一種四繩電動升沉補償系統的製作方法
2023-05-21 20:36:42 2
本發明涉及海工裝備領域，尤其涉及針對水下作業平臺的升沉補償的電動系統。
背景技術：
升沉補償系統是為了減小海上環境惡劣對船舶等海上運輸和水下作業平臺在海上會受到風、浪、流、湧等的影響，提高其工作的安全性、穩定性和效率。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。本發明專利主要考慮其中升沉自由度的影響。水下作業平臺在某一深度的海中作業，由於海浪等對船的作用，影響水下作業平臺的不能穩定在海中某一位置，這明顯影響作業效率、精度和穩定性。
因此在海中作業的設備通常需要安裝升沉補償系統。被動補償是靠機械結構來實現升沉的補償，具有補償精度低，性能不穩定的特點。而傳統的升沉補償採用液壓控制，具有效率低、能量回收效率低。由於同步困難只能使用一根鋼絲繩時給系統帶來的轉動慣量大、系統造價高、使用成本高。為此急需一種升沉補償的系統，來改善現有技術中存在的缺陷。
技術實現要素：
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。此概述不是所有構想到的方面的詳盡綜覽，並且既非旨在指認出所有方面的關鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的範圍。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後給出的更加詳細的描述之序。
本發明的目的在於解決上述技術問題，本發明提供了一種四繩電動升沉補償系統，用於減弱海上運輸和水下作業平臺受到風、浪、流、湧等的影響，具有操作控制簡單、補償精度高、節能效果好、工作效率高、成本低、響應快的特點。
本發明的技術方案為：本發明揭示了一種四繩電動升沉補償系統，由同步使用的四套單繩電動升沉補償系統組成，該四套單繩電動升沉補償系統分布在支撐於母船上的轉盤上，其中每一套單繩電動升沉補償系統均包括鋼絲繩、折線捲筒、摩擦捲筒、驅動齒輪、齒條、動滑輪、定滑輪、補償工況電機、收放工況電機、補償工況行星減速器、收放工況行星減速器，鋼絲繩穿過轉盤，鋼絲繩的下端接有水下作業平臺，鋼絲繩分別繞過定滑輪、動滑輪、摩擦捲筒、折線捲筒，動滑輪的端部與齒條固定連接，補償工況電機的輸出軸與補償工況行星減速器的輸入軸相連，收放工況電機的輸出軸與收放工況行星減速器的輸入軸相連，驅動齒輪安裝在補償工況行星減速器的輸出軸上，齒條與驅動齒輪嚙合，摩擦捲筒在收放工況電機以及收放工況行星減速器的驅動下實現水下作業平臺的收放，折線捲筒與摩擦捲筒的運動相協調；
四繩電動升沉補償系統還包括加速度傳感器、壓力傳感器、主動補償電機軸旋轉編碼器、PLC控制單元和主動補償電機變頻驅動系統，其中安裝在母船上的加速度傳感器用於檢測船體升沉位移信號，安裝於鋼絲繩上的壓力傳感器用於檢測鋼絲繩張力信號，同時主動補償電機軸旋轉編碼器將旋轉角位移信號傳遞給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償電機軸旋轉的旋轉角位移信號後，向主動補償電機變頻驅動系統發出信號，控制補償工況行星減速器的輸入軸正反向轉動，使得齒條與動滑輪移動，進而帶動鋼絲繩按照與母船升沉相反的方向運動，以維持水下作業平臺的絕對位置不變，實現升沉補償功能。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，該四套單繩電動升沉補償系統均勻分布在轉盤上，任意組合使用，且通過轉盤下設置的環形軌道的旋轉釋放水下作業平臺在水中迴轉而引起鋼絲繩之間的相互纏繞。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，升沉補償工況與收放工況分開工作，升沉補償工況的傳動路線為補償工況電機—補償工況行星減速器—驅動齒輪—齒條—動滑輪，收放工況的傳動路線為收放工況電機—收放工況行星減速器—摩擦捲筒。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，補償工況通過驅動齒輪、齒條和動滑輪執行最終的操作，收放工況通過摩擦捲筒執行最終的操作。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，補償工況時僅有齒條左右移動且摩擦捲筒鎖死，收放工況時僅有摩擦捲筒工作。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，補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。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，補償工況行星減速器輸出的扭矩最大為10780Nm，傳動比為102.75。
根據本發明的四繩電動升沉補償系統的一實施例，每一套單繩電動升沉補償系統還包括超級電容器。
本發明對比現有技術有如下的有益效果：本發明的四繩電動升沉補償系統由四套單繩電動升沉補償系統布置在轉盤上而同步使用，通過將以前單繩補償系統完成的工作分配給四套系統共同完成。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，進而減小配套件的尺寸及轉動慣量，提高了響應速度，具有動作快、靈敏度高的特點。
本發明的升沉補償系統較之傳統的液壓設備，由於使用了齒輪嚙合及齒輪齒條嚙合傳動方式，使得系統具有結構簡單、工作效率高、零部件易實現國產化、成本低的特點。
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，使傳動部件結構簡單，結構更加緊湊。
通過PID控制系統，機械結構實現同步，故由傳統液壓驅動中的單繩改變為四根鋼絲繩，配套件轉動慣量小，繩的剛性小，動作快，靈敏度高，佔地也小。
而且，本發明的主動補償的機制的原理是檢測母船的運動，將母船信號傳遞給PLC控制單元，PLC控制單元驅動電機，電機通過行星減速器驅動相應的執行機構，從而改變鋼絲繩在水中的長度，實現母船位移的補償，具有適應性好，補償精度高，補償性能穩定的特點。
附圖說明
圖1示出了本發明的四繩電動升沉補償系統的較佳實施例的原理圖。
圖2示出了本發明的四繩電動升沉補償系統的俯視示意圖。
圖3示出了本發明的單繩電動升沉補償系統的原理圖。
具體實施方式
在結合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之後，能夠更好地理解本發明的上述特徵和優點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪製，並且具有類似的相關特性或特徵的組件可能具有相同或相近的附圖標記。
圖1示出了本發明的四繩電動升沉補償系統的較佳實施例的原理，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償系統的原理。請結合圖1至圖3，下面是對本實施的四繩電動升沉補償系統的原理的詳細描述。
本發明的四繩電動升沉補償系統適合於水下作業平臺11的升沉補償，由四套單繩電動升沉補償系統並行工作而成，通過將以前單繩補償系統完成的工作分配給這四套系統共同完成。這四套單繩工作原理相同，可以任意組合使用。
四套單繩升沉補償系統分置於母船9的轉盤14上並行工作，較佳的是均勻分布在轉盤14上，可任意組合使用，且通過轉盤14下設置的環形軌道的旋轉可有效釋放水下作業平臺11在水中的迴轉引起鋼絲繩之間的相互纏繞。
每一套單繩電動升沉補償系統包括鋼絲繩10、折線捲筒1、摩擦捲筒3、驅動齒輪6、齒條13、動滑輪7、定滑輪8、補償工況電機、收放工況電機、補償工況行星減速器5、收放工況行星減速器4。
高強度鋼絲繩10穿過轉盤14，下端接有水下作業平臺11，分別繞過定滑輪8、動滑輪7、摩擦捲筒3、折線捲筒1。
動滑輪7的端部與齒條13固接，補償工況電機的輸出軸與補償工況行星減速器5的輸入軸相連，收放工況電機的輸出軸與收放工況行星減速器4的輸入軸相連。驅動齒輪6安裝在補充工況行星減速器4的輸出軸上。齒條13與驅動齒輪6嚙合。摩擦捲筒3在收放工況電機以及收放工況行星減速器4的驅動下實現水下作業平臺11的收放。折線捲筒1與摩擦捲筒3的運動相協調。
較佳的，補償工況行星減速器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，這樣可以減少中間減速器的使用，減少系統的質量。
此外，每一套單繩電動升沉補償系統還包括超級電容器，超級電容器的儲存能量效率高(瓦時效率可達95％)，與傳統的液壓系統的蓄能器相比節能效果明顯，儲能效率大幅提高。
四套單繩升沉補償系統還包括加速度傳感器、壓力傳感器、主動補償電機軸旋轉編碼器、PLC控制單元和主動補償電機變頻驅動系統。
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，同時主動補償電機軸旋轉編碼器的旋轉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償電機軸旋轉角位移電信號後，依據制定好的控制策略向主動補償電機變頻驅動系統發出信號，控制補償工況行星減速器5的輸入軸正反向轉動，使得齒條13與動滑輪7移動，進而帶動鋼絲繩10按照與母船升沉相反的方向運動，以維持水下作業平臺11絕對位置不變，實現升沉補償工況。對於水下作業平臺11的收放工況，收放工況電機經大減速比的收放工況行星減速器4驅動摩擦捲筒3，進而實現水下作業平臺11的收放工況，折線捲筒1與摩擦捲筒3的運動相一致。
四繩升沉補償系統由四套單繩升沉補償系統同步並行工作，四套單繩升沉補償系統分置於轉盤14上，同步完成水下作業平臺11的收放和升沉補償功能。對於水下作業平臺11的收放工況，保持補償工況的執行機構即齒輪齒條機構(包括驅動齒輪6、齒條13和動滑輪7處於恆定的位置而不動，收放工況電機通過高減速比的收放工況行星減速器4驅動摩擦捲筒3帶動鋼絲繩10運動，進而實現水下作業平臺11的收放。升沉工況與收放工況分開工作，其中升沉補償工況的傳動路線為補充工況電機—補償工況行星減速器5—驅動齒輪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—收放工況行星減速器4—摩擦捲筒3。補償工況通過驅動齒輪6、齒條13和動滑輪7執行最終操作，僅有齒條13左右移動，此時摩擦捲筒3鎖死。收放工況通過摩擦捲筒3執行最終操作，此時僅有摩擦捲筒3工作。
對於作業平臺的收放工況，整個系統只有儲纜絞車及其驅動部分、鋼絲繩10、摩擦捲筒3及其驅動部分、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隻繞自身軸的旋轉，動滑輪7本身沒有移動。當到達指定深度後，整個系統停止並使水下作業平臺11停留在該位置。
對於該系統的主要工況，升沉補償母船受海浪的影響作用。母船9隨海浪上升、下沉時，水下作業平臺11隨之上升、下降。電動齒輪齒條升沉補償系統通過安裝在母船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，同時主動補償電機軸旋轉編碼器的旋轉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償電機軸旋轉角位移電信號後，依據制定好的控制策略向主動補償電機變頻驅動系統發出信號，控制補償工況行星減速箱5輸入軸正反向轉動，使得鋼絲繩10按照與船體升沉相反的方向運動，以維持水下作業平臺11絕對位置不變。
升沉補償的特點是：此時升沉補償部分工作而用於水下工作平臺收放系統不工作，即摩擦捲筒3及儲纜絞車不工作，與動滑輪7連接的齒條13及齒條的驅動部分工作。整個系統最終是通過轉盤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，這顯然是我們所不願看到的。當母船9有一個上升運動時，由於3000米鋼絲繩作用而有一個滯後，此時水下工作平臺也有一個滯後的向上運動的趨勢。動滑輪7在升沉補償電機的驅動下，與齒條13沿著滑輪導軌有一個向右的線位移，進而相當於放了一部分鋼絲繩，這一部分的鋼絲繩便用來平衡母船9向上運動帶來的影響。反之，當母船9有一個向下的位移時，水下工作平臺也有一個滯後的向下運動的趨勢。動滑輪7在升沉補償電機的驅動下，與齒條13沿著滑輪導軌有一個向右的線位移，進而相當於收了一部分鋼絲繩，這一部分的鋼絲繩便用來平衡母船9向下運動帶來的影響。
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