基于海水静水压力能的海底静力触探探杆驱动技术研究

As the outstanding representation of the seabed in situ tests, the cone penetration test can directly obtain the information of marine engineering geology, and because of its advantages of high efficiency and good data accuracy and continuity and repeatability, it plays an important part in the exploitation of marine resources. The project proposes that the hydrostatic energy of the seawater is used to drive the probe rod of the cone penetration test because the method have more advantages over the existing driving methods in the aspect of reliability and efficiency. A hydrostatic-driven and load-sensitive hydraulic system structure is firstly built to automatically adjust to the variation of the stratigraphic resistance and optimize the utilization of the hydrostatic energy. Then, the mathematic model and the simulation model of the load-sensitive hydraulic system are built to analyze the characteristics of the system, and based on the analysis results, the high-precision control strategy of the probe rod’s speed is explored. Experimental research is finally conducted to meet the requirement of the cone penetration test for the stability and precision of the probe rod’s speed. Through the above research, the hydrostatic-energy-based driving method of marine cone penetration test is obtained to help the cone penetration test in the deep water and ultra-deep water achieve high reliability and the high efficiency. The research results will provide the research of marine engineering geology survey and seabed mineral resource exploration with technical supports.

作为海底原位测试突出代表的海底静力触探技术，能现场直接获取海底工程地质资料,具有效率高、数据准确连续及再现性好等优点，在海洋资源开发中扮演着重要的角色。本项目提出利用海水的静水压力能驱动海底静力触探的探杆，该方法较现有的驱动技术在可靠性及工作效率等方面具有明显的优势。通过建立静水压力能驱动的负载敏感液压系统结构实现对地层阻力变化的自动适应以及对海水静水压力能的高效利用，随后建立负载敏感液压系统的数学模型与仿真模型,研究其工作特性并以此为基础探索探杆速度高精度控制策略，最后通过试验研究使探杆运动速度稳定性与精度达到海底静力触探作业的要求，从而获得基于静水压力能的海底静力触探探杆驱动方法，实现在深水及超深水环境下高可靠与高效率的海底静力触探作业，为海洋工程地质勘察及深海海底资源勘探等领域的研究提供技术支撑。

针对海床式静力触探探杆的驱动与能量供应问题，提出一种利用深海高压海水的静水压力能为静力触探探杆贯入海底地层提供动力的方法。此方法利用海水压力与耐压空腔之间的压力差驱动探杆贯入地层，相对于目前由脐带电缆或大容量蓄电池供电的电机（液压）驱动技术，简化了系统结构，提高了系统可靠性与工作效率。本项目对海水静水压力能驱动系统的总体结构进行了研究，得到了能适应探杆贯入地层时的阻力变化以及高效利用海水静水压力能的驱动系统结构。建立了驱动系统的数学模型，对系统的稳定性、变负载作用下的探杆速度误差范围、系统阻尼比与固有频率等工作特性进行了分析，得到了系统稳定裕度及其影响因素、中低高频扰动下探杆速度的最大误差边界、系统阻尼比以及固有频率与海水压力等因素的关系。基于数学模型的仿真结果表明，在实际典型地层阻力干扰下，探杆的速度精度可以保持在海底静力触探要求的范围内（±10%），且海水深度越大，探杆速度精度越高。建立了用于模拟海水静水压力能驱动海底静力触探杆的试验台，并进行了室内试验。该试验系统能有效模拟海水压力与海底地层阻力。试验结果表明，在变化的模拟地层阻力作用下，驱动系统能在不同水深压力下保持稳定的速度，速度误差在±10%以内，并且不同工况下系统的静水压力能转换效率均大于80%。试验结果充分证明了本项目提出的利用海水静水压力能驱动海床式静力触探杆的可行性并且系统性能比较优越。研究成果不仅有助于实现在深水及超深水环境下高可靠、高效率与低成本的静力触探作业，为海洋工程地质勘察及深海海底资源勘探等领域的研究提供技术支撑，还拓展了海水静水压力能的应用方法与范围，为海水静水压力能的进一步开发与利用提供了理论基础。