一种海底钻机寻址着底装置及其使用方法
技术领域
本发明属于海洋机械技术领域，具体涉及一种海底钻机寻址着底装置及其使用方法。
背景技术
海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。由于陆地资源被人开发利用逐渐枯竭，人类开始向海洋进军，海洋逐渐成为了人类社会竞相竞争的重要战略资源和空间。陆地资源的不断减少，蕴藏在深海中的资源就显得尤为宝贵，综上所述，海洋资源的开发利用已迫在眉睫。
对于海洋资源的勘探和利用，海洋装备和设施是不可或缺的。目前主要的海洋资源勘探与开采的装备为海底钻机。海底钻机需要从科考船上下放，然后到达海底表面着陆进行工作，而海底表面非常复杂，包括斜坡、海沟等复杂地形，海底钻机在下放着底时会因海底表面复杂地形情况，发生着底不稳，甚至侧翻，无法正常工作，这将会影响勘探开采的效率，甚至会造成设备的损坏，并且海底钻机在水下作业过程中还需要承受波浪运动以及海底钻机自我工作扰动的影响，如地形不佳，在此影响下也会发生侧翻，而无法正常工作，所以海底钻机的寻址和稳定着底是海底钻机进行高效率工作的提前。
目前有关海底钻机寻址着底的现有技术主要有：
授权公告号：CN102278072B，授权公告日为2013年4月17号的中国发明专利公开了海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法，涉及的是一种海床式钻机的液压自动调平系统及调平方法，其方法是在底座上选择二个互相垂直的X轴、Y轴，将双轴倾角传感器沿X轴或Y轴安装，由双轴倾角传感器测两坐标轴方向上的倾斜角度，通过信号调理模块放大、滤波等，再经信号分析模块，数模转换，放大，输出成三路电流，驱动三个三位四通比例换向阀的阀芯运动，控制系统的流量，驱动三支液压缸支腿分别上升一定高度，实现调平。该专利可实现海底钻机的着底，但在海底钻机着底以后进行水下作业过程中，海底钻机会因波浪运动以及海底钻机自我工作扰动的影响，可能重心不稳而发生侧翻。
为解决上述技术问题，急待研发一种能够寻找一处可靠位置并稳定着底，支撑海底钻机进行稳定工作的海底钻机寻址着底装置。
发明内容
为了解决上述海底钻机在下放着底时因海底复杂地形问题，发生着底不稳，甚至侧翻无法正常进行工作、甚至造成设备损坏，本发明提供了一种海底钻机寻址着底装置及其使用方法，所述装置具有反应灵敏、自动性高、安装拆卸简单、适应性广、工作可靠等优点，能够为海底钻机寻找一处较佳地形进行着底，保证海底钻机稳定安全的进行工作。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种海底钻机寻址着底装置，包括铠装脐带缆、甲板控制和供电系统和海底钻机；所述海底钻机包括海底钻机机架、机械腿、高度计测距系统和运动调整系统，所述铠装脐带缆分别与所述甲板控制和供电系统、所述高度计测距系统和所述运动调整系统相连接；
所述机械腿通过机架臂与所述海底钻机机架相连接；所述甲板控制和供电系统设置在科考船上；
所述高度计测距系统包括高度计、信号处理模块和计时器；所述高度计倾斜设置在所述机架臂侧面；所述信号处理模块和所述计时器设置在所述甲板控制和供电系统中；
所述运动调整系统包括控制系统、液压系统和水下推进器；所述控制系统和所述液压系统均设置在所述海底钻机机架底部；所述水下推进器设置在所述机架臂的一侧。
优选地，所述机械腿包括支腿油缸、支腿臂、支腿臂横梁和机械腿板；所述支腿油缸包括支腿油缸缸筒和支腿油缸活塞杆；所述支腿臂横梁连接所述支腿臂；所述支腿油缸、所述支腿臂和所述机械腿板通过万向节活动连接。
优选地，所述高度计包括水密转接头、连接器端盖、水密机身和尾部换能器；所述水密转接头、所述连接器端盖、所述水密机身和所述尾部换能器依次连接共同构成所述高度计。
优选地，所述水密机身内设置有放大电路、带通滤波模块、A/D转换器。
优选地，所述液压系统包括补偿器、油箱、浸油电机、过滤器A、过滤器B、过滤器C、液压泵、单向阀、溢流阀、J型三位四通比例换向阀A、J型三位四通比例换向阀B、J型三位四通比例换向阀C、J型三位四通比例换向阀D、J型三位四通比例换向阀E、J型三位四通比例换向阀F、双向调速阀A、双向调速阀B、双向调速阀C、液压锁A、液压锁B和液压锁C；所述补偿器与所述油箱相连接；所述浸油电机设置在所述油箱内并与所述液压泵相连接；所述液压泵下端与所述过滤器A相连接；所述液压泵上端与所述单向阀相连接；所述单向阀与所述过滤器B连接；所述溢流阀一端连接所述过滤器B，另一端连接所述过滤器C；所述过滤器B连接所述溢流阀；所述过滤器B和所述过滤器C分别与所述J型三位四通比例换向阀A、所述J型三位四通比例换向阀B、所述J型三位四通比例换向阀C、所述J型三位四通比例换向阀D、所述J型三位四通比例换向阀E和所述J型三位四通比例换向阀F相连接；所述J型三位四通比例换向阀A直接与所述液压马达A串接；所述J型三位四通比例换向阀B直接与所述液压马达B串接；所述J型三位四通比例换向阀C直接与所述液压马达C串接；所述液压马达A、所述液压马达B和所述液压马达C的溢流口串接到所述油箱；所述J型三位四通比例换向阀D与所述液压锁A连接后与支腿油缸A连接；所述J型三位四通比例换向阀E与所述液压锁B、所述支腿油缸B串接；所述J型三位四通比例换向阀F与所述液压锁C、所述支腿油缸C串接。
优选地，所述控制系统中设置有单片机AT89S51。
优选地，所述信号处理模块为RS485B信号处理模块。
优选地，所述水下推进器包括螺旋桨和液压马达；所述螺旋桨设置在所述液压马达的上面。
本发明提供了一种基于所述的海底钻机寻址着底装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一、下放海底钻机之前，先假定海底钻机的海底钻机机架下放到距离海底表面10米时打开海底钻机寻址着底装置，然后，根据机械腿伸长量在横向方向的投影与海底钻机下放到距离海底表面10米高度的反正切值，求得高度计与竖直方向夹角θ，然后将高度计倾斜安装在机架臂一侧，倾斜安装的角度为高度计与竖直方向夹角θ；
步骤二、下放海底钻机，当海底钻机机架距离海底10-12米时，暂停下放，开启海底钻机寻址着底装置，海底钻机寻址着底装置上的高度计中的换能器发射超声波，同时开启计时器，超声波在碰到海底表面后发生反射，反射的回波被换能器捕捉，同时暂停计时器，计时器记录该超声波从发射到被捕捉过程所用的时间，高度计对接收到的回波进行处理，并转变为数字信号传输至信号处理模块；
步骤三、利用信号处理模块进行运算处理，得出三个机械腿距离海底的理论高度数据，并将三个机械腿的理论高度数据传入单片机中，单片机将该数据按ABC进行大小排序，最大数据为数据A，次之数据为数据B，最小数据为数据C。
步骤四、将数据A与数据C进行对比，若数据A比数据C超过1m，单片机将给出现最大数据的机械腿旁边的水下推进器一个高电压，驱动液压马达旋转调整机械腿的位置，并重复步骤二；若数据A比数据C不超过1m，单片机将数据B与最小数据C进行对比，若数据B比数据C超过0.1m，单片机将给出现最大数据的机械腿旁边的水下推进器一个高电压，驱动液压马达旋转调整机械腿的位置，并重复步骤二；若数据B比数据C不超过0.1m，关闭寻址着底装置，展开机械腿，进行海底钻机的着底，完成寻址着底。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
(1)本发明的海底钻机寻址着底装置，结构科学合理，安装拆卸较方便，精致小巧，占重小；海底钻机寻址着底装置中高度计采用高精度的测量声呐，具有高精度，适用水深广；海底钻机寻址着底装置中采用液压马达驱动螺旋桨，驱动平稳，驱动速度快；大大增强海底钻机着底的稳定性。
(2)本发明的海底钻机寻址着底装置操作方法简单，寻址可靠，可大大增强海底钻机着底的稳定性，保证海底钻机在水下进行稳定工作。
附图说明
图1是海底钻机工作示意图。
图2是海底钻机下放时机械腿状态示意图。
图3是已着底的海底钻机机架和寻址着底装置结构示意图。
图4是海底钻机寻址着底装置高度计安装角度结构示意图。
图5是本发明的高度计示意图。
图6是本发明运动调整系统中水下推进器示意图。
图7是本发明的液压系统原理图。
图8是单片机AT89S51接线示意图。
图9是本发明工作流程示意图。
附图标记
图1至图9中，图中1.海底钻机；2.铠装脐带缆；3.科考船；4.甲板控制和供电系统；5.铠装脐带缆绞车；6.海底钻机机架；7.支腿油缸缸筒；8.支腿油缸活塞杆；9.支腿臂横梁；10.万向节；11.机械腿板；12.高度计；13.水下推进器；14.控制系统；15.液压系统；16.换能器；17.水密机身；18.连接器端盖；19.水密连接头；20.螺旋桨；21.液压马达；22.补偿器；23.油箱；24.浸油电机；25.过滤器A；26.液压泵；27.单向阀；28.过滤器B；29.溢流阀；30.J型三位四通比例换向阀A；31.J型三位四通比例换向阀B；32.J型三位四通比例换向阀C；33.J型三位四通比例换向阀D；34.J型三位四通比例换向阀E；35.J型三位四通比例换向阀F；36.双向调速阀A；37.双向调速阀B；38.双向调速阀C；39.液压锁A；40.液压锁B；41.液压锁C；42.液压马达A；43.液压马达B；44.液压马达C；45.支腿油缸A；46.支腿油缸B；47.支腿油缸C；48.过滤器C；49.支腿臂；50.机架臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示，海底钻机工作设备是由海底钻机1、铠装脐带缆2、科考船3、甲板控制和供电系统4、铠装脐带缆绞车5组成；甲板控制和供电系统4和铠装脐带缆绞车5均设置在科考船3上；铠装脐带缆2包括铠装层、绝缘层、供电单元和光纤单元，起供电、通信的作用，甲板控制和供电系统4通过铠装脐带缆2为海底钻机1进行通信控制和提供电力；海底钻机1的下放是依靠铠装脐带缆2和铠装脐带缆绞车5联合作用进行的；其中本发明中高度计测距系统中RS485B信号处理模块、计时器均设置在科考船3上的甲板控制和供电系统4中。
海底钻机1在下放时海底钻机机架6和机械腿状态如图2所示，为更好说明各器件安装的位置，各器件的安装位置如图3所示，图3是已经着底的海底钻机机架6和寻址着底装置结构示意图，海底钻机1是依靠海底钻机机架6和机械腿进行着底，机械腿通过机架臂与海底钻机机架连接，而机械腿是由支腿油缸缸筒7、支腿油缸活塞杆8、支腿臂、支腿臂横梁9、万向节10、机械腿板11构成，其中支腿油缸缸筒7、支腿油缸活塞杆8构成支腿油缸(支腿油缸A45、支腿油缸B46、支腿油缸C47)，支腿油缸、支腿臂和机械腿板通过万向节活动连接，控制系统14、液压系统15均设置在海底钻机机架6的底架上，本发明运动调整系统中单片机AT89S51则设置于控制系统14中，用来控制液压系统15驱动水下推进器13，调整海底钻机1的着底位置；寻址是依靠高度计12，三个高度计12分别倾斜安装固定在海底钻机机架6与支腿油缸活塞杆7相连的三个机架臂的侧面，如图4所示，倾斜安装的角度为高度计12与竖直方向夹角θ，高度计12与竖直方向夹角θ是根据机械腿伸长量在横向方向的投影和海底钻机离海底表面的高度决定，高度计12与竖直方向夹角θ为机械腿伸长量在横向方向的投影与海底钻机下放到距离海底表面一定高度的反正切值；如图3所示，海底钻机调整运动则需要依靠水下推进器13，三个水下推进器13均设置于海底钻机机架6上与支腿油缸活塞杆7相连的机架臂一侧。
如图5所示，高度计是由换能器16、水密机身17、连接器端盖18、水密连接头19组成；其中水密机身14中设置有放大电路、带通滤波模块、A/D转换器；水密连接头16有四个插口，分别是接地端、信号输出/RS232 Tx/RS485A、信号返回(与0V共用)/RS232 Rx/RS485B、电源端；如图6所示，水下推进器13是包括螺旋桨20和液压马达21(液压系统15中液压马达A42、液压马达B43、液压马达C44与此处液压马达21是一个部件)；上述的海底钻机寻址着底装置中，螺旋桨装置于液压马达上面，由单片机AT89S51通过液压系统15驱动液压马达21主轴旋转带动螺旋桨20旋转，实现控制液压马达21驱动螺旋桨20，调整海底钻机机械腿的位置。单片机AT89S51通过控制液压系统15驱动三个液压马达使三个水下推进器13工作，进行位置的调节，单片机AT89S51接线如图7所示，经过RS485B信号处理模块进行运算处理后，得到三条机械腿距离距海底的理论高度分别为数据A、数据B、数据C，通过铠装脐带缆2中光纤单元输入到单片机AT89S51中，其输入的引脚分别是P1.0、P1.1、P1.2，然后通过单片机内部逻辑运算，对P2.3、P2.4、P2.5输出响应，P2.3、P2.4、P2.5分别对应数据A对应机械腿旁边的液压马达21(液压马达A42)、数据B对应机械腿一侧的液压马达21(液压马达B43)、数据C对应机械腿一侧的液压马达21(液压马达C44)。
如图8所示，液压系统15包括补偿器22、油箱23、浸油电机24、、过滤器A、过滤器B、过滤器C、液压泵26、单向阀27、溢流阀29、J型三位四通比例换向阀A30、J型三位四通比例换向阀B31、J型三位四通比例换向阀C32、J型三位四通比例换向阀D33、J型三位四通比例换向阀E34、J型三位四通比例换向阀F35、双向调速阀A36、双向调速阀B37、双向调速阀C38、液压锁A39、液压锁B40和液压锁C41；补偿器22与油箱23相连接，浸油电机24放置于油箱23并与液压泵26相连接，为液压泵26提供动力，液压泵26下端又与过滤器A25相连接，液压泵26上端又单向阀27相连接，单向阀27又与过滤器B28连接，溢流阀29并连在进油管和出油管之间，也就是一端连接在过滤器B28，一端连接在过滤器C48，过滤器B28连接溢流阀29，同时过滤器B28分别与J型三位四通比例换向阀A30、J型三位四通比例换向阀B31、J型三位四通比例换向阀C32、J型三位四通比例换向阀D33、J型三位四通比例换向阀E34和J型三位四通比例换向阀F35相连接，构成进油管；过滤器C48也分别与J型三位四通比例换向阀A30、J型三位四通比例换向阀B31、J型三位四通比例换向阀C32、J型三位四通比例换向阀D33、J型三位四通比例换向阀E34和J型三位四通比例换向阀F35相连接，构成出油管；而J型三位四通比例换向阀A30直接与液压马达A42串接，同样的J型三位四通比例换向阀B31直接与液压马达B43串接，J型三位四通比例换向阀C32直接与液压马达C44串接，液压马达A42、液压马达B43和液压马达C44的溢流口串接到油箱23，J型三位四通比例换向阀D33与液压锁A36连接后与支腿油缸A45连接，同样的J型三位四通比例换向阀E34与液压锁B40、支腿油缸B46串接，J型三位四通比例换向阀F35与液压锁C41、支腿油缸C47串接；补偿器22为液压系统15提供压力补偿，防止因为水压过大，损坏系统组件，每个支腿油缸、液压马达分别由一个J型三位四通比例换向阀控制，能够实现每一个支腿油缸、液压马达各自运行互不干扰。
本发明提供了一种基于所述的海底钻机寻址着底装置的使用方法，如图9所示，包括如下步骤：
步骤一、下放海底钻机之前，先假定海底钻机的海底钻机机架下放到距离海底表面10米时打开海底钻机寻址着底装置。然后，根据机械腿伸长量在横向方向的投影与海底钻机下放到距离海底表面10米高度的反正切值，求得高度计与竖直方向夹角θ，然后将高度计倾斜安装在机架臂一侧，倾斜安装的角度为高度计与竖直方向夹角θ；
步骤二、下放海底钻机，当海底钻机机架距离海底10-12米时，暂停下放，开启海底钻机寻址着底装置，海底钻机寻址着底装置上的高度计中的换能器发射超声波，同时开启计时器，超声波在碰到海底表面后发生反射，反射的回波被换能器捕捉，同时暂停计时器，计时器记录该超声波从发射到被捕捉过程所用的时间，高度计对接收到的回波进行处理，并转变为数字信号传输至信号处理模块；
步骤三、利用信号处理模块进行运算处理，得出三个机械腿距离海底的理论高度数据，并将三个机械腿的理论高度数据传入单片机中，单片机将该数据按ABC进行大小排序，最大数据为数据A，次之数据为数据B，最小数据为数据C。
步骤四、将数据A与数据C进行对比，若数据A比数据C超过1m，单片机将给出现最大数据的机械腿旁边的水下推进器一个高电压，驱动液压马达旋转调整机械腿的位置，并重复步骤二；若数据A比数据C不超过1m，单片机将数据B与最小数据C进行对比，若数据B比数据C超过0.1m，单片机将给出现最大数据的机械腿旁边的水下推进器一个高电压，驱动液压马达旋转调整机械腿的位置，并重复步骤二；若数据B比数据C不超过0.1m，关闭寻址着底装置，展开机械腿，进行海底钻机的着底，完成寻址着底。
下面对各步骤进行详细说明：
步骤一、下放海底钻机1之前，先假定海底钻机1的海底钻机机架6下放到距离海底表面10米时打开海底钻机寻址着底装置。然后，根据机械腿伸长量在横向方向的投影与海底钻机1下放到距离海底表面10米高度的反正切值，求得高度计与竖直方向夹角θ，然后进行三个高度计12的安装，三个高度计12分别倾斜安装固定在海底钻机机架6与支腿油缸活塞杆7相连的三个机架臂，如图4所示，倾斜安装的角度为高度计12与竖直方向夹角θ；启动科考船3上的铠装脐带缆绞车5下放海底钻机1，甲板控制和供电系统4通过铠装脐带缆2为海底钻机1提供电力和进行通信，当海底钻机机架6距离海底10-12米，暂停铠装脐带缆绞车5，开启海底钻机寻址着底装置；
步骤二、海底钻机寻址着底装置上的三个高度计12的换能器13发射超声波，同时启动位于甲板控制和供电系统4中的计时器，超声波在海水中传播碰到海底表面后会发生反射，反射的回波被换能器13捕捉到，与此同时计时器记录该超声波从发射到被捕捉过程所用时间，到达换能器13的回波中包含了水下地形的起伏状况等信息，然后利用高度计12中放大电路、带通滤波模块和A/D转换器对回波进行放大、过滤无用波处理、转变为数字信号(回波信号)，通过铠装脐带缆2的光纤单元将该数字信号传输至甲板控制和供电系统4中的RS485B信号处理模块；
步骤三、甲板控制和供电系统4中的RS485B信号处理模块检测到通过铠装脐带缆2的光纤单元传输上来的数字信号后，结合计时器记录该超声波从发射到被捕捉过程所用时间，以及声波在水中的传播速度，计算出反射点到换能器的距离信息，分别得出三条机械腿距离海底表面的理论高度，再通过铠装脐带缆2的光纤单元将三条机械腿距离海底表面的理论高度数据输入到控制系统14中的单片机AT89S51中；单片机AT89S51先将三条机械腿距海底表面的理论高度数据进行大小对比排序，假设三条机械腿距海底表面的理论高度数据中最大数据为数据A，次之为数据B，最小数据为数据C，先将数据A与数据C相减取绝对值，判断是否大于1000mm；如果大于，单片机AT89S51会在出现数据A的机械腿对应的引脚输出一个5V高电压到液压系统15，驱动对应数据A的J型三位四通比例换向阀A30的阀芯运动，驱动液压马达21使水下推进器13运行，以低速挡调整三个机械腿的位置，再次重复步骤二，直至满足数据A与数据C相减取绝对值小于10m；
步骤四、如果数据A与数据C相减取绝对值小于1m，单片机AT89S51执行下一步，将数据B与数据C相减取绝对值，判断是否大于0.1m，如果大于，单片机AT89S51会在出现数据B的机械腿对应的引脚输出一个5V高电压到液压系统15，驱动对应数据B的J型三位四通比例换向阀B43的阀芯运动，驱动液压马达21使水下推进器13运行，以低速挡调整三个机械腿的位置再次重复(2)中步骤，直至满足数据B与最小数据C相减取绝对值小于0.1m。
数据A与数据C相减取绝对值要小于1m是防止海底表面起伏太大，导致海底钻机1着底发生侧翻；数据B与数据C相减取绝对值要小于0.1m，能保证代表数据B的机械腿和代表数据C的机械腿处于近似在一个高度的海底表面上，避免了受力部件只有一条机械腿，而发生受力不稳定，导致海底钻机1着底发生侧翻或者海底钻机1工作时发生侧翻，造成海底钻机1发生损坏；当所有条件都满足，单片机AT89S51输出端都为0V低电压，关闭寻址着底装置，控制铠装脐带缆绞5缓慢释放铠装脐带缆2，使海底钻机1下放着底，再由海底钻机1中已有的设备通过向输入3组电流，分别驱动液压系统15中J型三位四通比例换向阀D33、J型三位四通比例换向阀E34、J型三位四通比例换向阀F35控制支腿油缸A45、支腿油缸B46、支腿油缸C47，展开机械腿进行海底钻机1调平，海底钻机1调平后，3个液压锁锁死，完成海底钻机1的寻址着底。
