CN100585361C - 一维系泊缆及立管动力特性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种海洋工程技术领域的海洋结构物系泊缆及立管动力特性试验装置，包括滑动式系泊缆及立管试验平台、岸边轨道式支架、可更换制动杆、交流伺服电机控制系统和池底等距锚点等。岸边轨道式支架固定于水池岸边，滑动式系泊缆及立管试验平台置于岸边轨道式支架轨道内，通过可更换制动杆水平连接岸边轨道式支架和滑动式系泊缆及立管试验平台从而固定滑动式系泊缆及立管试验平台，交流伺服电机控制系统控制滑动式系泊缆及立管试验平台上的滑块滑动，滑动式系泊缆及立管试验平台的滑块下端系挂系泊缆或立管模型，系泊缆或立管模型另一端固定在池底等距锚点上。本发明克服了改变大幅水平跨距困难，控制精度差，难于操作等缺点。

Description

一维系泊缆及立管动力特性试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程领域的装置，具体地说，是一种一维系泊缆及立管动力特性试验装置。

背景技术

实际工程经验证明，系泊系统对于海洋结构物的运动响应十分重要，如何准确预测系泊系统的运动响应成为当今海洋工程领域的一个重大课题。对深水平台或者FPSO进行模型试验时，正确模拟其系泊缆和立管装置对于试验的准确性起着至关重要的作用。理想情况下，模型试验中的系泊缆和立管的物理特性需要全部符合实际情况。现行情况下，检查系泊缆模型或者立管模型是否满足要求，主要是看模型的顶端张力-位移特性，即静力位移特性是否满足预期要求，而很少考虑系泊缆或者立管的动力特性相似。过去认为系泊结构物的水平振荡速度很小，可忽略系泊缆的动力作用，而只考虑系泊缆的静力作用。而有关研究表明，系泊缆对系泊结构物慢荡阻尼有较大的影响，系泊缆动力特性已经引起越来越多研究人员的兴趣。

经对现有技术的文献检索发现，陈小红，黄祥鹿在1995年第五期《上海交通大学学报》发表的“随机振荡法测量锚泊线动力的双频率响应函数”中提到了一种研究锚泊线动力特性的试验，该试验在长12m，宽0.4m，深0.75m的水槽中进行，通过上端计算机和直流电机设备输入锚泊线上端-维水平运动，测量锚泊线上端点的动态水平位移和张力。该试验存在以下一些不足之处：(1)电动机主轴到工作台之间通过丝杠等中间环节来传递运动，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，丝杠容易产生弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差，进而影响对运动指令的快速响应。同时丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。(2)需人工移动试验平台从而改变大幅度水平跨距，费时费力；(3)系泊缆及立管试验平台整体置于水槽中，高度有限，水深难于控制；(4)直流伺服电机精度较低，不能精确控制滑块运动；进一步检索中，未发现与本发明主题相同或者类似的文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维系泊缆及立管动力特性试验装置。本发明在现有技术的基础上，通过在系泊缆及立管试验平台底部安装滑轮，支架轨道设计，池底布置等距锚点等，齿轮、齿槽轨道设计，使得试验更加方便改变水平跨距；通过水池岸边整体设计，升降水池假底可调节水深，使得试验更加易于操作；通过改用交流伺服电机系统和PCI伺服运动控制卡代替原有直流电机，大大提高试验精度；通过改用齿轮、齿槽轨道设计代替原来丝杠传动装置，改进了运动控制精度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：滑动式系泊缆及立管试验平台、岸边轨道式支架、可更换制动杆、交流伺服电机控制系统、系泊缆及立管模型以及池底等距锚点，岸边轨道式支架固定于水池岸边，滑动式系泊缆及立管试验平台置于岸边轨道式支架轨道内，通过可更换制动杆水平连接岸边轨道式支架和滑动式系泊缆及立管试验平台从而固定滑动式系泊缆及立管试验平台，交流伺服电机控制系统控制滑动式系泊缆及立管试验平台上的滑块运动，滑动式系泊缆及立管试验平台的滑块下端系挂系泊缆或立管模型，系泊缆或立管模型另一端固定在池底等距锚点上。

所述滑动式系泊缆及立管试验平台包括：四个滑轮、一条滑轨、滑块、齿轮、齿槽轨道、联轴器、电机支座、刻度指针、两块支撑钢板和入水杆，连接方式为：一条滑轨和齿槽轨道固定于两块支撑钢板之间，四个滑轮对称安装在两块支撑钢板下表面，同时在岸边轨道式支架上自由滑动，通过滑动式系泊缆及立管试验平台与岸边轨道式支架左端支撑边之间的可更换制动杆实现滑动式系泊缆及立管试验平台制动；滑动式系泊缆及立管试验平台电机支座上放置交流伺服电机，交流伺服电机通过联轴器连接齿轮，齿轮在齿槽轨道上转动，滑块横跨于滑轨上，交流伺服电机控制系统的交流伺服电机可以输出类似正弦等运动模态，带动齿轮转动，齿轮反作用于交流伺服电机，电机固定在电机支座上，电机支座与滑块连接在一起，从而带动滑块运动，滑块下端连接入水杆，入水杆下端连接六分力传感器、位移传感器以及系泊缆或立管，从而实现控制系泊缆或立管上端点一维运动，同时滑块中间位置安装刻度指针，刻度指针指向岸壁刻度尺。

所述岸边轨道式支架包括：滑槽轨道，岸壁刻度尺。滑槽轨道提供滑动式系泊缆及立管试验平台滑轮所需滑动轨道，为岸边轨道式支架的主体部分；岸壁刻度尺标注在水池岸壁上，用于指示岸边轨道式支架上滑动式系泊缆及立管试验平台的相对位移。岸壁刻度尺与滑槽轨道平行，位于滑槽轨道在岸壁上的投影位置，通过滑动整个滑动式系泊缆及立管试验平台，从而实现较大的水平跨距，即实现较大幅度慢漂情况下系泊缆及立管动力特性研究。

所述可更换制动杆包括不同尺度的连接杆，连接杆通过滑动式系泊缆及立管试验平台和岸边轨道式支架支撑边的螺栓螺母固定，从而到达制动平台系统运动的目的。试验进行时，滑动式系泊缆及立管试验平台必须固定，只允许滑块带动系泊缆或立管运动，所以必须固定滑动式系泊缆及立管试验平台。在滑动式系泊缆及立管试验平台左端和岸边轨道式支架左端支撑板焊接有固定螺栓，用于固定连接杆。当研究小幅度水平慢漂距离下的动力特性时，可以通过移动滑块位置实现；当研究中等或大幅度慢漂距离下动力特性时，需要联合移动滑动式系泊缆及立管试验平台和滑块实现。当移动滑动式系泊缆及立管试验平台移动至一定位置后，可利用可更换制动杆固定。

所述交流伺服电机控制系统包括一套PCI伺服运动控制卡和一套交流伺服电机。控制过程为：PCI伺服运动控制卡接受计算机发出的指令，控制交流伺服电机转动，交流伺服电机与滑动式系泊缆及立管试验平台上齿轮轴向连接，保证运动同步。

所述池底等距锚点包括0m，2m，4m，6m，......14m等8个池底固锚点，0m点为岸边轨道式支架中点竖直下方，其余点则沿水池岸壁方向分别延伸相应距离，当岸边轨道式支架跨距不能满足系泊缆水平慢漂跨距时，可以通过改变池底等距锚点实现更大的水平跨距，实现更大程度慢漂距离下动力研究。

所述系泊缆及立管模型包括各种直径、材料、长短的系泊缆及立管模型，其特性根据实际系泊缆和立管，按照一定比例缩小制作。

本发明的整体岸边设计，滑动式系泊缆及立管试验平台设计、齿轮、齿槽轨道设计以及交流伺服电机控制系统设计克服了改变大幅水平跨距困难，控制精度差，难于操作等缺点，能够更好的用于海洋结构物系泊缆及立管动力特性试验。考虑材料特性，由于岸边轨道式支架需要支撑滑动式系泊缆及立管试验平台，刚度要求较高，需要采用钢质结构；同时由于可更换连接杆的设计，避免了测试平台的运动，可以利用更加轻质的材料制作滑动式系泊缆及立管试验平台，使之更加易于操作。由于滑块运动依赖于齿轮的传动，所以滑块需要采用尤为轻质的材料。本发明可以用于各种形式系泊缆或立管动力测试，包括悬链线式，张紧式等。

附图说明

图1为交流伺服电机控制系统流程图

图2为岸边整体布置图

图3为岸边轨道式支架结构图

图4为滑动式系泊缆及立管试验平台系统示意图

图5为总体结构示意图

图中：池岸1、假底2、岸边轨道式支架3、滑槽轨道4、岸壁刻度尺5、滑动式系泊缆及立管试验平台6、滑块7、刻度指针8、入水杆9、联轴器10、齿轮11、滑轨12、可更换制动杆13、滑轮14、支撑钢板15、池底等距锚点16、系泊缆或立管模型17和交流伺服电机控制系统18、齿槽轨道19，电机支座20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图5所示，本实例包括：岸边轨道式支架3、滑动式系泊缆及立管试验平台6、可更换制动杆13、系泊缆或立管模型17、池底等距锚点16和交流伺服电机控制系统18等。连接方式是：岸边轨道式支架3固定于水池岸边，滑动式系泊缆及立管测试平台6置于岸边轨道式支架3上，交流伺服电机控制系统18轴连接滑动式系泊缆及立管试验平台6，滑动式系泊缆及立管试验平台6通过系泊缆或立管模型17连接池底等距锚点16。

如图2所示，岸边轨道式支架3固定于水池岸边，滑动式系泊缆及立管试验平台6置于岸边轨道式支架3上，滑动式系泊缆及立管试验平台6通过系泊缆或立管模型17连接假底2上池底等距锚点16。

如图4所示，滑动式系泊缆及立管试验平台6包括：滑块7，刻度指针8，入水杆9，联轴器10，齿轮11，滑轨12，四个滑轮14，两块支撑钢板15，齿槽轨道19，电机支座20等，连接方式为：滑动式系泊缆及立管试验平台6整体置于滑槽轨道4上，滑动式系泊缆及立管试验平台6通过联轴器10连接交流伺服电机控制系统18，电机安装在电机支座20上，用于控制齿轮11运动，齿轮11在滑槽轨道19上水平一维运动，从而带动滑动式系泊缆及立管试验平台上滑块7振荡运动，滑块7下端铆接入水杆9，入水杆9系挂系泊缆或立管模型17，系泊缆或立管模型17另一端固定在池底等距锚点16上。

所述滑轨12和齿槽轨道19固定于两块支撑钢板15之间，滑槽轨道19位于滑轨12中间的凹槽内，四个滑轮14对称安装在两块支撑钢板15下表面，同时在岸边轨道式支架3上自由滑动，通过滑动式系泊缆及立管试验平台6与岸边轨道式支架3左端支撑边之间的可更换制动杆13实现平台制动。

所述滑块7横跨于滑轨12上，滑块12上下平面与滑轨之间有一定距离，交流伺服电机控制系统18的交流伺服电机可以输出类似正弦等运动模态，通过联轴器10带动齿轮11运动，齿轮11在齿槽轨道19上一维运动，从而带动滑7块在滑轨12上一维运动。

所述入水杆9下端连接六分力传感器、位移传感器，从而实现控制系泊缆或立管上端点一维运动，同时滑块7中间位置安装刻度指针8，刻度指针8指向岸边轨道式支架3中的岸壁刻度尺5。

所述电机支座20用于支撑电机，同时用于将齿轮11的一维运动传递给滑块7。

所述滑动式系泊缆及立管试验平台总长为1350mm，滑块最大行程为1150m，

如图3所示，岸边轨道式支架3包括：滑槽轨道4和岸壁刻度尺5。滑槽轨道4可以为滑动式系泊缆及立管试验平台6提供滑动所需轨道，岸壁刻度尺5是刻在池岸壁上的一组以5厘米为一单位的刻度尺，用于指示滑动式系泊缆及立管试验平台6的相对位置。滑槽轨道4中点位于池底锚点0m点垂直上方。

所述岸边轨道式支架3全长为6m，安装上需要保证滑槽轨道4与水平面平行，不允许有明显倾角。

所述滑槽轨道4长为6m。

如图1所示，交流伺服电机控制系统18由一套PCI伺服运动控制卡和一套交流伺服电机组成。控制过程为：计算机发出指令给PCI伺服运动控制卡，伺服运动控制卡控制交流伺服电机转动，交流伺服电机与滑动式系泊缆及立管试验平台6的联轴器10连接保证其运动共轴，交流伺服电机带动齿轮11转动。

PCI运动控制卡是一款基于PCI总线技术的4轴步进脉冲型伺服运动控制卡，应用于常规的精确运动控制。它简化了步进和脉冲伺服运动控制，可以显著的提高电机的运动性能。该卡采用了MCX314运动ASIC芯片，能够提供各种运动控制功能，如2/3轴线性插补，2周圆弧插补，T/S曲线加速/加速等。此外PCIPCI运动控制卡在执行这些运动控制功能控制电机时，不会增加处理器的负担。交流伺服电机采用三菱公司HC-KFS交流伺服电机，功率750W，MR-J2S交流伺服。

可更换制动杆13可根据需要制造不同长度杆件。制动杆通过螺栓螺母固定于滑动式系泊缆及立管试验平台6左侧和岸边轨道式支架3左侧支撑板之间。考虑试验装置实际需要，每500mm制作一档，可以制作600mm，1100mm，1600mm(滑动式系泊缆及立管试验平台6中心位于锚点0m上方情况，可用此杆)，2100mm，2600mm等5根制动杆。

按照研究方案测定某系泊缆或立管动力特性时，首先根据前面所述将支架固定于池岸边相应位置，调节滑动式系泊缆及立管试验平台6位置，使其中点位于轨道式支架3的中间位置，即池底等距锚点16的0m的垂直上方。利用可更换制动杆13固定滑动式系泊缆及立管试验平台6，使其轨道方向固定。调节交流伺服电机控制系统18，保证其输出预期振荡运动。交流伺服电机控制系统18通过滑动式系泊缆及立管试验平台6联轴器10连接控制齿轮11运动，齿轮11在齿槽轨道20上振荡运动，带动滑动式系泊缆及立管试验平台6上滑块7作轨道方向一维振荡运动，滑块7下端铆接入水杆9，入水杆9系挂系泊缆或立管模型17，系泊缆或立管模型17另一端固定在池底等距锚点16上。可以在系泊缆和立管模型17顶端安装六分力传感器和位移传感器，通过分析记录六分力传感器数据和位移传感器数据，得到系泊缆或立管上端点运动曲线和动态受力曲线，可用于进一步研究系泊缆及立管水动力系数等。

当需要研究中等或大幅度慢漂情况下系泊缆及立管动力特性时，可以左移动或右移动滑动式系泊缆及立管试验平台6至指定位置，可通过滑块7上的刻度指针8定位，同时更换合适制动杆13固定滑动式系泊缆及立管试验平台6。当岸边轨道式支架3极端位置仍然不能满足水平跨距时，可以更换池底锚点16位置，如从池底2m位置移至4m或6m位置等。

Claims (8)

1、一种一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征在于，包括：滑动式系泊缆及立管试验平台、岸边轨道式支架、可更换制动杆、交流伺服电机控制系统、系泊缆及立管模型以及池底等距锚点，其中：岸边轨道式支架固定于水池岸边，滑动式系泊缆及立管试验平台置于岸边轨道式支架轨道内，通过可更换制动杆水平连接岸边轨道式支架和滑动式系泊缆及立管试验平台从而固定滑动式系泊缆及立管试验平台，交流伺服电机控制系统控制滑动式系泊缆及立管试验平台上的滑块滑动，滑动式系泊缆及立管试验平台的滑块下端系挂系泊缆或立管模型，系泊缆或立管模型另一端固定在池底等距锚点上，所述滑动式系泊缆及立管试验平台包括：四个滑轮、一条滑轨、滑块、齿轮、联轴器、齿槽轨道、刻度指针、两块支撑钢板和入水杆，滑轨和齿槽轨道固定于两块支撑钢板之间，四个滑轮设置在两块支撑钢板下表面，交流伺服电机安置于电机支座上，齿轮在齿槽轨道上转动，交流伺服电机与齿轮通过联轴器连接，电机支座与滑块连接在一起，滑块横跨于滑轨上，滑块下端连接入水杆，交流伺服电机控制系统的交流伺服电机可以输出类似正弦运动模态，带动齿轮转动，齿轮反作用于交流伺服电机，从而带动滑块运动，入水杆下端连接六分力传感器、位移传感器以及系泊缆或立管模型，滑块中间位置安装刻度指针，六分力传感器和位移传感器安装在系泊缆和立管模型顶端，通过分析记录六分力传感器数据和位移传感器数据，得到系泊缆或立管模型上端点运动曲线和动态受力曲线。

2、根据权利要求1所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述四个滑轮同时在岸边轨道式支架上自由滑动，通过滑动式系泊缆及立管试验平台与岸边轨道式支架左端支撑板之间的可更换制动杆实现滑动式系泊缆及立管试验平台制动。

3、根据权利要求1所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述岸边轨道式支架包括：滑槽轨道、岸壁刻度尺，岸壁刻度尺标注在水池岸壁上，岸壁刻度尺用于指示岸边轨道式支架上滑动式系泊缆及立管试验平台的相对位移，岸壁刻度尺与滑槽轨道平行，位于滑槽轨道在岸壁上的投影位置，滑槽轨道提供滑动式系泊缆及立管试验平台滑轮所需滑动轨道。

4、根据权利要求3所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述岸边轨道式支架的滑槽轨道与水平面平行。

5、根据权利要求1或4所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述滑动式系泊缆及立管试验平台中的刻度指针指向岸边轨道式支架中的岸壁刻度尺。

6、根据权利要求3所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述可更换制动杆包括各尺度的连接杆，可更换制动杆通过螺栓螺母固定于滑动式系泊缆及立管试验平台左侧和岸边轨道式支架左侧支撑板之间。

7、根据权利要求1所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述交流伺服电机控制系统包括一套PCI伺服运动控制卡和一套交流伺服电机，PCI伺服运动控制卡接受计算机发出的指令，控制交流伺服电机转动，交流伺服电机与齿轮通过联轴器连接保证其运动共轴，交流伺服电机转动带动齿轮运动。

8、根据权利要求1所述的一维系泊缆及立管动力特性试验装置，其特征是，所述池底等距锚点包括0m，2m，4m，6m，......14m等8个池底固锚点，0m点为岸边轨道式支架中点竖直下方，其余点则沿水池岸壁方向分别延伸相应距离。

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