ПЛАТФОРМА-АМФИБИЯ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И НЕПОДВИЖНОГО БАЗИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СРЕДСТВ И МЕХАНИЗМОВ В ХОДЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАБОТ
AMPHIBIOUS PLATFORM TO CARRY, POSITION AND KEEP WORKING MACHINERY AS-FIXED IN PERFORMING WORKS

Изобретение относится к области амфибийных транспортных средств для перемещения и точного географического позиционирования средств и механизмов, предпочтительно, бурового оборудования, а также их неподвижного базирования и установки под нужным углом к горизонту в ходе выполнения работ, выполненного с возможностью работы на глубине, в зоне мелководья, на суше и в транзитной зоне «суша-вода», а также для прокладки кабелей, копки траншеи.
Разработанные устройства относятся к области тяжелых амфибийных, предпочтительно, телеуправляемых транспортных средств для перемещения, позиционирования, базирования и выставления по углу к нормали поверхности существующих средств (технологического оборудования) для выполнения работ, предпочтительно, буровых.
Устройство разработанной конструкции может быть применено, в частности, при транспортировке, позиционировании, базировании, выставлении угла, питании и энергообеспечении существующего технологического оборудования, в том числе в телеуправляемом режиме на глубине, суше и транзитной зоне при одновременном осуществление вспомогательных технологических операций посредством применения собственного гидравлического манипулятора.
Известно (RU, заявка 95108160) устройство для прокладки подводных кабельных материалов связи, представляющее собой погружаемое под воду с использованием цистерн судно, с которого и производят укладку кабеля на дно.
Известное устройство имеет узкую область применения.
Известна (см. например, В.И.Мищевич и др. "Разведка и эксплуатация морских нефтяных и газовых месторождений", М., "Недра", 1978 г., стр.49-51) платформа для размещения бурового оборудования и способ ее монтажа путем опускания поддерживающей конструкции на дно с последующим закреплением. В полом опорном блоке с использованием холодильного оборудования замораживают балластную воду, образуя искусственный "ледяной остров", являющийся опорой платформы.
Известны также (US, патент 2472869) способ строительства и конструкция ледостойкой платформы для разработки морских месторождений в арктических условиях, предусматривающие установку опорного основания на дне с обеспечением устойчивости сооружения за счет предотвращения от перемещения в процессе эксплуатации под действием внешних нагрузок.
Недостатками указанного решения следует признать их принципиальную неприменимость его в транзитной зоне «вода-суша» и невозможность точного позиционирования на дне.
Известны (см., например, US, патент 6343655) также многочисленные технические решения в рассматриваемой области техники гидротехнического строительства, предусматривающие бурение скважин с подводным заканчиванием скважин.
Недостатком подобных технических решений следует признать их сложность, а также высокую стоимость, что не позволяет их использовать в геофизических методах исследования, в частности, при взятии кернов.
Известны (RU, заявка 2001134702) способ и устройство, предусматривающие размещение на мелководном шельфе замерзающих морей на точке для бурения куста скважин, по крайней мере, одной переставной платформы, содержащей опорный блок, выполненный с донной опорной плитой, внешней обшивкой, выполненной ледостойкой, технологическими емкостями, а также буровой модуль, устьевой модуль со сборным манифольдом, бурение скважин после установки на дне переставной платформы и добычу продукции.
Недостатком подобных технических решений следует признать их сложность, а также высокую стоимость, что не позволяет их использовать в геофизических методах исследования, в частности, при взятии кернов.
Известен (US, патент 3559607) аппарат обнаружения и автоматического подъема затонувшего судна, содержащий подводный аппарат, оснащенный электронным блоком и исполнительным механизмом - лебедкой с тросом, на конце которого закреплен буй.
Недостатками известного аппарата являются ограниченные функциональные возможности: аппарат не может совершать горизонтального перемещения под водой, а его вертикальное перемещение не является достаточным. Кроме того, известный аппарат не может быть трансформирован в процессе выполнения работы при погружении с изменением функций исполнительного механизма.
Известен (RU, патент 2387570) малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат, содержащий раму модульной конструкции, движители горизонтального и вертикального хода, прочные герметичные контейнеры для размещения электронной части подводного аппарата, светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, манипуляционный модуль, включающий снабженный охватом манипулятор и герметичный привод, причем манипулятор установлен на выходном валу этого привода, надводный модуль управления, включающий пульт управления, источник электропитания, блок отображения видеоинформации, и кабель связи, соединяющий подводный аппарат с надводным модулем. На другом конце выходного вала привода манипулятора дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр схвата манипулятора, подводный аппарат снабжен съемным перфорированным контейнером для сбора образцов, установленным в верхней части подводного аппарата соосно с его вертикальной осью, а обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части.
Недостатком известного аппарата можно признать сильно ограниченную грузоподъемность и невозможность применения широкого спектра существующего тяжелого технологического оборудования.
Заявителю неизвестна конструкция роботизированной транспортировочной платформы-амфибии различных механизмов, в том числе средств для бурения, изготовленной с возможностью осуществления точного неподвижного, с необходимым углом к поверхности (автогоризонт) размещения этих средств при выполнении работы как на глубине, так и на суше, а также в транзитной зоне «вода-суша».
Техническая задача, решаемая посредством разработанной конструкции, состоит в обеспечении возможности проведения различных работ в заранее заданной точке дна Мирового океана, а также на мелководье, в транзитной зоне «суша-вода» и на суше с возможностью точного базирования с фиксацией в заданной точке.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в обеспечении возможности проведения различных исследовательских и других работ, а также сервисного обслуживания объектов различного назначения.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать транспортер-амфибию разработанной конструкции, выполненный с возможностью работы на глубине, в зоне мелководья, на суше и в транзитной зоне «суша-вода». Разработанная конструкция транспортера-амфибии содержит платформу на гусеничном ходу с электрическим приводом, причем платформа выполнена с возможностью установки, по меньшей мере, одного объекта технологического оборудования и содержит средство изменения угла наклона платформы, по меньшей мере, в одном из трех измерений.
В одном из вариантов реализации транспортер-амфибия выполнен телеуправляемым с возможностью установки на платформе сменных исполнительных устройств модульной конструкции. Однако не исключен вариант реализации транспортера-амфибии и дополнительно размещенной на платформе кабины для управляющего персонала. Выбор варианта реализации зависит от условий эксплуатации транспортера-амфибии, а также от решаемых задач.
В предпочтительном варианте реализации транспортер-амфибия дополнительно содержит кабель электрического питания, подключенный, с одной стороны, к источнику электрического питания, расположенном на берегу или борту судна обеспечения, а с другой стороны, к системе электропитания, размещенной на платформе. Указанная система электропитания обеспечивает подачу электрического тока на электропривод гусеничных движителей, на размещенное на платформе технологическое оборудование, средство изменения угла наклона платформы и оборудования и т.д. Транспортер-амфибия может также дополнительно содержать аккумуляторную батарею резервного питания, входящую в состав системы электропитания.
Поскольку разработанная конструкция транспортера-амфибии предназначена для применения в строго заданной точке поверхности, желательно, особенно в случае использования телеуправляемого варианта, чтобы транспортер-амфибия дополнительно содержал средства позиционирования, а также средства фиксации платформы на грунте. В качестве средств фиксации могут быть использованы якоря различной конструкции, а также различные анкерные конструкции.
В качестве объекта технологического оборудования может быть использована автономная буровая установка (глубоководная буровая установка), выполненная с возможностью изменения ее положения относительно основания, манипулятор или другое технологическое оборудование.
Для более точной установки технологического оборудования в заданной точки проведения работ на глубине транспортер-амфибия может дополнительно содержать систему динамического позиционирования, а также подсистему спутниковой навигации, обеспечивающую автоматизированное позиционирование платформы в пространстве.
В базовом варианте реализации разработанное устройство содержит подвижную транспортировочную платформу для возможности использования любых существующих исполнительных механизмов. Она представляет собой средство, выполненное из модулей базовой конструкции, набор которых обеспечивает возможность монтажа платформы заданной конфигурации. Предпочтительно платформа-трансформер представляет собой модульную самодвижущуюся рамную конструкцию, выполненную с возможностью в маршевом режиме или в процессе осуществления технологических или контрольных операций арретировать исполнительный механизм в карданном подвесе. Для осуществления движения по грунту на платформе предпочтительно установлены гусеничные движительные системы. Преимущественно она выполнена с возможностью горизонтального перемещения в воде за счет применения подруливающих винтовых систем при проведении работ на глубине. В базовом варианте реализации конструктивно платформа состоит из отдельных модулей базовой конструкции, из которых собрана сама платформа, а также из отдельных функциональных модулей, закрепляемых на плоскости модулей базовой конструкции.
Платформа-транспортировщик предназначена для несения на себе функциональных модулей, входящих в группу, содержащую, по меньшей мере:
- гидравлический манипулятор (как минимум один) для удаленного выполнения различных технологических задач;
- движительный гусеничный модуль (как минимум четыре) для передвижения по грунту;
- движительно-рулевой винтовой комплекс (для позиционирования по 6-ти координатам в толще воды при работе на глубине);
- модули фиксации на грунте и выравнивания платформы по уровню (гидравлические упоры, винтовые буры, якоря);
- модуль углового позиционирования исполнительного механизма и его фиксации (трехстепенной силовой карданный подвес с автоматической системой управления);
- систему энергообеспечения;
- вычислительную бортовую систему;
- комплекс средств обнаружения;
- навигационный комплекс.
Ниже элементы конструкции рассмотрены более подробно.
Платформа является жестким, составным корпусным элементом, несущим на себе все остальные структурные узлы. Платформа собирается из нескольких частей для возможности расположения во внутренней ее части других элементов. Вся коммутация энергетических и управляющих каналов осуществляется герметичными разъемами.
Конструктивно платформа состоит из отдельных модулей базовой конструкции, из которых собирается сама платформа в необходимой конфигурации, и отдельных функциональных модулей, закрепляемых на плоскости модулей базовой конструкции (навесные модули).
Гидравлический манипулятор представляет собой многозвенную гидромеханическую конструкцию для выполнения сложных энергоемких технологических работ, сопряженных с телеуправляемым применением больших усилий.
Модули фиксации на грунте и выравнивания платформы по уровню представляют собой варианты гидравлических раскладных упоров с возможностью регулирования углов наклона платформы относительно горизонта для уменьшения влияния неровностей подлежащей поверхности, а также винтовые полые буры для возможности ввинчивания в грунт, тем самым обеспечивая неподвижность платформы в горизонтальной плоскости во время проведения технологических операций. Помимо этого может использоваться система цементирования грунта для возможности использования комплекса на сложных мягких грунтах.
Модуль углового позиционирования исполнительного механизма и его фиксации представляет собой трехстепенной силовой карданный подвес с автоматической системой управления и исполнительными прецизионными электродвигателями в осях. Является основной частью комплекса, служит для размещения в нем существующих технических средств автономного и телеуправляемого характера и обеспечивает, в частности, установку необходимого угла бурения относительно поверхности, а также арретирование и разарретирования инструмента в процессе движения.
Движительный и движительно-рулевой комплекс содержит маршевые гусеничные движители, которые крепятся непосредственно к основанию платформы. Устройство может иметь несколько движителей для осуществления маневрирования.
Дополнительно на раму могут устанавливаться модули для динамического позиционирования (малоразмерные подруливающие движительные системы), в том числе для работы в период спуска и подъема.
Система энергообеспечения в случае телеуправляемого варианта представляет собой распределительное устройство (типа «краб») и развитую, питающую все системы сеть проводников, расходящуюся от него. «Краб» расположен в полости носителя-платформы, в задней его части. Входным элементом «краба» является энергоуправляющий подводный кабель, стыкующийся с задней частью платформы. Возможно присутствие автономного аккумуляторного резервного питания.
Вычислительная бортовая система (ВБС) расположена в прочном гидростатическом сферическом герметичном корпусе и представляет собой, по сути, по меньшей мере, один промышленный компьютер с установленной операционной системой реального времени и бортовым программным обеспечением, где выполняется программа управления движением и выполнением автоматических действий робота. Электропитание ВБС обеспечивается от распределителя («краба»). В свою очередь электропитание и сигналы внешнего управления поступают на бортовой распределитель («краб») посредством энергоинформационного кабеля, подключенного к блоку энергообеспечения и внешнего управления берегового или судового базирования. С ВБС осуществляют управление всеми системами посредством герметичных управляющих связей, а именно: информационно-измерительным комплексом, движительным комплексом, освещением, манипулятором и т.д., кроме того, ВБС обеспечивает сбор, сохранение и передачу на внешний пульт управления собранной информации.
Судовой/береговой блок управления в режиме телеуправления коммутирован с подводной частью системы посредством энергоинформационного подводного герметичного кабеля, состоящего из двух составляющих: информационно-управляющее оптоволокно и силовой кабель. Информационно-управляющее оптоволокно коммутировано с управляющей частью берегового БУ (блок управления) промышленным компьютером с операционной системой реального времени (ОСРВ) и предустановленным программным обеспечением для обмена собранной информацией, осуществления обратной связи машина-оператор, вывода текущей информации и сбора информации с информационно-измерительного комплекса. Силовой кабель коммутирован с силовой частью берегового БУ питающим трансформатором.
Комплекс средств обнаружения аппарата представляет собой систему маяков и маяков-ответчиков: в верхней части конструкции жестко крепятся гидроакустический маяк-ответчик, светоимпульсный маяк и радиомаяк. Маяки используются для обеспечения навигации под водой, осуществления аварийных работ на поверхности в условиях плохой видимости и поиска аппарата в ЧС.
Навигационный комплекс расположен в прочном корпусе аппарата и представляет собой набор средств для осуществления навигации и позиционирования аппарата. Позиционирование по линейным координатам осуществляется инерциально, а также используя сетку координат заданную подводными маркерами или используя систему подводной навигации. Поэтому навигационный комплекс тесно связан и зависит от комплекса средств связи. Вариантом навигационной системы может служить система подводной видеонавигации, осуществляющая вычисление положения аппарата относительно поверхности на основе изменения изображения в кадрах телевизионного изображения. На суше и в транзитной зоне применяется GPS/ГЛОНАСС навигация.
Предлагаемую систему отличает от известных, прежде всего ее модульность, малоограниченные габариты при необходимости и высокая изменяемость конфигурации с возможностью создания жесткой неподвижной базы относительно донной поверхности при проведении работ на глубине, суше и транзитной зоне, а также возможность высокоточного географического и углового (относительно поверхности) позиционирования рабочих средств (технологического оборудования).
Управление платформой осуществляют по вектору скорости оператором с берегового/судового блока управления, представляющего собой компьютерную систему с операционной системой реального времени с подключенными органами управления системой (трекбол, джойстик). Включение/выключение различных режимов и систем, а также задание выполнения задач в автоматическом режиме осуществляется с клавиатуры. На дисплее берегового/судового блока отображается информация о режимах комплекса, потребления энергии, состоянии блоков.
Вся передача управляющих сигналов от берегового/судового блока управления и информация от подвижной платформы в дуплексном режиме осуществляется посредством тонкого оптоволокна, входящего в состав герметичного высоковольтного кабеля нейтральной плавучести, функцией которого является питание подводной части комплекса от берегового блока питания. Блок питания является понижающим/повышающим трансформатором в зависимости от конкретного применения комплекса (запитывания от энергетической установки бурового оборудования, от портовой системы/судовой системы, использование внешнего дизель-генератора и пр.). Нейтральная плавучесть кабеля обеспечивается элементами плавучести, расположенными на кабеле с периодичностью в несколько метров, либо использованием специальных материалов оплетки.
Применение разработанной установки обеспечивает транспортировку, позиционирование, базирование, выставление угла, питание существующего технологического оборудования, механизмов, в том числе буровых средств, в телеуправляемом режиме на глубине, суше и транзитной зоне «суша-вода», а также осуществлять вспомогательные технологические операции посредством применения собственного гидравлического манипулятора.