BR112017003815B1

BR112017003815B1 - Sistema de controle do deslocamento de uma carga, compensador de sustentação de um suporte flutuante e de dilatação isobárica e suspensão para veículo terrestre

Info

Publication number: BR112017003815B1
Application number: BR112017003815-3A
Authority: BR
Inventors: Benoît Amaudric du Chaffaut
Original assignee: IFP Energies Nouvelles
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2021-08-31
Also published as: EP3194320B1; WO2016041671A1; FR3025787A1; FR3025788B1; US20170254384A1; CN106715315B; KR20170058925A; FR3025787B1; CN106715315A; US10359093B2; EP3194320A1; FR3025788A1; BR112017003815A2

Abstract

sistema de controle do deslocamento de uma carga. a presente invenção refere-se a um sistema de controle de deslocamento relativo de uma carga (p), que comporta pelo menos um meio de amortecimento (1) principal de ação longitudinal de curso (c) de deslocamento e tendo duas extremidades, uma sendo ligada a uma armação e a outra sendo ligada à carga, compreendendo um dispositivo de compensação que comporta pelo menos um meio de amortecimento secundário de ação longitudinal, tendo duas extremidades, das quais uma é solidária a essa armação e a outra é ligada por uma biela (6, 7) à extremidade do meio de amortecimento principal ligada à carga, esse meio de amortecimento secundário sendo disposto de forma que, em um ponto do curso c, o meio de amortecimento secundário tem uma ação de direção ortogonal à direção desse deslocamento.

Description

[0001] A presente invenção refere-se ao domínio das ligações me cânicas entre dois elementos, ou conjunto de elementos, cujas posições relativas variam entre limites determinados pelo elemento de ligação, e no qual se deseja controlar o esforço de ligação entre os dois elementos para torna-lo praticamente independente das posições rela-tivas desses elementos. Em particular, procura-se manter sensivelmente constante o efeito de ligação, de forma a poder aplicar a presente invenção no domínio do levantamento ou do amortecimento de carga.

[0002] A invenção comporta uma ligação particular entre dois obje tos ou conjuntos mecânicos, um sendo denominado "suporte" e a outra "carga". O suporte tem por função limitar o deslocamento da carga, quando esta é submetida a diferentes solicitações, como seu peso próprio. As ligações habitualmente encontradas entre um suporte e uma carga são: seja rígidas, seja deformáveis. As ligações deformáveissão mais freqüentemente elásticas, isto é, o esforço de ligação depende do alongamento do elemento de ligação, e são então denominadassuspensões. Por exemplo, quando um automóvel (carga) se desloca com o auxílio de suas rodas (suporte) sobre um solo irregular, os meios de suspensão, deformando-se, permitem às rodas a seguir as irregularidades do solo, sem que o automóvel seja muito sacudido. Todavia, a deformação dos amortecedores acarreta uma variação do esforço de suspensão, e o automóvel, cuja massa permanece a priori inalterada, é, portanto, submetida a acelerações verticais mais ou menosconfortáveis. Mas essas variações de esforços de suspensão con- tinuam indispensáveis pela função de comando elástico que elas oferecem,função incontornável em matéria de suspensão onde a carga pode variar muito sensivelmente devido a fenômenos dinâmicos.

[0003] Um domínio em que os problemas de suspensão são um pouco diferentes é aquele das instalações marinhas flutuantes. Com efeito, desde que a profundidade da água seja muito importante para colocar a instalação sobre o fundo, o suporte, navio ou plataforma, é obrigatoriamente flutuante e se acha, portanto, submetido a diferentes movimentos incontroláveis, notadamente a coluna vertical, devido à onda. Uma carga pode ser simplesmente pendurada no flutuador e acompanhá-la em seus movimentos, as únicas variações do efeito de suspensão resultam, então, eventualmente de sua inércia ou da resistência oposta pela água a seus movimentos verticais. A carga pode também ser também mais ou menos ligada a um ponto fixo no fundo do mar. O esforço de suspensão deve então ser tão constante quanto possível, independentemente seja da posição do flutuador, sob pena de danos caros aos elementos os mais frágeis da carga. Dois tipos de soluções são então possíveis:

[0004] 1. ou a operação é limitada no tempo, e a carga não é mui to importante. É o caso, por exemplo, da colocação de uma carga de algumas toneladas no fundo do mar, a partir de um navio submetido a uma forte onda. A solução a mais eficaz é uma sujeição dinâmica do sistema de levantamento que fornece, ou dissipa, a energia necessária para manter a carga sensivelmente imóvel, quando o suporte se desloca. Fala-se então de "compensação ativa", e os desempenhos em tolerância de deslocamento da carga podem ser centimétricas, quando os deslocamentos do suporte são métricos;

[0005] 2. ou a carga é muito elevada, permanente ou de uma du ração de operação muito longa. O custo da energia necessária a uma compensação ativa se torna então proibitivo. É o caso dos condutos verticais (risers) ligando uma cabeça de poço submarina a uma plataforma flutuante para uma duração de 10 a 20 anos, ou de um trem de hastes parcialmente instalado no fundo do poço, em curso de perfuração por um navio de perfuração, durante vários dias ou várias semanas. A solução clássica, dita de "compensação passiva", é constituída mais freqüentemente de macacos hidropneumáticos, em outros termos de molas de ar. Esses sistemas não consomem energia, permitem grandes deslocamentos verticais (vários metros) têm características (curvas esforço-alongamento), quase lineares, e autorizam uma grande variedade de situações em função dos volumes e da pressão dos reservatórios de ar. Os desempenhos são medidos em variação do esforço de suspensão, em função do deslocamento, e dependem muito das quantidades de ar sob alta pressão disponíveis. Assim, para compensar um trem de hastes de aproximadamente 300 toneladas, em curso de perfuração sobre um navio submetido a uma onda de sete a oito de amplitude (25 ft.), isto é, para limitar a variação do peso sobre o instrumento a mais ou menos dois por cento do peso pendido total, seja aproximadamente seis toneladas, é necessário dispor de uma reserva de ar com duzentos bárias, além disso, de 40 metros cúbicos.

[0006] Um sistema melhorado de compensação passiva, destina doàs operações de perfuração no mar, foi descrito no documento US5520369 (FR 2575452), onde o volume de ar necessário mencionado no exemplo acima foi reduzido de aproximadamente a metade, graças à aplicação de uma geometria particular do caminho de cabo do sistema de levantamento, fornecendo um complemento com esforço dos macacos hidropneumáticos.

[0007] Na prática, os navios e plataformas ligados a trabalhos submarinos são muito freqüentemente equipados com dois sistemas, e os aplicam de maneira complementar e simultânea, se necessário. Todavia, as capacidades limitadas e os custos de funcionamento dos sistemas ativos incitam ainda a pesquisar mais desempenho e precisão para os sistemas passivos.

[0008] A presente invenção tem por objeto melhorar ainda mais esse conceito de compensação passiva, e ampliar eventualmente seu domínio de aplicação.

[0009] Assim, a presente invenção se refere a um sistema de con trole do deslocamento relativo de uma carga P, comportando pelo menos um meio de amortecimento principal de ação longitudinal de curso C de deslocamento, e tendo duas extremidades, uma ligada a uma armação e a outra ligada à carga. Ele compreende um dispositivo de compensação que comporta pelo menos um meio de amortecimento secundário de ação longitudinal, tendo duas extremidades das quais uma é solidária a essa armação e a outra é ligada à extremidade do meio de amortecimento principal ligada à carga, e esse meio de amortecimentosecundário é disposto de forma que, em um ponto do curso C, o meio de amortecimento secundário tem uma ação de direção ortogonalà direção desse deslocamento.

[00010] Os meios de amortecimento de ação longitudinal podem ser do tipo macaco com mola, hidráulico, ou pneumático ou uma combinação.

[00011] O curso C pode corresponder no máximo ao comprimento da haste desse macaco.

[00012] Pelo menos dois meios de amortecimento secundário podem ser dispostos simetricamente em relação ao eixo desse meio de amortecimento principal, de forma que suas ações se anulem, quando são ortogonais ao eixo de deslocamento.

[00013] O ponto de ortogonalidade pode estar no meio do curso C.

[00014] Uma das extremidades do meio de amortecimento secundário de ação longitudinal pode estar ligada à extremidade do meio de amortecimento principal ligado à carga por intermédio de um sistema articulado.

[00015] Vantajosamente, o sistema articulado comporta uma biela.

[00016] De acordo com um modo de realização, o sistema articulado comporta uma primeira biela, da qual uma primeira extremidade é fixada na extremidade do meio de amortecimento principal ligada à carga e uma segunda biela que comporta uma primeira extremidade articulada em relação a uma segunda extremidade da primeira biela e uma segunda extremidade articulada em relação à armação, a articulação entre a primeira biela e a segunda biela sendo fixada na extremidade do meio de amortecimento secundário ligada ao meio de amortecimento principal.

[00017] Alternativamente, o sistema articulado comporta uma primeira biela, da qual uma primeira extremidade é fixada na extremidade do meio de amortecimento principal ligada à carga, e uma segunda biela que comporta uma primeira extremidade articulada em relação a uma segunda extremidade da primeira biela, uma articulação em relação à armação e uma segunda extremidade fixada na extremidade do meio de amortecimento secundário ligada ao meio de amortecimento principal.

[00018] O deslocamento longitudinal do meio de amortecimento secundário pode ser feito em uma direção fixa em relação à direção do deslocamento do meio de amortecimento principal.

[00019] A invenção se refere também a um compensador de sus pensão de um suporte flutuante, que comporta um sistema de controle de deslocamento da carga, segundo a descrição acima.

[00020] No compensador, o meio de amortecimento principal pode ser constituído de pelo menos dois macacos de direção sensivelmente paralela à direção da carga.

[00021] Os meios de amortecimento principal e secundário podem ser constituídos de macacos hidráulicos.

[00022] Os meios de amortecimento principal e secundário podem comportar meios hidropneumáticos independentes para regular sua pressão hidráulica, de forma independente.

[00023] A presente invenção será melhor compreendida e suas vantagens aparecerão mais claramente com a leitura da descrição que se segue de exemplos de realização, de modo nenhum limitativos, e ilustrados pelas figuras a seguir anexadas, e dentre as quais: - as figuras 1a-d representam esquematicamente um compensador dito "isodino" com molas de compressão combinados em T; - as figuras 2a-d representam esquematicamente um compensador"isodino" com molas e bielas combinadas; - a figura 3 mostra um exemplo de resposta de um compensador isodino com três molas em T; - a figura 4 mostra um exemplo de resposta de um compensador isodino com molas e bielas; - as figuras 5a-c representam esquematicamente um compensador isodino com macacos hidropneumáticos, conforme três posições; - a figura 6 mostra um exemplo de resposta de um compensador isodino hidropneumático com três macacos em T; - as figuras 7a-c mostram um esquema de compensador isodino com macacos e bielas combinados; - a figura 8 mostra o comportamento teórico de um compensador isodino pneumático com três macacos em T para diferentes casos de carga; - a figura 9 mostra o comportamento teórico de um compensador isodino pneumático com macacos e bielas combinados; - a figura 10 mostra o comportamento teórico de um compensador isodino pneumático com macacos e bielas para diferentes casos de carga; - as figuras 11a, 11b e 11c mostram esquematicamente a aplicação de um compensador isodino pneumático com um sistema de levantamento sobre o suporte flutuante; - as figuras 12a, 12b, 12c e 12d representam esquematicamente um compensador dito "isodino" com um sistema articulado que compreende duas bielas; - as figuras 13a, 13b, 13c e 13d representam esquematicamente uma variante de realização do compensador dito "isodino" com um sistema articulado que compreende duas bielas; - a figura 14 ilustra uma parametragem geométrica de um sistema articulado, compreendendo duas bielas; - as figuras 15a a 15e representam um compensador de sustentação, compreendendo um compensador "isodino", segundo a variante de realização das figuras 13; - a figura 16 mostra o comportamento teórico de um compensador isodino com um sistema articulado que compreende duas bielas segundo a variante de realização das figuras 13; - a figura 17 representa um compensador isobárica que compreende um compensador isodino, de acordo com a invenção; - a figura 18 representa um sistema de suspensão que compreende um compensador isodino, de acordo com a invenção; - a figura 19 representa curvas para diferentes enrijecedo- res, do curso, em função da sustentação para uma suspensão equipado com um compensador "isodino".

[00024] De acordo com a invenção, o esforço produzido por uma mola elástica é sensivelmente proporcional à sua deformação (flecha). Ele varia, portanto, mais ou menos linearmente entre dois valores extremos(mínimo e máximo). O valor constante buscado (senha) se situa entre esses extremos, por exemplo, no meio. Para manter o mes- mo valor de senha, ao longo do curso (máximo-mínimo), é necessário acrescentar ou retrair no esforço da mola principal um esforço complementar, sensivelmente proporcional ao desvio da flecha em relação à posição correspondente ao esforço de senha, no caso, por exemplo, no ponto meio.

[00025] Uma primeira solução proposta pela presente invenção consiste em dispor uma ou várias molas laterais, de eixos concorrentes em uma das extremidades da mola principal, e perpendiculares ao eixo da mesma mola principal para o valor convencional. O princípio dessa compensação será melhor compreendido por meio do exemplo descrito na figura 1. As quatro representações 1a, 1b, 1c e 1d mostram o dispositivo segundo quatro posições do ponto móvel M. A figura 1b é dita do ponto convencional, onde nem uma força resultante das molas auxiliares, ou secundárias, laterais age sobre o ponto M. A mola principal exerce a força Fpo. na seqüência da descrição e para todos os modos de realização descritos, o termo mola designa o meio de amortecimento que pode tomar a forma de um macaco com mola, de um macaco hidráulico, de um macaco pneumático ou de um sistema análogo ou de uma combinação desses macacos.

[00026] A mola de compressão principal 1 oferece o esforço Fpmax, quando é comprimido em seu comprimento mínimo Lpmin, (figura 1a) e o esforço Fpmin, quando é estendida em seu comprimento máximo Lpiax (figura 1d). Na metade do curso C, o esforço vale o valor convencional Fpo, (figura 1b). A figura 1c ilustra o funcionamento em qualquer ponto do curso, marcado pelo valor x, esse esforço é avaliado pela fórmula: Fp = Fpo - Kpx na qual Kp é a rigidez da mola principal.

[00027] Duas molas de compressão 2, 3, idênticas entre si, ditas secundárias, são dispostas simetricamente de ambos os lados do eixo da mola principal. Elas têm uma extremidade móvel comum articulada sobre a extremidade móvel M da mola principal 1, e suas extremidades fixas 4, 5 são articuladas sobre a mesma estrutura sustentadora que aquela da mola principal, quando esta está a meio curso (figura 1b), a uma distância B. Para todas as outras posições, a componente vertical da resultante de seus esforços vêm se acrescentar ao esforço da mola principal para a metade superior do curso, e se retrair para a metade inferior. Com anotações análogas àquelas da mola principal, pode-se então escrever:

[00028] O esforço resultante P, ou componente do sistema, é escrito:

seja finalmente:

[00029] A compensação "isodino" (isto é, de esforço constante) volta então a escolher as grandezas e parâmetros, permitindo, se não verificar a equação abaixo,

pelo menos minimizar-lhe o primeiro termo sobre a maior parte possível do curso:

[00030] Na prática, as características das molas são impostas. Permanece, todavia, possível acrescentar-lhe extensões ou molas de comprimentos adaptáveis, ou combiná-las em série ou em paralelo. A variável x é limitada pelo curso da mola principal, e a grandeza B é de-terminante para a inclinação das molas secundárias.

[00031] Um método de determinação do jogo de parâmetros pode ser a otimização por meio de um modelo informatizado, permitindo explorar um grande número de combinações, visualizando rapidamente o resultado.

[00032] Não se sairá do âmbito da presente invenção, mudando o número ou a disposição das molas secundárias, por exemplo, retomando a componente horizontal de seu esforço por uma orientação mecânica.

[00033] Uma segunda solução, bastante próxima mecanicamente, consiste em intercalar bielas articuladas entre a extremidade móvel M da mola principal e aquelas das molas secundárias S1 e S2 (figura 2a). É então necessário, para o equilíbrio das forças, retomar os esforços dos pés das bielas por uma orientação apropriada, perpendicular ao eixo da mola. As figuras 2a-d ilustram essa solução na qual as molassecundárias, ou auxiliares, não se inclinam em relação à ortogonal ao eixo da mola principal, mas se comprimem e se distendem sempre no mesmo eixo, graças à ação das bielas 6, 7 de comprimento Lb, e orientações apropriadas.

[00034] Os esforços das molas são escritos:

com:

[00035] O equilíbrio de uma biela implica que os componentes horizontal Fbh e vertical Fbv de sua compressão Fbsão ligados por:

com Lb comprimento da biela: e em qualquer ponto do curso:

E

[00036] A expressão do componente de sustentação P se escreve então:

[00037] A compensação "isodina" volta a verificar a equação:

na maior parte possível do curso.

[00038] Para x não nulo, esta última equação pode ser simplificada em:

[00039] Aparece, portanto, que existe pelo menos uma solução de compensação "perfeita", pelo menos no domínio estático: trata-se de qualquer jogo de grandezas e parâmetros, tais como:

que oferecerá uma compensação isodina teoricamente ideal sobre a totalidade do curso.

[00040] Nessa aplicação, não se sairá do âmbito da invenção, mu dando-se o número ou a disposição das molas secundárias, por exemplo, substituindo duas molas de compressão antagonistas por uma mola de tração posicionada entre os dois pés das bielas e produzindo os mesmos esforços.

[00041] Uma terceira solução, bastante próxima mecanicamente da segunda solução, consiste em intercalar um sistema articulado entre a extremidade móvel M da mola principal e aquelas das molas secundárias S1 e S2 (figura 12a). De acordo com o modo de realização ilustrado nas figuras 12a a 12d, cada sistema articulado compreende duas bielas 8 e 9, e respectivamente 10 e 11, articuladas uma em relação à outra. A primeira biela 9 (ou respectivamente 11) comporta uma extremidade fixada na extremidade da mola principal 1 ligada à carga e uma segunda extremidade articulada em relação a uma primeira extremidade da segunda biela 8 (ou 10). A segunda biela 8 (ou 10) comporta uma extremidade articulada em relação à segunda extremidade da primeira biela, e uma segunda extremidade articulada 13 (ou 15) em relação à armação. A extremidade da mola secundária 2 (ou 3) ligadaà mola principal é fixada na articulação 12 (ou 14) entre a primeira biela 9 (ou 11) e a segunda biela 8 (ou 10). As molas principal 1 e secundária 2 dessa solução são ajustadas e montadas em relação à armação, de maneira idêntica à sua disposição e sua montagem para a primeira e a segunda soluções. As figuras 12a-d ilustram essa solução na qual as molas secundárias, ou auxiliares, não se inclinam em relação à ortogonal ao eixo da mola principal, mas se comprimem e se distendem sempre no mesmo eixo, graças à ação das bielas 8, 9 e 10 e 11 de comprimento Lb, e orientações apropriadas.

[00042] Para essa terceira solução, o sistema de bielas articuladas é mais leve e mais simples de construir. As trajetórias dos pés das bielas são arcos de círculo e os pontos de aplicação dos esforços exercidos pelas molas secundárias podem ser deslocados ou ser utilizados como alavanca para reduzir o volume ou abaixar o centro de gravidade do conjunto.

[00043] Nessa aplicação, não se sairá do âmbito da invenção, mudando-se o número ou a disposição das molas secundárias, por exemplo, substituindo-se duas molas de compressão antagonistas por uma mola de tração posicionada entre os dois pés das bielas e produzindo os mesmos esforços.

[00044] Uma quarta solução, bastante próxima mecanicamente da terceira solução, consiste em intercalar um sistema articulado entre a extremidade móvel M da mola principal e aquelas das molas secundárias S1 e S2 (figura 13a). De acordo com o modo de realização ilustrado nas figuras 13a a 13d, cada sistema articulado compreende duas bielas 8 e 9, e respectivamente 10 e 11, articuladas uma em relação à outra. A primeira biela 9 (ou 11) comporta uma extremidade fixada na extremidade da mola principal 1 ligada à carga e uma segunda extremidade articulada em relação à primeira extremidade da segunda biela 8 (ou 10). A segunda biela 8 (ou 10) comporta uma extremidade articulada em relação à segunda extremidade da primeira biela, uma articulação 13 (ou 15) em relação à armação, e uma segunda extremidade fixada na mola secundária 2 (ou 3). A articulação 13 (ou 15) não corresponde a uma extremidade da biela 8 (ou 10) e é disposta entre as duas extremidades. A mola principal 1 e secundária 2 dessa solução são ajustadas e montadas em relação à armação de maneira idêntica à sua disposição e sua montagem para a primeira e a segunda soluções. As figuras 13a-d ilustram essa solução na qual as molas secundárias (ou auxiliares) não se inclinam em relação à ortogonal ao eixo da mola principal, mas se comprime e se distendem sempre no mesmo eixo, graças à ação das bielas 8, 9, 10 e 11 de comprimento Lb, e orientações apropriadas.

[00045] Para essa quarta solução, o sistema de bielas articuladas é mais leve e mais simples de construir. As trajetórias dos pés de bielas são arcos de circulo e os pontos de aplicação dos esforços exercidos pelas molas secundárias podem ser deslocados, ou ser utilizados como alavancas para reduzir o volume ou abaixar o centro de gravidade do conjunto.

[00046] Nessa aplicação, não se sairá do âmbito da invenção, trocando-se o número ou a disposição das molas secundárias, por exemplo, substituindo-se duas molas de compressão antagonistas por uma mola de tração posicionada entre os dois pés das bielas e produzindo-se os mesmos esforços. Por exemplo, é considerável ligar dois pés de bielas simétricas por uma mola de tração transversal que produz as compressões buscadas nas primeiras bielas 9 e 11. As extre- midades dessa mola de tração pode se achar não importa onde sobre a primeira e a segunda bielas, contanto que elas sejam simétricas em relação a um eixo vertical. De acordo com um outro exemplo, podem- se substituir as molas de compressão secundárias por uma única mola que liga as segundas extremidades das segundas bielas. De acordo com uma outra variante de realização, podem-se substituir as molas secundárias lineares por molas ou barras de torção ou de flexão, controlando a rotação das bielas em torno das articulações em torno da armação.

[00047] Para a terceira e a quarta soluções, o cálculo dos esforços é feito conforme para as duas primeiras soluções e segundo a para- metragem geométrica da figura 14. A figura 14 corresponde à solução das figuras 13a-13d. O esforço da mola principal vale = < ■ - A_..V na qual <-■ é o esforço nominal a meio curso e Kp, a rigidez.

[00048] A componente horizontal Fsh do esforço Fs produzida pela mola secundária no ponto B oferece, no ponto de articulação 12 ou 14 das duas bielas, um esforço horizontal oposto, de intensidade Fsh * n/m com n o comprimento entre as articulações da segunda biela 8 ou 10 com a armação e a mola secundária e m o comprimento entre as articulações da segunda biela 8 ou 10 com a armação e a primeira biela 9 ou 11. A extremidade da mola principal ligada à carga sendo limitada a uma linha vertical, esse esforço induz uma compressão da biela BC. De acordo com a posição do ponto C, e, portanto, segundo a inclinação da biela BC em relação à horizontal, esse esforço complementar é dirigido para cima ou para baixo, ou é nulo quando a biela BC está na horizontal.

[00049] O cálculo do esforço complementar para cada posição de C é baseado na resolução dos triângulos ABC e APT, respectivamente, por meio do Teorema de Pitágoras generalizado, a lei dos co-senos, oferecendo os valores dos ângulos Φ, alfa e θ, assim como o compri- mento, permitindo conhecer o esforço Fs.

[00050] Colocando-se previamente:

podem-se escrever as seguintes equações:

nas quais: - Fsmax é a compressão máxima da mola secundária, correspondente ao mínimo PTmin do comprimento PT, isto é, quando a biela BC é horizontal; - Ks é a rigidez da mola secundária.

[00051] O esforço complementar vertical vale, portanto:

enfim, a sustentação total do sistema é obtida, acrescentando-se o esforço da mola principal ao esforço complementar assim calculado:

EXEMPLOS: 1: Compensador com 3 molas em T:

[00052] Dispondo-se molas do comércio segundo o esquema das figuras 1a-d, é possível modelizar o comportamento do dispositivo. As molas (de compressão) escolhidas para esse exemplo têm as seguintes características:

[00053] Os índices a, b e c caracterizam os valores com respectivamente 50 %, 63 % e 80 % do curso de cada mola. A distância B da figura 1a é a soma do comprimento mínimo Lsmin de uma mola secundária e de um valor E que representam as ponteiras e rótulas (no caso, respectivamente 177 e 76 mm, seja 253 mm para B).

[00054] Para uma carga nominal (Fp0, senha) da mola principal de 500 daN, correspondente à metade de sua flecha, o gráfico da figura 3 mostra o comportamento do dispositivo. A camada CS representa a senha, a curva RPS, a resposta com uma única mola principal, e a camada RC a resposta com a compensação segundo as figuras 1a-d. Em uma larga faixa central do curso C, seja aproximadamente 100 mm, a sustentação F é quase constante a aproximadamente 500 daN. Nas extremidades do curso, o sistema apresenta uma pequena rigidez, que assegura um comando elástico mínimo de aproximadamente 100 daN. Uma aplicação como filtro antivibratório, até mesmo antis- sísmico, poderia se mostrar interessante.

2: Compensador com molas e bielas (figuras 2a-d):

[00055] Retomando-se a mesma mola principal que para o exemplo acima, e molas laterais mais leves associadas a bielas articuladas de comprimento 176 mm, conforme a configuração das figuras 2a-d, obtém-se o seguinte comportamento:

[00056] Onde se pode constatar um efeito melhorado na figura 4, já que o percurso com carga constante F de 500 da N é passado de 100 (figura 3) a 150 mm.

[00057] A compensação "ideal", ao contrário, é mais difícil de atingir, a partir das únicas características dos catálogos. Com molas "sobre medida", será possível se aproximar mais facilmente disso, à condição, em particular, que os valores de rigidez permaneçam constantes sobre todo o curso e que eles não evoluam no tempo.

3: Compensador com macacos pneumáticos ou hidropneumáticos (figuras 5a-c):

[00058] As molas catalogadas, até mesmo sobre medida, têm o inconveniente de serem limitadas a uma faixa de carregamento único e bastante estreita. Os macacos pneumáticos ou hidropneumáticos, ao contrário, apresentam o interesse de poder se adaptar a uma carga por um simples ajuste da pressão, e obter uma rigidez, fazendo-se variar a relação entre a variação de volume no macaco e o volume total do gás ao qual o sistema é conectado. Tratando-se em geral de ar comprimido, que não é inteiramente um gás perfeito, a fórmula geralmente admitida para ligar a pressão P e o volume V é: P.Vy = Constante com para o ar: Y = 1,4

[00059] A resposta de um macaco pneumático não pode, portanto, ser linear, como aquela de uma mola helicoidal. Sua "rigidez" varia ligeiramente ao longo do curso.

[00060] Substituindo-se as molas das figuras 1a-d por esses macacos, obtém-se o esquema das figuras 5a-c. Os macacos secundários ou auxiliares são ligados a um circuito hidráulico P2 V2, o macaco principal sendo ligado sobre um segundo circuito P1 V1. Assim, as regula- gens da pressão hidráulica são independentes.

[00061] O exemplo é baseado em uma aplicação da compensação de uma sustentação devido à onda. A tabela a seguir indica as dimensões principais da instalação:

[00062] A carga máxima é de 454 toneladas (um milhão de libras: 1000 Klbs ou Kips), e o curso máximo de 7,62 m (25 ft.) corresponde a um comprimento clássico para esse tipo de macaco. Os macacos principaissão em número de 2 (N) e os secundários 4 (n). O gráfico da figura 6 mostra o comportamento do compensador. A curva CS repre-senta a senha, a curva VVS, a resposta com uma única mola principal, e a curva VC, a resposta com a compensação segundo as figuras 5a- c. A totalidade do curso C de 7,62 m é percorrida com uma sustentação quase constante com 454 toneladas, o valor absoluto do desvio máximo sendo de 2,623 toneladas, seja 0,58% do valor de senha CS.

[00063] Fazendo-se variar as pressões de cada circuito, é possível compensar a sustentação para qualquer caso de carga inferior com o mesmo material, conforme recapitulado na tabela abaixo e no gráfico da figura 8:

4: Compensador com macacos pneumáticos ou hidropneumáticos com bielas (figuras 7a-c):

[00064] Substituindo-se as molas das figuras 2a-d por macacos hi- dropneumáticos, são obtidos os esquemas das figuras 7a-c.

[00065] O caso da carga e o curso são idênticos ao exemplo precedente. A tabela a seguir indica as dimensões principais:

[00066] O diâmetro das hastes de macacos principais foi diminuído de 4 mm, e os volumes de ar foram sensivelmente diminuídos de 22,3 a 14,9 m3para V1, e de 5,0 a 0,197 m3para V2. O gráfico da figura 9 mostra o comportamento do compensador. A curva CS representa a senha, a curva VVS, a resposta com um único macaco principal, e a curva VC, a resposta com a compensação de acordo com as figuras 7a-c. O desvio máximo é de 1,272 toneladas, seja 0,28% do valor da senha. A compensação teoricamente ideal é muito próxima, mas ela é de todas as formas ilusória, por causa da não linearidade da resposta pneumática.

[00067] Procedendo-se a mesma varredura dos casos de carga que para o exemplo precedente, obtém-se a tabela recaptulativa a seguir apresentada e o gráfico da figura 10:

[00068] As figuras 11a, 11b e 11c ilustram uma aplicação do dispositivo, de acordo com a invenção, a um sistema de levantamento de carga, por exemplo, um aparelho de perfuração suportado por uma instalação flutuante. As diferentes operações, perfuração (aplicação de um peso sobre o instrumento constante), tensão do riser, manutenção da cabeça de poço, requerem um controle do deslocamento da carga P, independentemente do deslocamento do suporte flutuante apesar da onda. A incorporação do dispositivo, de acordo com a invenção, no sistema de compensador de sustentação permite uma otimização do controle. A figura 11b mostra a posição no ponto meio do curso, onde os macacos secundários, ligados ao cadernal "fixo" (crown block) por bielas 6, 7 não agem em complemento dos macacos principais. A figura 11a mostra a posição do sistema compensador em posição alta com a adição dos esforços fornecidos pelos macacos secundários, por intermédio das bielas. A figura 11c mostra o sistema em posição baixa com a subtração dos esforços fornecidos pelos macacos secundários, por intermédio das bielas. O cadernal móvel, no qual fica suspensa a carga P sensivelmente constante, permanece praticamente imóvel em relação ao fundo, considerando-se a conservação do comprimento do cabo, graças ao caminho de cabo, tal como a técnica anterior.

[00069] Na figura 11a, anota-se que cada um dos sistemas de ma cacos principais e secundários possuem meios independentes de controleestático da pressão (P2V2 e P1V1).

[00070] Naturalmente, conforme descrito mais acima, a utilização de bielas não é sistemática, mas facilita muito a incorporação de um sistema, de acordo com a invenção, em um compensador convencional, por exemplo, aquele descrito em US5520369.

5: Compensador com macacos pneumáticos ou hidropneumáticos com bielas (figuras 15a-e):

[00071] A aplicação dessa quarta solução aos navios ou plataformas clássicas de perfuração no mar, isto é, com guincho com cabo e macacos hidropneumáticos que agem sobre o cadernal "fixo" na cabeça do mastro, pode ser realizada simplesmente. Com efeito, o sistema de barras articuladas do compensador de sustentação já é utilizado para conservar o comprimento do cabo ao longo do curso, por exemplo, um compensador de sustentação convencional, notadamente descrito em US5520369. As figuras 15a a 15e representam o princípio dessa realização para um curso de 25 ft. (7,62 m) (só os circuitos hi- dropneumáticos não estão na escala, e as figuras 15a a 15e representando uma metade de compensador de sustentação, a outra metade deduzindo-se por simetria). As figuras 15a a 15e ilustram o deslocamento dos macacos principal 1 e secundário 2 sobre a totalidade do curso C do cadernal superior do compensador de sustentação.

[00072] O cálculo da sustentação desse sistema é análoga ao cálculo com molas mecânicas detalhado mais acima, substituindo os enri- jecedores Kp e Ks por seus equivalentes pneumáticos calculados em cada ponto pela fórmula "politrópica" P. Vy= constante.

[00073] Uma otimização referente ao caso clássico 454 toneladas x 7,62 m (1000 Kpounds x 25 ft) chega ao resultado teórico detalhado na tabela 1 e no gráfico da figura 16. Tabela 1 - Dados exemplo 5

com as anotações das figuras 14 e 15, e D o diâmetro das hastes dos macacos principais, NVP o número de macacos principais, SP, a seção total dos macacos principais, d, o diâmetro das hastes dos macacos auxiliares, NVA o número de macacos auxiliares, SA a seção total dos macacos auxiliares, NP o número de polias do cadernal móvel e TC, a tensão do cabo.

[00074] O gráfico da figura 16 mostra o comportamento do com pensador. A curva CS, em traços pontilhados, representa a senha, a curva VVS, a resposta com somente os macacos principais verticais (V1), a curva LVV a resposta linear (teórica) dos macacos principais verticais e a curva VC, em traço contínuo, a resposta com a compensação, de acordo com as figuras 15a-e.

[00075] O desvio absoluto máximo em relação à senha de peso pendurado é de 1,384 toneladas, seja 0,305% da carga. O dispositivo é, portanto, de bom desempenho, caso se compare com a técnica anterior na qual os melhores resultados são antes de tudo da ordem de 2% ou mais.

[00076] O interesse principal do dispositivo, segundo esse modo de realização, reside também na redução do volume total de ar de alta pressão necessária. As melhores realizações anteriores necessitam de 15 a 20 metros cúbicos de ar à alta pressão (210 bárias), enquanto que o exemplo presente se contenta com 6 m3de volume principal (V1) e 400 litros para o circuito auxiliar (V2) com pressões da mesma ordem.

[00077] Além disso, pode se observar que a sustentação dos macacos principais sozinhos a meio curso é ligeiramente inferior ao valor de senha. Na prática, isto significa que as bielas BC não são horizontais no exato semicurso. A regulagem da pressão máxima P1, efetuada no zero do curso dos macacos principais, não é afetada. Ao contrário, o máximo da pressão P2, obtido colocando-se as bielas BC na ho-rizontal, é um pouco superior ao valor a meio curso (no caso de aproximadamente 0,5 bárias), considerado como máximo para acionar a otimização. Esse detalhe deve ser considerado no dimensionamento.

Aplicações

[00078] 1. Conforme evocado para os diferentes exemplos ilustra dos acima, o sistema de controle do deslocamento relativo de uma carga (de acordo com qualquer uma das variantes de realização da invenção descritas anteriormente), denominado também compensador "isodino", pode ser integrado em um sistema de compensação de sustentação utilizado sobre um suporte flutuante. Por exemplo, o compensador isodino pode ser integrado em um compensador convencional, tal como descrito em US5520369. Dois exemplos de integração em um compensador de sustentação são ilustrados nas figuras 11a-11c e 15a-15e. A utilização do compensador isodino, de acordo com a invenção, em um compensador de sustentação permite uma otimização do controle passivo do deslocamento da carga.

[00079] Para um compensador de sustentação, a armação corresponde à instalação flutuante. Para essa aplicação, o meio de amortecimento principal pode ser constituído de pelo menos um, de preferência, de pelo menos dois macacos de direção sensivelmente paralela à direção da carga (essencialmente vertical). Além disso, no compensador de sustentação, os meios de amortecimento principal e secundário podem compreender macacos hidráulicos. Além disso, os meios de amortecimento principal e secundário podem compreender meios hi- dropneumáticos independentes para regular sua pressão hidráulica, de forma independente.

[00080] 2. O sistema de controle do deslocamento, de acordo com a invenção (compensador isodino) pode ser também aplicado a um compensador de pressão isobárica. Com efeito, qualquer compartimento fechado (envoltório, balão, tubulação, circuito, ...) indeformável contendo um ou uns fluidos capazes de variações de volume (dilataçãoou retirada térmica, reação química, ...) deve ser protegida contra as variações de pressão induzida, que são tanto mais fortes quanto menor compressível for o fluido.

[00081] Essa proteção consiste freqüentemente em colocar em comunicação o compartimento com o volume de gás, nitidamente mais compressível que o fluido considerado e, em geral, isolado deste por uma membrana ou um pistão, e em limitar assim a amplitude da variação de pressão para conter essa pressão nos limites admissíveis pelo compartimento. O dispositivo, conhecido pelo nome de acumulador de pressão, é limitado pelo volume do gás, que constitui ele próprio um segundo compartimento submetido aos mesmos esforços que o compartimento principal, e pelo fato desse volume deve ser tanto mais importante quanto mais se quer limitar a amplitude da variação de pressão. Um acumulador de pressão bem dimensionado constitui uma proteção contra a destruição do comportamento, e permite conservar o fluido no interior, mas o volume e as obrigações regulamentares ligadasà pressão (controles periódicos...) limitam o uso, notadamente nos casos de fluidos caros ou perigosos. Todavia, essa proteção não é absoluta, em caso de dilatação incontrolável (embalamento de uma reação química, incêndio ...).

[00082] Um outro tipo de proteção geralmente utilizado consiste em abrir o compartimento sobre o exterior por meio de um disco de ruptura ou de uma válvula, desde que a pressão limite seja atingida. Esse equipamento é uma proteção absoluta contra a destruição do compartimento, mas o fluido evacuado é perdido e, em geral, a função assegurada pelo compartimento deve pelo menos ser reacionada (caso de um reator químico). Esse tipo de proteção é, portanto, preferível para os fluidos mais caros (água, ar, ...) e para os casos em que a parada temporária, antes do reacionamento, não é penalizante.

[00083] A aplicação da invenção à proteção dos compartimentos fechados, contendo um ou uns fluidos capazes de variações de volume pode ser realizada bem simplesmente, segundo o esquema da figura 17. Um cilindro de seção A é conectado a um compartimento 16 cheio de um fluido à pressão P. Um pistão 17 estanque deslizante no cilindro em um comprimento separa o fluido no interior do comparti-mento do espaço externo. Um compensador isodino, de acordo com a invenção, liga esse pistão 17 a uma armação fixa em relação ao compartimento 16. O compensador isodino pode ser formado, de acordo com a terceira solução ilustrada nas figuras 12, isto é, com uma mola principal 1, uma mola secundária 2, a mola secundária 2 sendo ligada à mola principal 1 por meio de um sistema articulado, compreendendo duas bielas 8 e 9. Assim, o esforço exercido sobre o pistão pelo compensador isodino sendo quase constante, a pressão P reinante no interior do compartimento será apenas muito pouco afetada pelas variações de volume do fluido interno, provocando o deslocamento do pistão em um sentido ou no outro. Esse compensador pode, além disso, ser equipado com um captador de posição do pistão, permitindo detectar qualquer variação de volume do fluido interno. Essa detecção permite, por exemplo, sem mudança das condições de pressão, controlar melhor a evolução de uma reação química no interior do compartimento ou colocar em evidência uma perda ou um ganho de fluido com muito pouco fluxo.

[00084] Enfim, esse dispositivo pode também ser utilizado como amortecedor de pulsações, por exemplo, sobre uma bomba com pistões, ou ainda como acumulador temporário de energia mecânica. Para esta última utilização, a energia armazenada é o produto do deslocamento do pistão pela força, constante, liberada pelo equipamento. A vantagem é de dispor da mesma força, ao longo do curso do pistão, por exemplo, acionar um motor hidráulico com uma pressão de óleo independente no nível "enchimento" do acumulador. Do mesmo modo, caso se utilize o mesmo motor hidráulico (reversível), como bomba, o enchimento se faz também à pressão constante. O equipamento otimizado para uma pressão única tem assim um rendimento máximo sobre toda a faixa de utilização e a potência instantânea, em estocagem e em escoamento, só depende teoricamente do fluxo de óleo possível. Uma aplicação considerável é a recuperação da energia de frenagem de um veículo, onde a capacidade de potência instantânea disponível é mais importante do que a quantidade total da própria energia.

[00085] 3. O sistema de controle de deslocamento de uma carga, de acordo com a invenção, (o compensador "isodino") pode ser, além disso, utilizado em um sistema de suspensão de um veículo. Com efeito, uma massa M suspensa em um suporte por uma ligação deformá- vel (suspensão) reage aos impulsos ou oscilações do suporte segundo duas características principais da suspensão: a rigidez K que determina o esforço exercido em função da amplitude da deformação, e o coeficiente de amortecimento C que determina um esforço suplementar,função da velocidade da deformação.

[00086] M e K definem a freqüência própria, ou freqüência de ressonância, do sistema que se escreve:

[00087] A função essencial de uma suspensão sendo de filtrar as oscilações do suporte, escolhe-se um valor mínimo para k, de modo que a freqüência própria seja a mais inferior possível a freqüências esperadas para essas oscilações. Todavia, K deve ser suficiente para evitar que a suspensão chegue em batente, por exemplo, em caso de esforços dinâmicos importantes acrescentados. Como não é, em geral, possível modificar K (mola helicoidal, bloco de borracha ...), o valor escolhido é um compromisso entre dificuldades divergentes, e a adaptação da maioria das suspensões às diferentes condições de solicitação do suporte (freqüência, efeitos dinâmicos, etc...) só é realizada agindo-se sobre o coeficiente de amortecimento, que é relativamente fácil de modular, utilizando-se circuitos hidráulicos, nos quais se força um fluido a passar por orifícios de seções variáveis.

[00088] O princípio da invenção permite muito facilmente ajustar, de maneira contínua, a rigidez desejada para qualquer curso (rebatimento) de uma suspensão. A figura 18 ilustra uma suspensão do veículo que compreende um compensador isodino, de acordo com a quarta solução ilustrada nas figuras 13a-13b. O compensador isodino disposto entre a roda 19 e a armação do veículo 18, por exemplo, o chassi do veículo. Caso se faça referência à figura 19, vê-se que é possível modular a compressão da biela 9 e, portanto, a resposta elástica global da suspensão, fazendo-se simplesmente variar o comprimento da alavanca da biela 8 do valor zero (nenhuma compensação) a um valor máximo (compensação isodina). Um resultado equivalente pode ser obtido, modificando-se o braço da alavanca e/ou o curso, e, portanto, a faixa de esforços possíveis da mola secundária 2, por exemplo, por meio do comprimento regulável Lr da biela 8.

[00089] A figura 19 ilustra várias curvas que representam a variação do curso C, em função da sustentação F em toneladas, para diferentes rigidezes K. A cada rigidez K é associado um valor do comprimento da alavanca n (cf. Figura 14). Essas curvas correspondem a uma massa suspensa de 0.5 Tonelada e um rebatimento de 500 mm. Segundo es se exemplo, a rigidez desse dispositivo pode ser regulada entre 2 daN/mm (mola principal sozinha) e 0,001daN/mm, seja aproximadamente 1 grama/mm (suspensão isodina). Observa-se que só a curva correspondente à rigidez máxima é uma reta. A ligeira distorção das outras curvas é devido à geometria do sistema de barras articuladas que não pode aproximar o equilíbrio da solução inicial com guias transversais dos pés de bielas.

[00090] Outras regulagens são possíveis, notadamente a distância que separa o pivô A do mínimo do curso da mola principal. O efeito se refere, então, ao valor da sustentação em torno da qual se poderá fazer variar a rigidez. É possível, até determinados limites, adaptar a suspensão a uma variação de aproximadamente + 30 % do valor mediano.

Claims

1. Sistema de controle do deslocamento relativo de uma carga P, comportando pelo menos um meio de amortecimento principal (1) de ação longitudinal de curso C de deslocamento, e tendo duas extremidades, uma ligada a uma armação e a outra ligada à carga, caracterizado pelo fato de compreender um dispositivo de compensação que comporta pelo menos um meio de amortecimento secundário (3, 2) de ação longitudinal, tendo duas extremidades das quais uma é solidária a essa armação e a outra é ligada à extremidade do meio de amortecimento principal ligada à carga, pelo fato de um ponto do curso C, o meio de amortecimento secundário tem uma ação de direção ortogonalà direção desse deslocamento e em que uma das extremidades do meio de amortecimento secundário de ação longitudinal está ligado à extremidade do meio de amortecimento principal ligado à carga por intermédio de um sistema articulado.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de esses meios de amortecimento de ação longitudinal serem do tipo macaco com mola, hidráulico, ou pneumático, ou uma combinação.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o curso C corresponder no máximo ao comprimento da haste desse macaco.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de pelo menos dois meios de amortecimento secundário serem dispostos simetricamente em relação ao eixo desse meio de amortecimento principal, de forma que suas ações se anulem, quando são ortogonais ao eixo do deslocamento.

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de esse ponto de ortogona- lidade ser sensivelmente ao meio do curso C.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o sistema articulado comportar uma biela (6, 7).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o sistema articulado comportar uma primeira biela (9, 11), da qual uma primeira extremidade é fixada na extremidade do meio de amortecimento principal (1) ligada à carga e uma segunda biela (8, 10) que comporta uma primeira extremidade articulada em relação a uma segunda extremidade da primeira biela (9, 11) e uma segunda extremidade articulada em relação à armação, a articulação entre a primeira biela (9, 11) e a segunda biela (8, 10) sendo fixada na extremidade do meio de amortecimento secundário (2, 3) ligada por meio de amortecimento principal (1).

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o sistema articulado comportar uma primeira biela (9, 11), da qual uma primeira extremidade é fixada na extremidade do meio de amortecimento principal (1) ligada à carga, e uma segunda biela (8, 10) que comporta uma primeira extremidade articulada em relação a uma segunda extremidade da primeira biela (9, 11), uma articulação (13, 15) em relação à armação e uma segunda extremidade fixada na extremidade do meio de amortecimento secundário (2, 3) ligada ao meio de amortecimento principal (1).

9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de o deslocamento longitudinal do meio de amortecimento secundário ser feito em uma direção fixa em relação à direção do deslocamento do meio de amortecimento principal.

10. Compensador de sustentação de um suporte flutuante, caracterizado pelo fato de comportar um sistema de controle de deslocamento da carga, como definido em qualquer uma das reivindica- ções precedentes.

11. Compensador, de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de esse meio de amortecimento principal ser constituído de pelo menos dois macacos de direção sensivelmente paralelaà direção da carga.

12. Compensador, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de os meios de amortecimento principal e secundário serem constituídos de macacos hidráulicos.

13. Compensador, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de os meios de amortecimento principal e secundário comportarem meios hidropneumáticos independentes para regular sua pressão hidráulica, de forma independente.

14. Compensador de dilatação isobárica para um compartimento (16), compreendendo um volume de fluido, esse compensador compreendendo um pistão (17) em um cilindro do compartimento (16), caracterizado pelo fato de o pistão (17) ser ligado à armação por um sistema, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

15. Suspensão para veículo terrestre, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um sistema, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, ligando uma roda (19) do veículo e a armação (18) do veículo, o sistema comportando um meio de regu- lagem da rigidez do sistema de controle de deslocamento.