本發(fā)明涉及海工裝備領(lǐng)域，尤其涉及針對水下作業(yè)平臺的升沉補(bǔ)償?shù)碾妱酉到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是為了減小海上環(huán)境惡劣對船舶等海上運(yùn)輸和水下作業(yè)平臺在海上會受到風(fēng)、浪、流、涌等的影響，提高其工作的安全性、穩(wěn)定性和效率。在海浪等的影響下，通常船舶在X、Y、Z三軸上有6個自由度。本發(fā)明專利主要考慮其中升沉自由度的影響。水下作業(yè)平臺在某一深度的海中作業(yè)，由于海浪等對船的作用，影響水下作業(yè)平臺的不能穩(wěn)定在海中某一位置，這明顯影響作業(yè)效率、精度和穩(wěn)定性。

因此在海中作業(yè)的設(shè)備通常需要安裝升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。被動補(bǔ)償是靠機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)升沉的補(bǔ)償，具有補(bǔ)償精度低，性能不穩(wěn)定的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的升沉補(bǔ)償采用液壓控制，具有效率低、能量回收效率低。由于同步困難只能使用一根鋼絲繩時給系統(tǒng)帶來的轉(zhuǎn)動慣量大、系統(tǒng)造價高、使用成本高。為此急需一種升沉補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，來改善現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。

本發(fā)明的目的在于解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，用于減弱海上運(yùn)輸和水下作業(yè)平臺受到風(fēng)、浪、流、涌等的影響，具有操作控制簡單、補(bǔ)償精度高、節(jié)能效果好、工作效率高、成本低、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：本發(fā)明揭示了一種四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，由同步使用的四套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)組成，該四套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分布在支撐于母船上的轉(zhuǎn)盤上，其中每一套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)均包括鋼絲繩、折線卷筒、摩擦卷筒、驅(qū)動齒輪、齒條、動滑輪、定滑輪、補(bǔ)償工況電機(jī)、收放工況電機(jī)、補(bǔ)償工況行星減速器、收放工況行星減速器，鋼絲繩穿過轉(zhuǎn)盤，鋼絲繩的下端接有水下作業(yè)平臺，鋼絲繩分別繞過定滑輪、動滑輪、摩擦卷筒、折線卷筒，動滑輪的端部與齒條固定連接，補(bǔ)償工況電機(jī)的輸出軸與補(bǔ)償工況行星減速器的輸入軸相連，收放工況電機(jī)的輸出軸與收放工況行星減速器的輸入軸相連，驅(qū)動齒輪安裝在補(bǔ)償工況行星減速器的輸出軸上，齒條與驅(qū)動齒輪嚙合，摩擦卷筒在收放工況電機(jī)以及收放工況行星減速器的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)平臺的收放，折線卷筒與摩擦卷筒的運(yùn)動相協(xié)調(diào)；

四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)還包括加速度傳感器、壓力傳感器、主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC控制單元和主動補(bǔ)償電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)，其中安裝在母船上的加速度傳感器用于檢測船體升沉位移信號，安裝于鋼絲繩上的壓力傳感器用于檢測鋼絲繩張力信號，同時主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器將旋轉(zhuǎn)角位移信號傳遞給PLC控制單元，PLC控制單元在收到船體升沉位移信號與主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角位移信號后，向主動補(bǔ)償電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出信號，控制補(bǔ)償工況行星減速器的輸入軸正反向轉(zhuǎn)動，使得齒條與動滑輪移動，進(jìn)而帶動鋼絲繩按照與母船升沉相反的方向運(yùn)動，以維持水下作業(yè)平臺的絕對位置不變，實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償功能。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，該四套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)均勻分布在轉(zhuǎn)盤上，任意組合使用，且通過轉(zhuǎn)盤下設(shè)置的環(huán)形軌道的旋轉(zhuǎn)釋放水下作業(yè)平臺在水中回轉(zhuǎn)而引起鋼絲繩之間的相互纏繞。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，升沉補(bǔ)償工況與收放工況分開工作，升沉補(bǔ)償工況的傳動路線為補(bǔ)償工況電機(jī)—補(bǔ)償工況行星減速器—驅(qū)動齒輪—齒條—動滑輪，收放工況的傳動路線為收放工況電機(jī)—收放工況行星減速器—摩擦卷筒。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，補(bǔ)償工況通過驅(qū)動齒輪、齒條和動滑輪執(zhí)行最終的操作，收放工況通過摩擦卷筒執(zhí)行最終的操作。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，補(bǔ)償工況時僅有齒條左右移動且摩擦卷筒鎖死，收放工況時僅有摩擦卷筒工作。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，補(bǔ)償工況行星減速器和收放工況行星減速器為三級行星齒輪減速器。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，補(bǔ)償工況行星減速器輸出的扭矩最大為10780Nm，傳動比為102.75。

根據(jù)本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的一實(shí)施例，每一套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)還包括超級電容器。

本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)由四套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)布置在轉(zhuǎn)盤上而同步使用，通過將以前單繩補(bǔ)償系統(tǒng)完成的工作分配給四套系統(tǒng)共同完成。四套單繩工作原理完全相同，可以任意組合使用。這樣可有效減小鋼絲繩的尺寸，進(jìn)而減小配套件的尺寸及轉(zhuǎn)動慣量，提高了響應(yīng)速度，具有動作快、靈敏度高的特點(diǎn)。

本發(fā)明的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的液壓設(shè)備，由于使用了齒輪嚙合及齒輪齒條嚙合傳動方式，使得系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、零部件易實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、成本低的特點(diǎn)。

傳動部分使用大的減速比的行星減速器，減少中間傳動的零部件，使傳動部件結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

通過PID控制系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步，故由傳統(tǒng)液壓驅(qū)動中的單繩改變?yōu)樗母摻z繩，配套件轉(zhuǎn)動慣量小，繩的剛性小，動作快，靈敏度高，占地也小。

而且，本發(fā)明的主動補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制的原理是檢測母船的運(yùn)動，將母船信號傳遞給PLC控制單元，PLC控制單元驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)通過行星減速器驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而改變鋼絲繩在水中的長度，實(shí)現(xiàn)母船位移的補(bǔ)償，具有適應(yīng)性好，補(bǔ)償精度高，補(bǔ)償性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的較佳實(shí)施例的原理圖。

圖2示出了本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的俯視示意圖。

圖3示出了本發(fā)明的單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理圖。

具體實(shí)施方式

在結(jié)合以下附圖閱讀本公開的實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，能夠更好地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。

圖1示出了本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的較佳實(shí)施例的原理，圖2是其俯視示意圖，而圖3示出了其中的一套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理。請結(jié)合圖1至圖3，下面是對本實(shí)施的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理的詳細(xì)描述。

本發(fā)明的四繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)適合于水下作業(yè)平臺11的升沉補(bǔ)償，由四套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)并行工作而成，通過將以前單繩補(bǔ)償系統(tǒng)完成的工作分配給這四套系統(tǒng)共同完成。這四套單繩工作原理相同，可以任意組合使用。

四套單繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分置于母船9的轉(zhuǎn)盤14上并行工作，較佳的是均勻分布在轉(zhuǎn)盤14上，可任意組合使用，且通過轉(zhuǎn)盤14下設(shè)置的環(huán)形軌道的旋轉(zhuǎn)可有效釋放水下作業(yè)平臺11在水中的回轉(zhuǎn)引起鋼絲繩之間的相互纏繞。

每一套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)包括鋼絲繩10、折線卷筒1、摩擦卷筒3、驅(qū)動齒輪6、齒條13、動滑輪7、定滑輪8、補(bǔ)償工況電機(jī)、收放工況電機(jī)、補(bǔ)償工況行星減速器5、收放工況行星減速器4。

高強(qiáng)度鋼絲繩10穿過轉(zhuǎn)盤14，下端接有水下作業(yè)平臺11，分別繞過定滑輪8、動滑輪7、摩擦卷筒3、折線卷筒1。

動滑輪7的端部與齒條13固接，補(bǔ)償工況電機(jī)的輸出軸與補(bǔ)償工況行星減速器5的輸入軸相連，收放工況電機(jī)的輸出軸與收放工況行星減速器4的輸入軸相連。驅(qū)動齒輪6安裝在補(bǔ)充工況行星減速器4的輸出軸上。齒條13與驅(qū)動齒輪6嚙合。摩擦卷筒3在收放工況電機(jī)以及收放工況行星減速器4的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)平臺11的收放。折線卷筒1與摩擦卷筒3的運(yùn)動相協(xié)調(diào)。

較佳的，補(bǔ)償工況行星減速器5和收放工況行星減速器4為三級行星齒輪減速器，補(bǔ)償工況行星減速器5輸出的扭矩最大為10780Nm，傳動比為102.75，具有傳動比大的特點(diǎn)，這樣可以減少中間減速器的使用，減少系統(tǒng)的質(zhì)量。

此外，每一套單繩電動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)還包括超級電容器，超級電容器的儲存能量效率高(瓦時效率可達(dá)95％)，與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)的蓄能器相比節(jié)能效果明顯，儲能效率大幅提高。

四套單繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)還包括加速度傳感器、壓力傳感器、主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC控制單元和主動補(bǔ)償電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)。

安裝在母船9上的加速度傳感器檢測母船升沉信號，通過壓力傳感器檢測鋼絲繩張力信號，同時主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)角位移信號也傳遞給PLC控制單元。PLC控制單元收到船體升沉位移與主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角位移電信號后，依據(jù)制定好的控制策略向主動補(bǔ)償電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出信號，控制補(bǔ)償工況行星減速器5的輸入軸正反向轉(zhuǎn)動，使得齒條13與動滑輪7移動，進(jìn)而帶動鋼絲繩10按照與母船升沉相反的方向運(yùn)動，以維持水下作業(yè)平臺11絕對位置不變，實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償工況。對于水下作業(yè)平臺11的收放工況，收放工況電機(jī)經(jīng)大減速比的收放工況行星減速器4驅(qū)動摩擦卷筒3，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)平臺11的收放工況，折線卷筒1與摩擦卷筒3的運(yùn)動相一致。

四繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)由四套單繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)同步并行工作，四套單繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分置于轉(zhuǎn)盤14上，同步完成水下作業(yè)平臺11的收放和升沉補(bǔ)償功能。對于水下作業(yè)平臺11的收放工況，保持補(bǔ)償工況的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即齒輪齒條機(jī)構(gòu)(包括驅(qū)動齒輪6、齒條13和動滑輪7處于恒定的位置而不動，收放工況電機(jī)通過高減速比的收放工況行星減速器4驅(qū)動摩擦卷筒3帶動鋼絲繩10運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)平臺11的收放。升沉工況與收放工況分開工作，其中升沉補(bǔ)償工況的傳動路線為補(bǔ)充工況電機(jī)—補(bǔ)償工況行星減速器5—驅(qū)動齒輪6—齒條13—動滑輪7，而收放工況的傳動路線為收放工況電機(jī)—收放工況行星減速器4—摩擦卷筒3。補(bǔ)償工況通過驅(qū)動齒輪6、齒條13和動滑輪7執(zhí)行最終操作，僅有齒條13左右移動，此時摩擦卷筒3鎖死。收放工況通過摩擦卷筒3執(zhí)行最終操作，此時僅有摩擦卷筒3工作。

對于作業(yè)平臺的收放工況，整個系統(tǒng)只有儲纜絞車及其驅(qū)動部分、鋼絲繩10、摩擦卷筒3及其驅(qū)動部分、動滑輪7、定滑輪8、鋼絲繩10、水下工作平臺工作。其中，動滑輪7和定滑輪8只繞自身軸的旋轉(zhuǎn)，動滑輪7本身沒有移動。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定深度后，整個系統(tǒng)停止并使水下作業(yè)平臺11停留在該位置。

對于該系統(tǒng)的主要工況，升沉補(bǔ)償母船受海浪的影響作用。母船9隨海浪上升、下沉?xí)r，水下作業(yè)平臺11隨之上升、下降。電動齒輪齒條升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通過安裝在母船9上的加速度傳感器檢測母船升沉信號，通過壓力傳感器檢測鋼絲繩張力信號，同時主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)角位移信號也傳遞給PLC控制單元。PLC控制單元收到船體升沉位移與主動補(bǔ)償電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角位移電信號后，依據(jù)制定好的控制策略向主動補(bǔ)償電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出信號，控制補(bǔ)償工況行星減速箱5輸入軸正反向轉(zhuǎn)動，使得鋼絲繩10按照與船體升沉相反的方向運(yùn)動，以維持水下作業(yè)平臺11絕對位置不變。

升沉補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)是：此時升沉補(bǔ)償部分工作而用于水下工作平臺收放系統(tǒng)不工作，即摩擦卷筒3及儲纜絞車不工作，與動滑輪7連接的齒條13及齒條的驅(qū)動部分工作。整個系統(tǒng)最終是通過轉(zhuǎn)盤14與母船9連接，母船9在水的浮力下傳遞自重及水下工作平臺的自重。當(dāng)母船9受到外界擾動時，勢必會通過鋼絲繩10將該擾動傳遞到水下工作平臺上，由此水下工作平臺便有了位移、速度、加速度，這顯然是我們所不愿看到的。當(dāng)母船9有一個上升運(yùn)動時，由于3000米鋼絲繩作用而有一個滯后，此時水下工作平臺也有一個滯后的向上運(yùn)動的趨勢。動滑輪7在升沉補(bǔ)償電機(jī)的驅(qū)動下，與齒條13沿著滑輪導(dǎo)軌有一個向右的線位移，進(jìn)而相當(dāng)于放了一部分鋼絲繩，這一部分的鋼絲繩便用來平衡母船9向上運(yùn)動帶來的影響。反之，當(dāng)母船9有一個向下的位移時，水下工作平臺也有一個滯后的向下運(yùn)動的趨勢。動滑輪7在升沉補(bǔ)償電機(jī)的驅(qū)動下，與齒條13沿著滑輪導(dǎo)軌有一個向右的線位移，進(jìn)而相當(dāng)于收了一部分鋼絲繩，這一部分的鋼絲繩便用來平衡母船9向下運(yùn)動帶來的影響。

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