海底地震儀水下投放裝置的設(shè)計

張志剛，伍人暾，曾憲軍

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760）

海底地震儀水下投放裝置的設(shè)計

張志剛，伍人暾，曾憲軍

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760）

針對聯(lián)合采集觀測系統(tǒng)設(shè)計中對OBS精確布陣的要求，設(shè)計并制作了OBS水下投放裝置。該裝置通過機械運動機構(gòu)和聲學(xué)釋放器的有機結(jié)合，并借助船載絞車的牽引和水下定位系統(tǒng)的引導(dǎo)，實現(xiàn)了在接近海底區(qū)域準(zhǔn)確投放OBS的目的，投放精度達到20 m以內(nèi)，成功率為95%。海上試驗結(jié)果表明：該裝置設(shè)計合理，工作可靠、安全，操作簡便。水下投放裝置在OBS布陣中的應(yīng)用，為OBS陣列數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的提高提供了必要的條件。

海底地震儀；投放裝置；原理；設(shè)計

海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer簡稱 OBS）是放置在海底的地震測量系統(tǒng)，用于海洋人工地震和天然地震的觀測。OBS一般以陣列的形式布設(shè)在海底的調(diào)查目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，陣列的形態(tài)與OBS彼此的間距是通過相關(guān)的理論方法并結(jié)合國內(nèi)外先進技術(shù)和野外采集條件而確定出來的，是聯(lián)合采集觀測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。因此，在野外施工中對OBS的定點投放顯得尤為重要，投放的位置精度將直接影響到OBS陣列的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

OBS的投放分為水面投放和水下投放兩種方式。水面投放是在作業(yè)船的甲板上將OBS直接投入海中并靠其自身重力下沉至海底的一種方式。因投放點距離海底較遠(yuǎn)，又受到水深、流速、流向等的影響，OBS的實際著底點與預(yù)期位置存在較大偏差，對陣列的形態(tài)影響較大，降低了OBS數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。本文所指的水下投放是利用船載絞車將OBS和帶有水下定位單元的投放裝置用鋼纜牽引至海底約100 m高的位置上進行投放的一種方式（圖1）。這種方式其投放點距海底很近，水環(huán)境的影響相對較小，又因為采用水下定位技術(shù)尋找投放的位置和時機，因此它的投放精度較高，可以滿足聯(lián)合采集觀測系統(tǒng)設(shè)計的要求。

圖1 水下投放方式

本文以國家“863”計劃海洋技術(shù)領(lǐng)域科研課題“天然氣水合物礦體的三維地震與海底高頻地震聯(lián)合采集技術(shù)”研制的OBS水下投放裝置為例，介紹該設(shè)備的工作原理及相關(guān)設(shè)計。

1 投放裝置的工作原理

1.1 投放裝置的組成

投放裝置主要由聲學(xué)釋放器水下單元、聯(lián)動機構(gòu)、籠罩、沉耦架、水下定位單元及附屬部件等組成（圖2）。

圖2 投放裝置的組成

OBS先被固定在沉耦架上，再將它們安裝在呈四方框體的籠罩之內(nèi)?；\罩的上方是機械聯(lián)動機構(gòu)，聲學(xué)釋放器水下單元通過夾持器組件被固定在其上方。聲學(xué)釋放器水下單元上方是四角吊環(huán)，四角吊環(huán)的上耳環(huán)連接著牽引鋼絲繩，鋼絲繩上固定有水下定位單元。四角吊環(huán)的四個下耳環(huán)上連接有四條等長的鐵鏈，鐵鏈的另一頭與機械聯(lián)動機構(gòu)四個頂角上的耳環(huán)相連。當(dāng)牽引吊環(huán)上的鋼絲繩時，四條鐵鏈同時受力，就可以平衡地吊起和移動投放裝置。

1.2 聯(lián)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與調(diào)整

1.2.1 聯(lián)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

聯(lián)動機構(gòu)是投放裝置中最關(guān)鍵的運動機構(gòu)，主要由上層平臺、下層平臺、滑動塊、導(dǎo)向桿、杠桿、掛鉤等構(gòu)成（圖3）。

圖3 聯(lián)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

上層平臺的下平面上有四組耳環(huán)，呈十字形分布。每組由一長一短兩個耳環(huán)組成，長、短耳環(huán)分別通過絞鏈與掛鉤和杠桿相連。

滑動塊安裝在下層平臺的正中間，在導(dǎo)向桿的引導(dǎo)下，滑動塊可上下移動。

滑動塊的外側(cè)面上均勻分布四對耳環(huán)，分別通過絞鏈與四根杠桿相連?；瑒訅K上下移動時，可帶動杠桿做繞短耳環(huán)軸銷的轉(zhuǎn)動。滑動塊的頂部安裝有提環(huán)組件，通過調(diào)節(jié)其上的圓螺母，可使提環(huán)上下移動，達到與聲學(xué)釋放器鎖鉤緊密連接的作用。

1.2.2 聯(lián)動機構(gòu)的調(diào)整

在安裝OBS之前要進行聯(lián)動機構(gòu)的調(diào)整，調(diào)整的好壞關(guān)系到OBS投放的安全性和可靠性，這個環(huán)節(jié)十分重要。在完成調(diào)整程序后才能在投放裝置內(nèi)固定安裝OBS。調(diào)整步驟如下：

⑴將聲學(xué)釋放器水下單元通過夾持器組件和支架垂直固定在上層平臺的上方，并打開聲學(xué)釋放器鎖鉤。

⑵把滑動塊向上推至極限，讓滑動塊頂部的提環(huán)插入到聲學(xué)釋放器鎖鉤槽中，將釋放器鎖鉤穿過提環(huán)孔并使其鎖緊。

⑶調(diào)節(jié)提環(huán)組件的圓螺母，收緊聯(lián)動機構(gòu)運動副中的間隙，使聯(lián)動機構(gòu)被聲學(xué)釋放器水下單元的鎖鉤約束。此時掛鉤在杠桿作用下，掛鉤頭部呈向上傾斜20°，為可靠安裝OBS提供了牢固的鋼絲繩掛點。

⑷在滑動塊頂部安裝插銷式水壓傳感器，按投放水深減300 m的深度設(shè)定好拔銷壓力，防止投放裝置在沉放途中的誤釋放。

1.3 OBS的安裝

⑴用4根Φ2鋼絲繩和8個拉緊器把OBS的球形倉體與沉耦架緊固連在一起。

⑵將已裝上OBS的沉耦架放置在籠罩內(nèi)，使籠罩四根立柱下端的定位銷插入到沉耦架底部四個角上的定位孔中。

⑶分別將四根Φ3鋼絲繩一端掛在掛鉤上，另一端穿過沉耦架底部角上的U形環(huán)并通過小導(dǎo)輪連接到拉緊器上，通過調(diào)整拉緊器把鋼絲繩收緊，把沉耦架牢固懸掛在籠罩內(nèi)。

1.4 OBS的投放

船舶運動到OBS目標(biāo)站位后，利用船載絞車的牽引，將投放裝置沉入水中（圖4），在投放裝置向海底下放過程中，根據(jù)水下定位系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，船舶不斷修正投放裝置與站位的位置偏差，當(dāng)裝置下放至海底一定高度的投放點時，如果投放條件都已具備，船向聲學(xué)釋放器水下單元發(fā)出釋放指令，水下單元即刻解鎖，使聯(lián)動機構(gòu)失去約束，在OBS和沉耦架重力作用下，懸掛沉耦架的四根鋼絲繩同時從四個掛鉤中脫扣，OBS和沉耦架脫離投放裝置沉向海底。

圖4 投放裝置入水

2 投放裝置的設(shè)計

投放裝置是OBS水下投放的載體，最大工作水深4 000 m，受海水環(huán)境影響較大，投放裝置能否將OBS可靠投放，主要取決于投放裝置機械性能的優(yōu)劣。為此，對投放裝置提出以下部分設(shè)計要求：

⑴ 裝置運動機構(gòu)簡單、實用，工作可靠、維修容易、搬運輕便。

⑵裝置耐海水的腐蝕性好。

⑶具有一定的機械強度和剛性，以提高抗碰撞能力。

2.1 運動機構(gòu)設(shè)計

2.1.1 機構(gòu)的運動原理

投放裝置的運動機構(gòu)主要由以下組成（圖5）：

圖5 機構(gòu)運動簡圖

⑴聲學(xué)釋放器鎖扣機構(gòu)。

⑵滑動塊、導(dǎo)桿、杠桿、機架組成連桿機構(gòu)。

⑶掛鉤、鋼絲繩、U形環(huán)、導(dǎo)輪、拉緊器、機架組成沉耦架懸掛機構(gòu)。

鎖扣機構(gòu)的鎖鉤與連桿機構(gòu)的提環(huán)兩者之間的相互接觸，實現(xiàn)鎖扣機構(gòu)與連桿機構(gòu)的聯(lián)系；連桿機構(gòu)的杠桿與懸掛機構(gòu)的掛鉤兩者之間的相互接觸，實現(xiàn)連桿機構(gòu)與懸掛機構(gòu)的聯(lián)系。

當(dāng)聲學(xué)釋放器水下單元的鎖鉤與滑動塊的提環(huán)被相互鎖緊，OBS和沉耦架在投放裝置中也已懸掛固定。此時，在鎖扣機構(gòu)與OBS和沉耦架重力Q的共同作用下，各構(gòu)件保持著相對穩(wěn)定的被約束狀態(tài)，這種狀態(tài)一直保持到投放裝置到達預(yù)定的投放點。當(dāng)聲學(xué)釋放器水下單元收到釋放指令后，其鎖扣機構(gòu)的鎖舌開始向上運動，當(dāng)運動至脫離鎖鉤后，運動機構(gòu)失去約束，在OBS和沉耦架重力Q的作用下，各運動副按圖5各箭頭所示方向轉(zhuǎn)動或移動，其運動順序是：

鎖扣機構(gòu)的鎖舌向上移動→鎖鉤順時針轉(zhuǎn)動→滑動塊向下移動→杠桿順時針轉(zhuǎn)動→掛鉤逆時針轉(zhuǎn)動→四根懸掛沉耦架的鋼絲繩同時從掛鉤中脫出→OBS和沉耦架脫離籠罩靠自由落體向下運動。

2.1.2 機構(gòu)的受力分析

OBS海底布陣作業(yè)時，是若干個OBS連續(xù)投放的。因此，為了提高聲學(xué)釋放器水下單元的電池使用壽命和釋放的工作可靠性，鎖鉤的承載愈輕，儀器的功耗就愈低，出現(xiàn)故障的機率也愈低。因此，在運動機構(gòu)的設(shè)計中，將OBS和沉耦架的重力通過杠桿的減力傳遞后，使釋放器的鎖鉤受到較小的一個拉力作用。計算如下：

由式（1）和（2）得：

其中 （圖 5）：OA=24 mm，OB=30 mm，UB=113 mm，UC=150 mm。

又：OBS和沉耦架的重量Q=84 kg，每一個掛鉤拉力F1=Q ／4=21 kg。

將上述數(shù)據(jù)代入式（3）得：F3=12.66 kg

可見，通過杠桿減力傳遞后，OBS和沉耦架重量作用到鎖鉤上的拉力為4×F3=50.64 kg，僅僅是OBS和沉耦架重量的60%，能滿足連續(xù)投放十幾個OBS的需要。

2.2 裝置制作材料的選用

投放裝置工作在海水之中，其一：海水對金屬材料的侵蝕是不容忽視的，輕則造成裝置工作失靈，重則造成OBS誤釋放。其二：裝置又在船上進行收放，船的搖擺會使裝置與船體發(fā)生碰撞。因此，在選擇制作材料上既要考慮材料的耐腐蝕性，特別是不能因為裝置的運動副出現(xiàn)銹蝕而影響可靠投放。又要使投放裝置具有較強的機械強度、剛性，以抵抗一定外力造成的破壞和變形。為此，選擇以下兩種洛鎳不銹鋼作為主要制作材料（見表1）。

表1 材料力學(xué)性能及特性

0Cr18Ni9應(yīng)用在投放裝置的主體結(jié)構(gòu)上，而耐點腐蝕性更優(yōu)的0Cr17Ni12Mo2主要應(yīng)用在運動副中。盡管0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2這兩種材料的條件屈服強度σ0.2=205 MPa、布氏硬度HB=187都偏低，意味著材料自身的抵抗破壞和變形的能力較小，但可通過構(gòu)件的大幾何設(shè)計來增強結(jié)構(gòu)的機械強度和剛性，雖然由此帶來整體重量的增加，但對投放裝置這樣的水下拖體而言，重量大比重量小在水中的穩(wěn)定性要好。

投放裝置由各種構(gòu)件焊接組成。因而，材料的焊接性在很大程度上決定了裝置機械強度和耐用性。以上兩種材料的焊接性較好，無論采用氬弧保護焊，還是電弧焊對構(gòu)件進行焊接，其焊縫都不易開裂。

2.3 籠罩的強度設(shè)計

投放裝置在放收過程中，由于受到船的搖擺影響，投放裝置有與船體發(fā)生碰撞的可能，而首當(dāng)其沖的是籠罩的側(cè)面被撞擊?；\罩的主要功能是容納和保護OBS，因此，在它的結(jié)構(gòu)設(shè)計上重點考慮的是抗撞擊的能力。

籠罩由下層平臺、四根立柱和橫向防撞環(huán)等組成 （圖6）。下層平臺的外沿由5型加厚等邊角鋼焊接而成，平臺中部是5型槽鋼十字對角結(jié)構(gòu)。立柱為5型加厚等邊角鋼，上端與平臺相連，下端與R420×40×10的防撞環(huán)相連。

圖6 籠罩結(jié)構(gòu)

在OBS投放時，由于籠罩立柱下端的Φ16定位銷插入到沉耦架的定位孔中，使籠罩與沉耦架之間發(fā)生關(guān)聯(lián)，這樣的機械結(jié)構(gòu)使橫向撞擊力由防撞環(huán)、立柱下端部、端部定位銷、沉耦架等共同承受，而置于沉耦架之中的OBS不會受到直接撞擊。

在回收投放裝置時，由于已投放出OBS和沉耦架，使裝置的重量減輕84 kg，重量的減少和重心的上移，意味著裝置出水后搖擺的慣性減少，一般海況下，即使與船體發(fā)生碰撞也不會造成裝置的變形和損壞。

3 結(jié)語

從2008年下半年到2009年的1 a多時間里，我們在南海海域用投放裝置共完成了近20次的OBS水下投放作業(yè)，作業(yè)區(qū)水深變化為1 000～3 000 m，投放點距離海底100～200 m。在水下定位系統(tǒng)的支持下，OBS投放的實際著底點與預(yù)期位置偏差都在20 m以內(nèi)，最小的偏差在2 m以內(nèi)，投放成功率達到95%。海上試驗結(jié)果表明該裝置設(shè)計合理，工作可靠、安全，操作簡便。水下投放裝置在OBS布陣中的應(yīng)用，為OBS陣列數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的提高提供了必要的條件。

［1］ 曾憲軍，伍忠良，郝小柱.天然氣水合物礦體的三維地震與海底高頻地震聯(lián)合采集技術(shù)—海底地震儀觀測系統(tǒng)研究［J］.海洋技術(shù)，2010，29（1）：124-130.

［2］ 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［3］ 張世民.機械原理［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1983.

Design of OBS Underwater Launch Device

ZHANG Zhi-gang,WU Ren-tun,ZENG Xian-jun
（Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou Guangdong 510760,China）

For the requirements of accurate embattled OBS in the design of unite collection observation system,the underwater launch device of OBS is designed and produced.The device combines the mechanism and acoustic release unit and achieves the purpose of OBS accurate launch close to the seabed,which is towed by ship-borne winch and led by underwater localizer.The experiments show that the launch is within 20m accuracy with success probability 95%.The results also show that the device is reasonably designed,reliable,safe and easy to be operated.The application of underwater launch device improves OBS array data quality.

ocean bottom seismometer;launch device;principle;design

P716+.83

B

1003-2029（2011）02-0103-04

2011-01-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目(2009AA09A20106)

張志剛（1959-），男，工程師，主要從事海洋勘察設(shè)備的研究。Email:zg5902@126.com