轉動型海洋地震拖纜位置控制器的製作方法
2023-05-10 19:33:16
專利名稱：轉動型海洋地震拖纜位置控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種海洋地震拖纜位置控制裝置，尤其是一種應用在海洋地震拖纜中
部的轉動型海洋地震拖纜位置控制器，屬於海洋地震勘探技術領域。
背景技術：
海洋地震勘探系統通常由海洋地震勘探船、地震源、海洋地震拖纜和拖纜位置控 制裝置組成。海洋地震勘探船通常為一艘或數艘水面船舶。地震源通常為氣槍或陣列氣槍。 海洋地震拖纜，通常為一根或數根長約數千米的水下電纜，其內部安裝有水聽器陣列，用於 接收地震反射波。拖纜位置控制裝置用於控制海洋地震拖纜的位置，按照安裝位置，其可以 劃分為纜首導向器、拖纜位置控制器和纜尾浮標，分別用於對拖纜首部、中部和尾部的位置 控制。 在海洋地震勘探過程中，地震源和海洋地震拖纜由海洋地震勘探船拖曳，以3-5 節的航速航行。地震源以一定時間間隔發射，產生的地震波通過海水傳播至海底地質構造 中，在兩種地層的分界面上發生反射，地震反射波由安裝在拖纜中的水聽器陣列接收，形成 地震數據。將上述地震數據連同拖纜的位置數據輸入海洋地震數據解釋系統中，便可以得 到目標海域的海底地質構造。 海洋地震拖纜的中部通常處於水下航行狀態，為控制拖纜中部的位置，通常在拖 纜中部以一定間隔安裝拖纜位置控制器。拖纜位置控制器上通常安裝有水翼。當拖纜位置 控制器相對水流運動時，水翼能夠產生一個垂直於其翼面的升力。拖纜位置控制器通過控 制上述升力的大小、方向實現對拖纜中部位置的控制。 已有技術中，專利號為6016286的美國專利公開了一種拖纜位置控制器。該拖纜 位置控制器通過連接器固定安裝在拖纜的外部，以一臺電動機按照指令驅動對稱安裝的兩 只水翼轉動，同步調整兩隻水翼的攻角，使其在垂直方向上產生所需的升力，從而實現對拖
纜中部垂直位置的控制。但該拖纜位置控制器僅能實現對拖纜中部垂直位置的控制，而不 能實現對拖纜中部水平位置的控制。而且，安裝在拖纜外部的拖纜位置控制器會產生較大 的水流流動噪聲，幹擾臨近的水聽器陣列；安裝在拖纜外部的拖纜位置控制器由電池供電， 需要定期更換電池。 專利號為7092315B2的美國專利公開了一種拖纜位置控制器。該拖纜位置控制 器通過連接器固定安裝在拖纜的外部，以一臺電動機按照指令驅動對稱安裝的兩隻水翼轉 動，同步調整兩隻水翼的攻角，使其在水平方向上產生所需的升力，從而實現對拖纜中部水 平位置的控制。但該拖纜位置控制器僅能實現對拖纜中部水平位置的控制，而不能實現對 拖纜中部垂直位置的控制。而且，安裝在拖纜外部的拖纜位置控制器會產生較大的水流流 動噪聲，幹擾臨近的水聽器陣列；安裝在拖纜外部的拖纜位置控制器由電池供電，需要定期 更換電池。 專利號為7162967B2的美國專利公開了一種拖纜位置控制器。該拖纜位置控制器 通過連接器同軸、等直徑地嵌裝在拖纜中，以兩臺電動機按照指令驅動對稱安裝的兩隻水翼轉動，分別調整兩隻水翼的攻角，使兩隻水翼產生相等或不等的所需升力。該拖纜位置控 制器的特徵在於利用由兩隻水翼的升力差產生的轉動力矩驅動拖纜位置控制器及其首、尾 端附近的拖纜繞其軸線轉動。當該拖纜位置控制器轉動至所需角度時，分別調整兩隻水翼 的攻角，使其攻角相同並產生所需升力。將上述升力向垂直、水平方向分解，便可以產生垂 直、水平方向的所需升力，從而實現對拖纜中部垂直、水平位置的控制。而且，嵌裝在拖纜中 的拖纜位置控制器可以有效降低水流流動噪聲；嵌裝在拖纜中的拖纜位置控制器由拖纜供 電，無需定期更換電池。但是，該專利所述的拖纜位置控制器是利用兩隻水翼的升力差產生 的轉動力矩驅動其轉動，導致拖纜位置控制複雜度高、精度低。
發明內容
為了克服已有技術的不足和缺陷，本發明提供了一種應用在海洋地震拖纜中部的 轉動型拖纜位置控制器。 本發明是通過下述技術方案實現的。本發明包括本體、轉動體、水翼、控制模塊、測 量模塊、通訊模塊、電源模塊、轉動驅動模塊、水翼驅動模塊、轉動傳動機構、水翼傳動機構、 本體電纜水密接頭、轉動體電纜水密接頭和連接電纜。本體嵌裝在拖纜中。本體是由工程塑 料或合金材料製成的圓柱形殼體。本體包括本體前部、本體中部和本體後部。本體前部的 直徑與拖纜直徑相等，並與前段拖纜固定、水密連接。來自前段拖纜中的數據電纜、供電電 纜通過水密連接面進入本體中，以傳輸指令、數據，供電。控制模塊、測量模塊、通訊模塊和 電源模塊均安裝在本體前部內。本體後部的直徑與拖纜直徑相等，並與後段拖纜固定、水密 連接。來自本體中的數據電纜、供電電纜通過水密連接面進入後段拖纜中。本體後部內安 裝有配重，用以調節拖纜位置控制器的重心位置。本體中部的直徑小於拖纜直徑。轉動體 安裝在本體中部的外側。轉動體由工程塑料或合金材料製成。轉動體的上部為實體結構， 下部為殼體結構。轉動驅動模塊和水翼驅動模塊分別安裝在轉動體下部殼體中的兩個水密 封裝體內。水翼安裝在轉動體的外側。轉動傳動機構，包括轉動傳動機構傳動軸、兩隻軸 承、轉動中心齒輪和轉動行星齒輪。轉動傳動機構傳動軸的一端與轉動驅動模塊的輸出軸 軸連，另一端固定安裝有轉動行星齒輪。兩隻軸承和轉動中心齒輪安裝在本體中部的外側。 轉動中心齒輪和轉動行星齒輪通過轉動體下部的嚙合孔嚙合。水翼傳動機構包括水翼傳動 機構傳動軸、水翼軸、絲槓螺母、絲槓螺母傳動軸和連杆。水翼傳動機構傳動軸的一端與水 翼驅動模塊的輸出軸軸連，另一端表面有螺紋，安裝有絲槓螺母。絲槓螺母與絲槓螺母傳動 軸固接。連杆的一端與水翼軸固接，另一端有連杆孔。絲槓螺母傳動軸穿過連杆孔，在連杆 孔內移動。水翼軸由水翼軸承支撐，連杆和水翼軸同時轉動。轉動體是通過兩隻軸承和轉 動中心齒輪安裝在本體中部外側的。水翼是通過水翼軸安裝在轉動體外側的。本體電纜水 密接頭安裝在本體前部的後端面上，轉動體電纜水密接頭安裝在轉動體的前端面上。連接 電纜位於本體電纜水密接頭和轉動體電纜水密接頭之間。 轉動驅動模塊包括轉動電動機驅動器、轉動電動機、減速裝置和位置指示器。轉動 電動機轉動時，轉動驅動模塊的輸出軸將轉動傳遞給轉動傳動機構傳動軸，轉動傳動機構 傳動軸帶動固定安裝在其上的轉動行星齒輪自轉，同時繞轉動中心齒輪公轉，進而導致轉 動體繞本體轉動。水翼驅動模塊包括水翼電動機驅動器、水翼電動機、減速裝置和位置指示 器。當水翼電動機轉動時，水翼驅動模塊的輸出軸將轉動傳遞給水翼傳動機構傳動軸，水翼傳動機構傳動軸轉動使絲槓螺母在水翼傳動機構傳動軸上前後移動，使絲槓螺母傳動軸在 連杆孔內移動，並向連杆施加力，帶動連杆、水翼軸同時轉動，進而導致水翼繞水翼軸轉動。
從安裝在本體中的控制模塊和電源模塊中弓I出的數據電纜和供電電纜通過本體 電纜水密接頭和轉動體電纜水密接頭進入轉動體中，以傳輸指令、數據，供電。在本體電纜 水密接頭和轉動體電纜水密接頭之間的連接電纜預留冗餘長度，以保證連接電纜在轉動體 轉至最大角度時仍處於鬆弛狀態。連接電纜採用防水、耐腐蝕電纜。 海水會通過轉動行星齒輪和轉動中心齒輪在轉動體下部的嚙合孔進入轉動體內， 使轉動體內電纜、轉動傳動機構和水翼傳動機構浸水，故採用防水、耐腐蝕電纜，轉動傳動 機構和水翼傳動機構也由防水、耐腐蝕的材料製成。 本發明拖纜位置控制器使用轉動驅動模塊驅動轉動體繞本體轉動；使用水翼驅動 模塊同時驅動兩隻水翼繞水翼軸轉動。轉動體繞本體轉動，導致安裝在轉動體上的水翼隨 轉動體相對本體轉動，從而改變水翼產生的升力的方向；水翼繞水翼軸轉動，導致水翼攻角 發生變化，從而改變水翼產生的升力的大小，以此實現對海洋地震拖纜中部垂直、水平位置 的控制。 本發明拖纜位置控制器與海洋地震勘探船船載系統配合工作。拖纜位置控制器的
理想位置由船載系統計算得出，並發至拖纜位置控制器中。拖纜位置控制器的實際位置由
拖纜位置控制器的測量模塊測得。當拖纜位置控制器及附近拖纜受到擾動偏離理想位置
時，拖纜位置控制器的控制模塊建立由實際位置指向理想位置的直線恢復路徑，並控制轉
動驅動模塊驅動轉動體轉至所需角度，使水翼產生的升力沿該恢復路徑方向，同時根據理
想位置和實際位置的偏差值，使用PID策略控制水翼驅動模塊調整水翼的攻角，以調整水
翼產生的升力的大小，以此推動拖纜位置控制器及附近拖纜恢復到理想位置。
本發明的有益效果為本發明實現了對拖纜中部垂直、水平位置的控制；通過採
用嵌入拖纜中的安裝方式，降低了水流流動噪聲，減少了對臨近水聽器陣列的幹擾；通過採
用拖纜供電的供電方式，降低了製造和使用成本；通過採用直接方式控制水翼產生的升力
的方向、大小，有效地提高了拖纜位置控制的精度，同時顯著地降低了拖纜位置控制的複雜度。
圖1是本發明拖纜位置控制器的結構示意圖； 圖2是本發明拖纜位置控制器本體的結構示意圖； 圖3是本發明拖纜位置控制器轉動體的結構示意圖； 圖4A是本發明拖纜位置控制器水翼傳動機構結構的主視示意圖。 圖4B是本發明拖纜位置控制器水翼傳動機構結構的側視示意圖。 圖中1是拖纜，2是本體，3是轉動體，4是水翼，5是本體前部，6是本體中部，7是
本體後部，8是軸承，9是轉動中心齒輪，10是轉動驅動模塊，11是轉動傳動機構傳動軸，12
是轉動行星齒輪，13是絲槓螺母，14是水翼傳動機構傳動軸，15是水翼驅動模塊，16是轉動
體電纜水密接頭，17是本體電纜水密接頭，18是連接電纜，19是水翼軸，20是連杆，21是絲
槓螺母傳動軸，22是連杆孔。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步描述。 如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明包括本體2、轉動體3、水翼4、控制模塊、測量 模塊、通訊模塊、電源模塊、轉動驅動模塊10、水翼驅動模塊15、轉動傳動機構、水翼傳動機 構、本體電纜水密接頭17、轉動體電纜水密接頭16和連接電纜18。本體2嵌裝在拖纜1中。 本體2是由工程塑料或合金材料製成的圓柱形殼體。本體2包括本體前部5、本體中部6和 本體後部7。本體前部5的直徑與拖纜1的直徑相等，並與前段拖纜固定、水密連接。來自 前段拖纜中的數據電纜、供電電纜通過水密連接面進入本體2中，以傳輸指令、數據，供電。 控制模塊、測量模塊、通訊模塊和電源模塊均安裝在本體前部5內。本體後部7的直徑與拖 纜1的直徑相等，並與後段拖纜固定、水密連接。來自本體2中的數據電纜、供電電纜通過 水密連接面進入後段拖纜中。本體後部7內安裝有配重，用以調節拖纜位置控制器的重心 位置。本體中部6的直徑小於拖纜1的直徑。轉動體3安裝在本體中部6的外側。轉動體 3由工程塑料或合金材料製成。轉動體3的上部為實體結構，下部為殼體結構。轉動驅動模 塊10和水翼驅動模塊15分別安裝在轉動體3下部殼體中的兩個水密封裝體內。水翼4安 裝在轉動體3的外側。轉動傳動機構，包括轉動傳動機構傳動軸11、兩隻軸承8、轉動中心 齒輪9和轉動行星齒輪12。轉動傳動機構傳動軸11的一端與轉動驅動模塊10的輸出軸軸 連，另一端固定安裝有轉動行星齒輪12。兩隻軸承8和轉動中心齒輪9安裝在本體中部6 的外側。轉動中心齒輪9和轉動行星齒輪12通過轉動體3下部的嚙合孔嚙合。水翼傳動 機構包括水翼傳動機構傳動軸14、水翼軸19、絲槓螺母13、絲槓螺母傳動軸21和連杆20。 水翼傳動機構傳動軸14的一端與水翼驅動模塊15的輸出軸軸連，另一端表面有螺紋，安裝 有絲槓螺母13。絲槓螺母13與絲槓螺母傳動軸21固接。連杆20的一端與水翼軸19固 接，另一端有連杆孔22。絲槓螺母傳動軸21穿過連杆孔22，在連杆孔22內移動。水翼軸 19由水翼軸承支撐，連杆20和水翼軸19同時轉動。轉動體3是通過兩隻軸承8和轉動中 心齒輪9安裝在本體中部6外側的。水翼4是通過水翼軸19安裝在轉動體3外側的。本 體電纜水密接頭16安裝在本體前部5的後端面上，轉動體電纜水密接頭17安裝在轉動體 3的前端面上。連接電纜18位於本體電纜水密接頭16和轉動體電纜水密接頭17之間。
轉動驅動模塊10包括轉動電動機驅動器、轉動電動機、減速裝置和位置指示器。 轉動電動機轉動時，轉動驅動模塊10的輸出軸將轉動傳遞給轉動傳動機構傳動軸ll，轉動 傳動機構傳動軸11帶動固定安裝在其上的轉動行星齒輪12自轉，同時繞轉動中心齒輪9 公轉，進而導致轉動體3繞本體2轉動。水翼驅動模塊1 5包括水翼電動機驅動器、水翼電 動機、減速裝置和位置指示器。當水翼電動機轉動時，水翼驅動模塊15的輸出軸將轉動傳 遞給水翼傳動機構傳動軸14，水翼傳動機構傳動軸14轉動使絲槓螺母13在水翼傳動機構 傳動軸14上前後移動，使絲槓螺母傳動軸21在連杆孔22內移動，並向連杆20施加力，帶 動連杆20、水翼軸19同時轉動，進而導致水翼4繞水翼軸14轉動。 從安裝在本體2中的控制模塊和電源模塊中引出的數據電纜和供電電纜通過本 體電纜水密接頭17和轉動體電纜水密接頭16進入轉動體3中，以傳輸指令、數據，供電。在 本體電纜水密接頭17和轉動體電纜水密接頭16之間的連接電纜18預留冗餘長度，以保證 連接電纜18在轉動體3轉至最大角度時仍處於鬆弛狀態。連接電纜18採用防水、耐腐蝕 電纜。
海水會通過轉動行星齒輪12和轉動中心齒輪9在轉動體3下部的嚙合孔進入轉 動體3內，使轉動體3內電纜、轉動傳動機構和水翼傳動機構浸水，故採用防水、耐腐蝕電 纜，轉動傳動機構和水翼傳動機構也由防水、耐腐蝕的材料製成。 本發明拖纜位置控制器使用轉動驅動模塊10驅動轉動體3繞本體2轉動；使用水 翼驅動模塊15同時驅動兩隻水翼4繞水翼軸19轉動。轉動體3繞本體2轉動，導致安裝 在轉動體3上的水翼4隨轉動體3相對本體2轉動，從而改變水翼4產生的升力的方向；水 翼4繞水翼軸19轉動，導致水翼4攻角發生變化，從而改變水翼4產生的升力的大小，以此 實現對海洋地震拖纜中部垂直、水平位置的控制。 本發明拖纜位置控制器與海洋地震勘探船船載系統配合工作。拖纜位置控制器的 理想位置由船載系統計算得出，並發至拖纜位置控制器中。拖纜位置控制器的實際位置由 拖纜位置控制器的測量模塊測得。當拖纜位置控制器及附近拖纜受到擾動偏離理想位置 時，拖纜位置控制器的控制模塊建立由實際位置指向理想位置的直線恢復路徑，並控制轉 動驅動模塊10驅動轉動體3轉至所需角度，使水翼產生的升力沿該恢復路徑方向，同時根 據理想位置和實際位置的偏差值，使用PID策略控制水翼驅動模塊15調整水翼4的攻角， 以調整水翼4產生的升力的大小，以此推動拖纜位置控制器及附近拖纜恢復到理想位置。
權利要求
一種轉動型海洋地震拖纜位置控制器，包括本體(2)、轉動體(3)、水翼(4)、控制模塊、測量模塊、通訊模塊、電源模塊、轉動驅動模塊(10)、水翼驅動模塊(15)、轉動傳動機構、水翼傳動機構、本體電纜水密接頭(17)、轉動體電纜水密接頭(16)和連接電纜(18)其特徵在於本體(2)嵌裝在拖纜(1)中，本體(2)包括本體前部(5)、本體中部(6)和本體後部(7)，本體前部(5)和本體後部(7)的直徑均與拖纜(1)直徑相等，並均與拖纜(1)固定、水密連接；控制模塊、測量模塊、通訊模塊和電源模塊均安裝在本體前部(5)內，本體後部(7)內安裝有配重；本體中部(6)的直徑小於拖纜直徑；轉動體(3)安裝在本體中部(6)的外側，轉動體(3)的上部為實體結構，下部為殼體結構；轉動驅動模塊(10)和水翼驅動模塊(15)分別安裝在轉動體(3)下部殼體中的兩個水密封裝體內；水翼(4)安裝在轉動體(3)的外側；轉動傳動機構，包括轉動傳動機構傳動軸(11)、兩隻軸承(8)、轉動中心齒輪(9)和轉動行星齒輪(12)，轉動傳動機構傳動軸(11)的一端與轉動驅動模塊(10)的輸出軸軸連，另一端固定安裝有轉動行星齒輪(12)，兩隻軸承(8)和轉動中心齒輪(9)安裝在本體中部(6)的外側，轉動中心齒輪(9)和轉動行星齒輪(12)通過轉動體下部的嚙合孔嚙合；水翼傳動機構包括水翼傳動機構傳動軸(14)、水翼軸(19)、絲槓螺母(13)、絲槓螺母傳動軸(21)和連杆(20)，水翼傳動機構傳動軸(14)的一端與水翼驅動模塊(15)的輸出軸軸連，另一端表面有螺紋，安裝有絲槓螺母(13)，絲槓螺母(13)與絲槓螺母傳動軸(21)固接，連杆(20)的一端與水翼軸(19)固接，另一端有連杆孔(22)，絲槓螺母傳動軸(21)穿過連杆孔(22)，在連杆孔(22)內移動，水翼軸(19)由水翼軸承支撐，連杆(20)和水翼軸(19)同時轉動；轉動體(3)是通過兩隻軸承(8)和轉動中心齒輪(9)安裝在本體中部(6)外側的；水翼(4)是通過水翼軸(19)安裝在轉動體(3)外側的；本體電纜水密接頭(17)安裝在本體前部(5)的後端面上，轉動體電纜水密接頭(16)安裝在轉動體(3)的前端面上；連接電纜(18)位於本體電纜水密接頭(17)和轉動體電纜水密接頭(16)之間。
2. 根據權利要求1所述的轉動型海洋地震拖纜位置控制器，其特徵是所述的轉動驅 動模塊(10)包括轉動電動機驅動器、轉動電動機、減速裝置和位置指示器；水翼驅動模塊 (15)包括水翼電動機驅動器、水翼電動機、減速裝置和位置指示器。
3. 根據權利要求1所述的轉動型海洋地震拖纜位置控制器，其特徵是所述的連接電纜 (18)採用防水、耐腐蝕電纜，並預留冗餘長度。
4. 根據權利要求l所述的轉動型海洋地震拖纜位置控制器，其特徵是所述的本體(2) 是由工程塑料或合金材料製成的圓柱形殼體，轉動體(3)也是由工程塑料或合金材料制 成。
5. 根據權利要求1所述的轉動型海洋地震拖纜位置控制器，其特徵是所述的安裝在轉 動體(3)內的電纜採用防水、耐腐蝕電纜，轉動傳動機構和水翼傳動機構由防水、耐腐蝕的 材料製成。
全文摘要
一種轉動型海洋地震拖纜位置控制器，屬於海洋地震勘探技術領域，包括本體、轉動體、水翼、控制模塊、測量模塊、通訊模塊、電源模塊、轉動驅動模塊、水翼驅動模塊、轉動傳動機構、水翼傳動機構、本體電纜水密接頭、轉動體電纜水密接頭和連接電纜。該拖纜位置控制器使用轉動驅動模塊驅動轉動體繞本體轉動，導致水翼隨轉動體相對本體轉動，改變水翼產生的升力的方向；使用水翼驅動模塊同時驅動兩隻水翼繞水翼軸轉動，導致水翼攻角發生變化，改變水翼產生的升力的大小，以此實現對海洋地震拖纜中部垂直、水平位置的控制。該發明結構緊湊、製造成本低，能有效提高拖纜位置控制的精度，顯著降低拖纜位置控制的複雜度。
文檔編號G01V1/38GK101726756SQ20091031203
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者張小卿, 張維競, 李 根, 段磊, 陳峻 申請人:上海交通大學