置和尾部套筒，所述复合管缆与尾部套筒的上端连接，所述定位装置包括设置在液压泵与复合管缆之间的卡爪座、连板、第一弹性元件、至少一个用于与钻杆内部卡合的卡爪和活动连接在卡爪座中的连杆，所述卡爪座至少设有一个沿轴向设置的卡爪槽，所述卡爪设置在卡爪槽中，所述卡爪的下端与卡爪槽活动连接，所述卡爪的上端远离钻杆一侧通过连板与连杆的下端连接，所述连杆的上端依次穿过第一弹性元件、卡爪座的上端与尾部套筒的下端连接，所述卡爪的上端靠近钻杆一侧向外延伸形成卡爪齿；所述复合管缆，用于驱使连杆沿轴向向上运动或者沿轴向向下运动；所述连杆，用于驱使卡爪的卡爪齿在第一位置和第二位置之间作往返运动；所述第一位置为卡爪齿与钻杆内部相互分离；所述第二位置为卡爪齿与钻杆内部卡合的位置。
[0013]
优选的，还包括第二弹性元件，所述第二弹性元件设置在卡爪的下端与卡爪槽之间。
[0014]
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：通过在液压油缸的有杆腔中设置单向阀门，用来排放预先注入到有杆腔中的液体，使得无杆腔向有杆腔施压时，有杆腔中的液体向无杆腔提供一个向上的反作用力，从而一定程度地限制测试探头贯入的速度，并且在流量计的进油口还设有限压阀，通过限制油压，以保护流量计不受到损坏，以及限制测试探头贯入的速度。
附图说明
[0015]
图1为本实用新型所述的孔内原位测试系统的结构示意图。
[0016]
图2为图1的g区域放大示意图。
[0017]
图3为图1的f-f方向剖视图。
[0018]
图4为图3中的a区域放大示意图。
[0019]
图5为图3中的b区域放大示意图。
[0020]
图6为图3中的c区域放大示意图。
[0021]
图7为图3中的d区域放大示意图。
[0022]
图8为图3中的e区域放大示意图。
[0023]
图9为本实用新型中所述的复合管缆的结构示意图。
[0024]
图10为本实用新型中所述的管缆绞车的结构示意图。
[0025]
图中：1-复合管缆；11-输油管；12-第三线缆；2-尾部套筒；3
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测试探头；4-液压油缸装置；41-液压泵；42-液压油缸；421-有杆腔；4211-液压杆；422-无杆腔；4221-第二线缆；5-流量计；6-单向阀门； 7-限压阀；8-定位装置；81-卡爪座；811-卡爪槽；82-连板；83-卡爪； 831-卡爪齿；84-连杆；85-第一弹性元件；86-第二弹性元件；9-管缆绞车；91-绞盘；92-导向器。
具体实施方式
[0026]
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0029]
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：
[0030]
在本发明中，所述孔内原位测试系统应用于地质勘探，尤其是在海洋地球物理勘探工程中，孔内原位测试系统的应用更为广泛。实际上，需要预先将钻探船航驶预定的海平面上，采用锚泊定位或者动力定位将钻探船停在指导的位置上，再向下投放海底基座，直至海底基座潜降至海底，然后通过设置在船上的管缆绞车9往钻探船和海底基座之间的钻杆内部下放原位测试仪，原位测试仪最终会穿过海底基座，开始贯入海底，进行静力触探；优选的，所述钻杆内部设有类似阶梯状的结构；同时，按照标准化规定生产制造的液压油缸42普遍设有两个腔室：有杆腔421和无杆腔422，本实施例中所述的液压油缸42沿用此结构，在本实施例中，原位测试仪在下放之前，先向液压油缸42的有杆腔421注入适量的液态物质(例如水)，使得有杆腔421的体积在合理的范围内，增大至一定程度；优选的，所述复合管缆1包括输油管11和第三线缆12(如图9所示)，所述第三线缆 12覆盖在输油管11外表面，所述第三线缆12为用于信号传输的线缆和/或供电；优选的，本实施例中，所述钻杆设置在钻探船和海底基座之间，或者设置在海底钻洞中，所述的钻杆内部设有类似阶梯状的结构，卡爪齿831可以与钻杆内部相互卡合；优选的，所述管缆绞车9包括绞盘91和导向器92，如图10所示，所述绞盘91用于缠绕复合管缆1，所述导向器92用于控制复合管缆1下放的方向。在本实施例中，所述测试探头不限于静力触探探头，还可以是多种原位测试装置或者取样装备，比如十字板剪切仪和插管式取样器等。
[0031]
实施例一：
[0032]
如图1-10所示，本实施例中，孔内原位测试系统包括管缆绞车9、复合管缆1、原位测试仪和控制器，所述原位测试仪包括尾部套筒2、壳体、设置在壳体下端的测试探头3、定位装置8以及由下至上设置在壳体内部的液压油缸装置4和流量计5，所述复合管缆1一端缠绕在管缆绞车9上，所述复合管缆1的另一端通过尾部套筒2与定位装置8的上端连接，优选的的，所述定位装置8的下端与壳体连接，所述测试探头3的上端与液压油缸装置4的下端连接，所述复合管缆1 的出油口与流量计5的进油口连接，所述流量计5的出油口与液压油缸装置4的进油口连接，所述管缆绞车9、复合管缆1、流量计5和测试探头3与控制器连接。
[0033]
在本实施例中，所述定位装置8包括设置在壳体上端的卡爪座 81、连板82、至少一
个用于与钻杆卡合的卡爪83和活动连接在卡爪座81中的连杆84，所述卡爪座81至少设有一个沿轴向设置的卡爪槽811，所述卡爪83设置在卡爪槽811中，所述卡爪83的下端与卡爪槽811活动连接，所述卡爪83的上端远离钻杆一侧通过连板82与连杆84的下端连接，所述连杆84的上端依次穿过第一弹性元件85、卡爪座81的上端与尾部套筒2的下端连接，所述卡爪83的上端靠近钻杆一侧向外延伸形成卡爪齿831；所述复合管缆1，用于驱使连杆 84沿轴向向上运动或者沿轴向向下运动；所述连杆84，用于驱使卡爪83的卡爪齿831在第一位置和第二位置之间作往返运动；所述第一位置为卡爪齿831与钻杆内部相互分离；所述第二位置为卡爪齿 831与钻杆内部卡合的位置。优选的，卡爪座81连杆84第一弹性元件85所述第一弹性元件85为弹簧；所述卡爪83的下端与卡爪槽811 之间设有第二弹性元件86，所述第二弹性元件86为弹簧片。当原位测试仪到达海底后，管缆绞车9停止旋转，复合管缆1对连杆84的拉力小于弹簧的作用力，则定位装置8中的弹簧开始复位，并驱使连杆84向下运动，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第二位置运动，并与钻杆内部卡合，优选的，卡爪83的下端与卡爪槽811 之间弹簧片在管缆绞车9不再通过复合管缆1向原位测试仪提供向上的拉力后，弹簧片恢复自由状态(自由状态下的弹簧片是弯曲的)，进一步驱使卡爪齿831向第二位置运动。当静力触探完成之后，管缆绞车9反向旋转，通过复合管缆1向上提拉原位测试仪，此时复合管缆1对连杆84的拉力恢复，并且大于弹簧的作用力，则定位装置8 中的弹簧被压缩，复合管缆1驱使连杆84向上运动，导致定位装置 8的上端与尾部套筒2之间形成一定的间隙，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第一位置运动，卡爪齿831与钻杆内部相互分离，弹簧片从弯曲状态(自由状态)被拉至平直状态。
[0034]
在本实施例中，所述液压油缸装置4包括与控制器连接的液压泵 41和液压油缸42，所述液压油缸42包括设置在有杆腔421中的液压杆4211、设置在液压杆4211内腔中的第一线缆和设置在无杆腔422 中的第二线缆4221，所述流量计5的出油口与液压泵41的进油口连接，所述液压泵41的出油口与液压油缸42的无杆腔422连接，所述测试探头3的信号输出端依次通过第一线缆、第二线缆4221与复合管缆1连接，所述测试探头3的上端通过液压杆4211与液压油缸42 连接。
[0035]
具体的，所述输油管11的出油口与流量计5的进油口连接，所述测试探头3的信号输出端依次通过第一线缆、第二线缆4221、第三线缆12与控制器连接。当液压油缸装置4驱使测试探头3下压进行静力触探时，液压杆4211逐渐加大测试探头3贯入土层的深度，导致无杆腔422的上端与下端之间的距离会逐渐拉大(即无杆腔422 的体积逐渐变大，有杆腔421的体积变小)，所以无杆腔422中的线缆的长度也随之加长，为了避免无杆腔422中的线缆被拉断或者出现线缆过长导致线缆缠绕在一起导致无法通讯的现象，故所述第二线缆 4221为弹簧线缆，利用弹簧线缆的可发生弹性形变的特性来保障测试探头3进行测静力触探时的通讯，避免线缆过短以及线缆乱绕导致通讯失灵的问题。
[0036]
同时，流量计5会记录经过液压泵41进入液压油缸42的无杆腔 422的油量，并将记录的数据通过第三线缆12发送至控制器，经过公式：v
油
＝s
缸
h，(其中v
油
为流入液压油缸42的油量，s
缸
为液压油缸42的无杆腔422的横截面积，h为贯入深度)计算，即可得出测试探头3贯入土层的深度。
[0037]
进一步的，在有杆腔421靠近测试探头3一端还设有单向阀门6。原位测试仪在静力触探过程中，进入液压油缸42的无杆腔422的油量会逐渐增多，导致液压油缸42的无杆腔
422的体积随之逐渐变大，从而迫使液压油缸42的有杆腔421的体积会逐渐变小，使得预先注入在有杆腔421中的水从单向阀门6中排出。具体的，根据连通器的原理，当原位测试仪进入海洋后，若无杆腔422不向有杆腔421施压，则有杆腔421中的水不会流出，同时单向阀门6需要达到工作压力才可以开启，防止液压油路中没有供油，仅因为油液重力和泄漏共同作用，导致液压油缸产生不受控制的位移，同时原位测试仪进行静力触探时，无杆腔422向有杆腔421施压，由于有杆腔421中被预先注入水，则有杆腔421中的水会向无杆腔422提供一个向上的反作用力，直到有杆腔421中的压力达到工作压力，有杆腔421中的水才会被排出，同时有杆腔421中的压力也被降低了，当有杆腔421中的压力再次达到工作压力，有杆腔421中的水才会再次被排出，从而一定程度地限制测试探头3贯入的速度。
[0038]
优选的，在流量计5的进油口还设有限压阀7，通过限制油压，以保护流量计5不受到损坏，以及限制测试探头3贯入的速度。
[0039]
实施例二：
[0040]
如图1-9所示，一种孔内原位测试方法，其应用于孔内原位测试系统，包括以下步骤：
[0041]
s1：向液压油缸42的有杆腔421注入水，使得有杆腔421的体积增大至预设程度；
[0042]
具体的，下放原位测试仪之前，预先在钻探船上向液压油缸42 的有杆腔421注入水(但不限于水，还可以是其他适用于深海环境的液体)，使得液压油缸42的有杆腔421的体积增大至预设的程度，理想化状态下，注水后的有杆腔421的体积达到最大，该液压油缸 42对应的无杆腔422的体积达到最小。
[0043]
s2：通过尾部套筒2将复合管缆1连接在原位测试仪上；
[0044]
具体的，通过尾部套筒2将复合管缆1通过旋钮或者夹持等方式固定连接原位测试仪上，在本实施例中，所述原位测试仪的壳体的上端与定位装置8的下端连接，所以复合管缆1通过尾部套筒2与定位装置8的上端连接。
[0045]
s3：驱使管缆绞车9正向旋转，将原位测试仪下放进钻杆内部，使得原位测试仪沿着钻杆内部下放至海底；
[0046]
具体的，在本实施例中，设定管缆绞车9正向旋转为下放原位测试仪，管缆绞车9反向旋转为向上提拉原位测试仪；将原位测试仪放到钻杆内部，使得原位测试仪沿着钻杆内部下放至海底，下放期间，管缆绞车9通过复合管缆1向原位测试仪提供一个向上的拉力，此时可以简单地把原位测试仪视为只受重力和拉力的影响。
[0047]
s4：管缆绞车9停止旋转，定位装置8中的第一弹性元件85驱使连杆84向下运动，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第二位置运动，并与钻杆内部卡合；
[0048]
具体的，当原位测试仪到达海底之后，管缆绞车9停止旋转时，即管缆绞车9不再通过复合管缆1向原位测试仪提供向上的拉力，即复合管缆1对连杆84的拉力为零或者复合管缆1对连杆84的拉力小于弹簧的作用力，则定位装置8中的弹簧开始复位，并驱使连杆84 向下运动，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第二位置运动，并与钻杆内部卡合，优选的，卡爪83的下端与卡爪槽811之间弹簧片在管缆绞车9不再通过复合管缆1向原位测试仪提供向上的拉力后，弹簧片恢复自由状态(自由状态下的弹簧片是弯曲的)，进一步驱使卡爪齿831向第二位置运动。在本实施例中，与钻杆相抵触的卡爪齿831提供一个反作用力(反作用力的方向沿轴向向下)，限定原位测试仪的位置，阻止原位测试仪发生向上的位移，
使得液压油缸装置4能够有效地将测试探头3压入土层。
[0049]
s5：复合管缆1依次通过限压阀7、流量计5向液压油缸装置4 的无杆腔422供油，流量计5记录液压油缸装置4的无杆腔422的进油量，以获得测试探头3贯入的深度；
[0050]
具体的，在本实施例中，当定位装置8的卡爪齿831与钻杆内部卡合之后，复合管缆1的输油管11开始向液压油缸装置4供油，液压油依次经过限压阀7、流量计5进入到液压油缸42的无杆腔422，通过限压阀7来限制进入流量计5的油压，避免流量计5被高油压损坏，以及限制测试探头3贯入的速度，同时，流量计5记录液压油缸装置4的无杆腔422的进油量，并将相应的数据通过无线或者复合管缆1的第三线缆12发送至控制器，控制器通过公式：v
油
＝s
缸
h，(其中v
油
为流入液压油缸42的油量，s
缸
为液压油缸42的无杆腔422的横截面积，h为贯入深度)计算，即可得出测试探头3贯入土层的深度。
[0051]
s6：单向阀门6排出有杆腔421中的水，以限定有杆腔421的体积减小的程度；
[0052]
具体的，随着复合管缆1的输油管11的持续供油，液压油缸42 的无杆腔422的体积逐渐变大，同时有杆腔421的体积逐渐变小，预先注入在有杆腔421中的水从单向阀门6中排出。具体的，根据连通器的原理，当原位测试仪进入海洋后，若无杆腔422不向有杆腔421 施压，则有杆腔421中的水不会流出，同时单向阀门6需要达到工作压力才可以开启，防止液压油路中没有供油，仅因为油液重力和泄漏共同作用，导致液压油缸产生不受控制的位移，同时原位测试仪进行静力触探时，无杆腔422向有杆腔421施压，由于有杆腔421中被预先注入水，则有杆腔421中的水会向无杆腔422提供一个向上的反作用力，直到有杆腔421中的压力达到工作压力，有杆腔421中的水才会被排出，同时有杆腔421中的压力也被降低了，当有杆腔421中的压力再次达到工作压力，有杆腔421中的水才会再次被排出，从而一定程度地限制测试探头3贯入的速度。
[0053]
在本实施例中，当所述液压油缸42的无杆腔422的体积逐渐变大时，由于液压油缸42的无杆腔422的横截面积恒定，所以液压油缸42的无杆腔422的上下两端的距离逐渐增大，所以无杆腔422中的弹簧线缆逐渐处于拉伸状态，而避免了线缆过短以及线缆乱绕导致通讯失灵的问题。当静力触探完成之后，原位测试仪被提拉至船上之后，通过向有杆腔421注入水，使得液压油缸42的有杆腔421的体积增大至预设的程度，此时弹簧线缆逐渐恢复原来状态。
[0054]
s7：驱使管缆绞车9反向旋转，复合管缆1向上拉动定位装置8 中的连杆84，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第一位置运动，并与钻杆内部相互分离。
[0055]
具体的，当静力触探完成之后，管缆绞车9反向旋转，通过复合管缆1向上提拉原位测试仪，此时复合管缆1对连杆84的拉力恢复，并且大于弹簧的作用力，则定位装置8中的弹簧被压缩，复合管缆1 驱使连杆84向上运动，导致定位装置8的上端与尾部套筒2之间形成一定的间隙，以使得连杆84通过连板82驱使卡爪齿831向第一位置运动，卡爪齿831与钻杆内部相互分离，弹簧片从弯曲状态(自由状态)被拉至平直状态，即可通过管缆绞车9将原位测试仪提拉至船上。
[0056]
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。