一種無線節點儀布放設備的研制

劉 斌 朱 靜 魏 冰 葛雪欽 蔣 偉

（中石化石油工程地球物理有限公司科技研發中心，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著地震勘探技術的不斷發展，勘探設備也越來越先進，為了滿足高效率、低成本、高質量地震勘探的需求，無線節點儀的推廣應用越來越廣泛。目前推廣應用較好的節點儀有美國的Nuiseis、中國DTCC 的SmartSolo、中石油BGP 的Quantum、中石化SGC 的I-nodal。目前國內、外無線節點儀已經進入大規模應用階段，節點儀在生產中的應用改變了傳統的放炮模式和質控模式，取得了較好的應用效果。但是，目前國內、外節點儀配套的自動布放設備的研發還處于起步階段，要生產出無線節點儀智能化的輔助布放設備及相應的配套軟件，需要有專業的研發團隊，且在機械自動化、人工智能、通信技術等方面具有較強的優勢及相關研發經驗。節點儀布放設備的研發主要是研發一種定位精度高、布放效率快、布放效果好、地形適應性強的節點儀布放設備，以解決以往人工布設效率低、成本費用高、健康、安全、環保（HSE）風險高等問題，達到自動化施工簡便高效、布放效果滿足要求的目的。該研究團隊針對目前地震采集生產中主流節點儀的設備型號、尺寸和基本性能，研發了一種節點儀自動布放設備，大幅提高了節點儀布放效率。

1 工作原理

該節點儀自動布放設備如圖1 所示，其包括布放機械裝置和運載小車兩部分，通過油料發電機向整體設備的布放，包括移動小車行進移動、取土裝置掘進、節點儀投放、壓實等布放過程提供總動力。其在-40℃～+80℃環境中具有長期可靠的工作能力，在油料充足條件下可持續提供動力。節點儀布放機械裝置由連續掘土裝置、掩埋裝置、投料裝置、工作小車平臺、柴油發電機、液壓泵、液壓缸、控制單元、輔助元件、回收裝置以及控制配件組成。節點儀自動布放的核心是節點儀布放裝置控制技術，它是以時繼為控制核心，通過設計控制電路、硬件接口電路，完成布放的聯動自運行控制。

該設備用于無線節點儀的掘孔、投料、掩埋、壓實的布放過程。整個節點儀的布放可實現半自動化操作，可與衛星通信并實現精準定位，自動輸送節點儀至指定位置，進行布放，還可根據需要設定布放深度和速度，布放作業時僅需1人將節點儀進行批量上料并操作控制系統，即可實現節點儀在施工現場連續自動布放。該設備可在沙地、草原和泥地等軟地表平坦地區直線推進布放，確保孔不被重埋，把節點儀精確地送入孔內，回填后將土壤壓實，確保節點儀耦合良好。

圖1 節點儀自動布放設備示意圖

1.1 連續掘掩技術

（1）活塞桿外伸壓入掘進。如圖2 所示，活塞桿在a 狀態開始下壓掘進表土層，在b 狀態達成預期行程，完成掘進動作。若在行進中阻力較大，可在隨行氣管中加壓，輔以高壓氣體吹動土料，形成局部松動和預置空間。

（2）活塞桿回縮上拎掩埋。如圖2 所示，活塞桿在b 狀態下無須停留，即刻向上回縮，打開前端口。在重力作用下，工件前端會壓入土料，前端拉鏈打開后，即可撥動土質完成取土動作。

（3）確保孔不被自行填充。如圖2 的b 狀態所示，在主筒隔離作用下，確保沖出孔后孔不被自行填充，給節點儀留有充足的空間。該設備具有在沙地、泥地及較軟的土壤中鉆孔（孔深度80mm～200mm，孔徑可根據需求進行調整）的能力。

（4）節點儀投放與埋置。如圖2 的c 狀態所示，節點儀順著投料筒滑入挖好的孔洞中，主筒裝置底端對其做進一步壓實，然后再上升至原來的高度。

1.2 聯動投料技術

（1）前端閉合與投料止動互逆聯動。如圖3 的a 狀態所示，上拎時止動卡（圖3 中C1 所示）上移，傳動側板（圖3 中C2 所示）與下端鉸鏈板聯動同步打開，節點儀進入投料筒后被固定在上方。待活塞桿上提并完成取土后，節點儀才進入主筒裝置，準備投放。在b 狀態下則相反。

圖2 連續掘掩過程

圖3 聯動投料過程

（2）重力作用自動進料。如圖3 的b 狀態所示，在重力作用的推動下側板（圖3 中C3 所示）下壓，鉸鏈板（圖3中C4 所示）閉合，止動卡（圖3 中C1 所示）下移，節點儀在重力作用下進入主管下端，完成自動進料。

（3）節點儀存儲箱可根據節點儀的外形尺寸進行調整或更換，一次裝載節點儀的數量不少于100 只。

（4）適用環境。該設備可在-50℃～+80℃環境中長期、可靠工作，能在雨、雪等惡劣天氣條件下正常工作。

1.3 壓緊耦合與回填技術

該設備能精確地將節點儀送入孔內并壓實周圍土壤，確保節點儀與大地良好耦合良好。打孔的形狀與尺寸可根據實際需求進行調整或更換，以確保放置后節點儀與大地能良好地耦合。

（1）回填土料。其主要來源有三類，一是上拎主筒時，前端鉸鏈打開流入的土料；二是在上拎過程中，在側方切口作用下切入側面的土料進入主管對工件孔進行回填；三是加壓吹管（備選），由上層向下吹入的土料。如圖4 所示。

（2）壓實方式。如圖5 所示，該設備在a 狀態下完成掘進、掩埋后，再次下壓至b 狀態，以短行程壓實回填土和工件，加強節點儀與大地的耦合。

（3）整個布放過程1 人即可完成，并能在50 秒內完成1 個節點的布放。

2 主要結構

該設備整體結構簡潔、緊湊，如圖6 所示，其結構集成高，并配以人機交互界面，易于操作及維護。氣動件具有較好的密封性能，可滿足在野外施工的防塵、防雨、防風及照明需求，并具有有較好的防腐蝕、防日曬性能。

其三輪車架由方管焊接而成，表面以烤漆處理，具有一定的防銹能力，還具有一定的自重，可以減輕由于布放車移動和氣缸運動帶來的振動。相應位置設有連接孔，便于安裝其他部件。三輪車機動性能強，通過地形復雜或溝、坎較多的路段時有較好的靈活性、安全性。

2.1 主筒裝置

主筒裝置包括上端側彎部、下端豎直部、外側吹管好側面切口等，如圖7 所示。主筒裝置是下壓取土、臨時存放節點儀和投放節點儀的主要通道，其上端采用65°的坡度設計，便于節點儀在重力作用下自動滑落投入上一步鉆好的孔洞中。

圖4 回填土料

2.2 聯動裝置

聯運裝置如圖8 所示，主要由止動卡、前端鉸鏈板和側面推桿組成，可形成止動與前端開合的同步互逆聯動。

圖5 壓實過程

2.3 對心裝置

對心裝置采用球形對心方式，如圖9 所示，其可在重力場作用下確保主筒指向地心，同時設置鎖緊裝置，有一定夾緊力，可確保穩固推進，也可主動設置傾斜角度壓入。

圖6 整體結構

圖7 主筒裝置

3 控制系統

根據節點儀布放使用指標和技術要求，該設備支持擴展選用PLC 作為控制器，擴展北斗定位系統接收器之間數據的發送與采集，并對采集數據進行解碼。該設備可實現對無線節點儀的掘孔、取土、投料、掩埋及壓實的聯動布放過程的控制，對整個節點儀的布放可實現半自動化操作，且能自動輸送節點儀至指定位置進行布放。可根據需要設定布放深度和速度。隨著裝載布放裝置的小車向前移動，可連續自動地埋置節點儀。布放作業時僅需1 人即可完成。

3.1 行程自控

機械限位式行程自控如圖10 所示，通過設置可調上、下限位，實現對活塞桿的行程控制，從而限制壓入深度。

圖8 同步互逆聯動裝置

圖9 對心裝置

圖10 機械限位式行程控制

3.2 手動控制

通過手動操作節點儀布放裝置的控制面板，包括油泵的啟動、運行和停止，活塞桿的升、降，投料裝置的單動和聯動等布放動作，可實現對節點儀的半自動化高效布放。

4 結語

該文介紹的節點儀布放設備從孔洞掘進、取土、聯動投料到最后的壓緊回填，整個流程可在控制系統的控制下自動完成，并在江蘇農田區施工現場進行了測試應用，取得了較好的應用效果。具體測試數據如下。1） 節點儀坑洞掘進。在30s 內完成了直徑14cm、深度16cm～24cm 的深度掘進。2） 節點儀豎直投料技術。在15s 內將節點儀自動滑入坑洞成豎直狀態，前部尖端耦合良好。3）節點儀壓緊耦合與回填土技術。在20s 內完成了回填土，30s 內可進一步壓緊耦合。4） 連續掘進、掩埋控制技術。在60s 內完成了一個工作周期的連續運行。節點儀布放狀態和大地耦合基本達到平、穩、正、直且緊的要求，在平坦地區能夠實現節點儀自動化高效布設。通過在江蘇、山東的地震勘探節點儀采集作業的現場應用，初步實現了節點儀自動化布設，保證了生產進度，降低了人工成本，提高了生產效率。