CN101780923B - 超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统，包括机械系统、液压系统、监控系统以及液压油缸和蓄能器的控制等，机械系统由起升卷筒、各套滑轮、钢丝绳、大吨位吊钩组成；液压系统由油缸、蓄能器、液压油泵、液压阀组成；监控系统由浮吊本体位移监测、浮吊船体位移监测、浮吊起吊重物位移监测组成：本发明解决了超大型浮吊重载打捞时、重物被吊出水面的瞬间，由于重物体积庞大，海水形成涡流使浮吊船体船倾且摇摆不定，而吊重也随之摇摆，无法控制的问题；以及解决海上吊装大型结构时，波浪对浮吊船体影响导致的海上平台对接困难问题，保证货物着落到船甲板安全或海洋平台安装安全；而且允许船有一定的倾斜，适应海上作业的恶劣工况。

Description

超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统

技术领域

本发明涉及港口重型机械领域，特别是深海打捞、海洋重工领域。 

背景技术

大型浮吊是一种能够在航道或近岸海域进行定点施工作业的水上起重装备，如进行海上大桥桥梁安装、海上石油平台大件吊装、沉船打捞等，在进行定点起重施工作业时。以起重量这一参数来划分浮吊：起重量在1000吨以下的称为小型浮吊，起重量在1000吨到2000吨为中型浮吊，起重量在2000吨到4000吨为大型浮吊，起重量在4000吨以上称为超大型浮吊；随着海洋工程重型装备技术向大型化、高科技化方向迅速发展，大型浮吊也向超大型化、高效化发展。以适应世界海洋发展战略的新形势、新技术发展的需要；现有的海洋工程作业表现出如下特点：首先是大型浮吊是起升重量超大，能一次起吊成千上万吨的重量，工作幅度区域大，能重载全回转作业，灵活高效；第二，大型浮吊要求实现近海及深海作业；第三，大型浮吊能应对海上多变复杂的气候条件，克服风浪影响完成海上石油平台吊装，或海上打捞；第四，大型浮吊能在全球无限航区自航，快速到达世界各个海域进行海上作业，以应对世界经济全球化的需要。这就要求浮吊不但能够起吊巨大的重量，而且要并实现海上的各种恶劣工况下的作业，能克服风浪影响，完成海上石油平台(模块)吊装以及海上打捞。因此，为满足海洋工程的需要，大型浮吊必须要发明并研制出重载打捞波浪补偿系统。 

国外对波浪补偿方法研究的很多，应用也仅局限在军事上的军舰补给上，但在大型浮吊上应用波浪补偿的几乎是空白，事实上，大型浮吊起升引起的货物摆动收到波浪影响更大，特别是超大型浮吊由于起重量超大，打捞重物会引起很大涡流，导致浮吊船体摆动幅度增加，因此，更加有必要研究和发明一套适合在超大型浮吊应用的重载打捞及海洋工程波浪补偿系统。 

国内外均未有波浪补偿式的大型浮吊，现有的中型及大型浮吊(起重量在1000吨以上)均不具有波浪补偿功能。 

目前，理论上研究较多的常见波浪补偿方式有：主动与牵引复合式补偿方式；随动补偿方式；综合补偿方式；油缸加蓄能器的气液混合型补偿方式。这四种常见的波浪补偿方式均有一定波浪补偿功能，其中主动与牵引复合式补偿方式仅有铅垂方向上补偿功能，没有解决波浪横向补偿和纵向补偿问题，同时浮吊与重物位置对绳索控制灵敏度影响补给效果；随动补偿装置在工作过程中，需将浮吊钢丝绳与海洋平台相连，在工程中很难实现，使用不便；综合补偿装 置结构复杂，制造成本高；油缸加蓄能器的气液混合型补偿方式在浮吊与重物相对速度较小情况下，具有波浪补偿效果，浮吊作业时与重物相对速度小；综合以上几种波浪补偿装置的特点，本专利在超大型浮吊采用油缸加蓄能器的气液混合型的波浪补偿方式。本发明专利所克服的难点和重点是： 

1.由于起重量超大，起重量可达成千上万吨； 

2.由于海洋气候环境恶劣，超大型浮吊要适应这样的环境条件下进行海上作业、进行深海打捞和海洋平台安装，务必提供更加安全和高效的系统； 

3.超大型浮吊作业进行波浪补偿，必须对浮吊各个关键位置的摆动作准确且实时的监测，并将监测信号实时输入到PLC控制系统中，控制系统也必须根据监测信号，实时对液压系统中油缸、蓄能器等发出控制指令，实现闭环控制。整个过程可能是在很短时间内完成的，所以补偿系统必须具有很好响应速度，具有控制的准确性和实时性； 

4.国内外波浪补偿技术目前仅处于研究阶段，应用也仅限于军舰补给领域，而波浪补偿系统在海洋工程领域应用，特别是应用于海洋工程不可或缺的重型装备超大型浮吊属于首创，因此本发明成果具有前瞻性，对我国海洋战略有一定意义。 

发明内容

本新型系统采用有显著的节省起升电机的动力消耗、精确性高、简单集成的、基于一个闭环的动力控制；系统安装在浮吊塔架结构内，(见附图1)，空间占用小。包括机械系统、液压系统、监控系统以及液压油缸和蓄能器的控制等；机械系统由起升卷筒、各套滑轮、钢丝绳、大吨位吊钩组成；液压系统由油缸、蓄能器、液压油泵、液压阀组成；监控系统由浮吊本体位移监测、浮吊船体位移监测、浮吊起吊重物位移监测组成。(见附图3) 

机械系统是补偿系统的直接执行装置，浮吊作业时，起升卷筒36转动带动钢丝绳37经各套滑轮后连接大吨位吊钩26，吊钩下面吊挂重物，由于起升重物时，钢丝绳处于张紧状态，由于波浪载荷的作用，浮吊船体发生倾斜，造成钢丝绳松弛，当浮吊船体摆动至相反方向时，钢丝绳又张紧，吊重在钢丝绳不断松弛和张紧的激励下，引起吊重货物随浮吊船体的摆动而摆动，这是引起重物摆动的直接原因，严重时吊重货物摆动和浮吊船体的纵荡和横倾摆动发生耦合，当波浪激励的频率靠近货物摆动自然频率时，货物摆动呈紊乱现象；此时，监控系统31检测到浮吊的摆动立即启动补偿系统，由油缸22、滑轮组23及滑轮架和蓄能器24组成的装置(见附图2)安装在浮吊上部结构的塔架中，与主升钢丝绳连接；通过油缸伸缩推动补偿滑轮23上下移动，从而吸收或补给由浮吊船体摆动引起的起升钢丝绳37的伸长或收缩量，实现补偿目的。此时控制系统控制液压油缸伸长把多余起升钢丝绳吸收，保证了钢丝绳处于张紧状态，吊载货物由于没有起升钢丝绳松弛与张紧的激励，不会引起很大的摆动，解决了超大型浮吊重载打捞时船体摇摆不定，而吊重也随之摇摆，甚至发生紊乱直至无法控制的问题。

液压系统是补偿系统的间接执行装置，液压系统通过油缸伸缩推动补偿滑轮，吸收起升钢丝绳的伸缩量，另外，蓄能器24把高压空气压入气液增压器34，推动油缸及时收缩放出起升钢丝绳，实现补偿目的。高压气体蓄能器系统可以提高载荷循环，减少瞬间过载时的电力要求；高压气体提供被动载荷补偿时的能量，其中包括高压气罐，压力用空气压缩机进行调节。打开或关闭阀来控制高压罐的使用； 

监控系统是补偿系统的检测和控制装置，其中检测系统是非常敏感的位移和加速度传感器组成的系统，用于检测浮吊各个关键点的摆动，同时把检测信号实时传输给控制系统；监控系统31检测到浮吊船体1的摆动位移，即时发出控制指令，控制主动补偿回路A开始运作，液压油泵32启动，油缸33开始工作，通过油缸伸缩推动补偿滑轮上下移动，从而吸收或补给由浮吊船体摆动引起的起升钢丝绳的伸长或收缩量，起升钢丝绳37通过补偿滑轮39缠绕后再经过吊钩滑轮组起升，整个补偿系统受到监控系统的闭环控制，以保证对吊重摆动的准确控制。保证了浮吊重载起升时，减少吊重货物受浮吊船体摆动激励而随浮吊船体的摆动而摆动的幅度。 

监控系统31通过检测系统38对浮吊本体位移监测，浮吊船体位移监测，浮吊起吊重物位移监测，实时监控浮吊本体及船体的受波浪影响下的运动状况(纵倾和横倾摆动位移、加速度等)，并把监测的数据信号，输入PLC控制系统，控制系统对液压油缸和蓄能器的实施实时控制，保证主动补偿回路和被动补偿回路的正常工作，形成一套闭环控制系统。 

补偿功能用于起升以及下降，移动搬运操作，恒张力功能，同于重着陆模式，冲击吸收功能；以及在海上平台吊装时，波浪影响浮吊船体的船倾或纵荡、使得吊重平台无法对准指定安装位置的问题。主动补偿回路A有能量消耗，被动补偿回路B通过蓄能器吸收并储存一定的能量，用于补充主动补偿回路A的能量损失。 

以上三个主系统是本专利发明的超大型浮吊重载打捞波浪补偿系统的三大主要系统：通过这三个系统的有机结合，形成了超大型浮吊重载打捞波浪补偿系统，本发明专利具有如下特点： 

1.解决了超大型浮吊作业时，浮吊船体受到波浪载荷周期性的激励而引起的浮吊船体的摆动，被起吊重物受到船体的摆动影响而引起随船体摇摆而摆动，而且当波浪周期性激励的频率靠近吊重摆动自然频率时，货物摆动呈紊乱现象 的问题； 

2.解决了超大型浮吊重载打捞时，重物被吊出水面的瞬间，由于重物体积庞大，海水形成涡流使浮吊船体摇摆不定，而吊重也随之摆动，甚至过大到无法控制的问题； 

3.解决了超大型浮吊在吊装海上平台时，由于波浪影响和重物在回转移动过程中导致船体重心的变化，浮吊船体会发生船倾或纵荡，使得吊重平台无法对准指定安装位置的问题； 

4.解决了超大型浮吊重载打捞上来后，吊载货物要放到甲板上或岸上或海洋平台上，由于尽管被吊货物是以慢速度下降，但与平台之间存在相对运动，会产生撞击力的问题。 

经模拟后发现，超大型浮吊在起升同货物起重量时，货物的摆动幅度减小100％以上。通过机械和液压补偿系统的联合动作功能，并通过监控系统对浮吊和补偿系统的有效控制，能够有效解决超大型浮吊重载打捞时，浮吊船体受到波浪载荷的影响而引起的浮吊船体的摆动，以及由于打捞重物体积庞大，海水形成涡流使浮吊船体摇摆不定，而吊重也随之摆动的问题；海上安装作业时，能应对海上多变复杂的气候条件，克服风浪影响完成海上石油平台吊装，使平台顺利对接；能够保证货物着落到船甲板安全或海洋平台安装安全；而且允许船有一定的倾斜，适应海上作业的恶劣工况。因此，本专利发明超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统，使得海上打捞，海上重载作业更加高效，更加安全，作业领域更广，海上作业适应性更强。 

附图说明

下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。 

图1重型浮吊系统的示意图； 

图2浮吊重载打捞波浪补偿系统部分组成示意图； 

图3浮吊重载打捞波浪补偿系统示意图； 

图中标号： 

1、浮吊船体  2、浮吊上部结构  3、起升系统  4、浮吊臂架  5、起吊重物 

6、本专利补偿系统  21、起升卷筒  22、多个补偿油缸  23、多组补偿滑轮 

24、蓄能器  25、起升倍率滑轮  26、大吨位吊钩  31、监控系统 

32、液压油泵  33、油缸  34、气液增压器  35、高压蓄能器 

36、起升卷筒  37、起升钢丝绳  38、检测系统  39、补偿滑轮 

具体实施方式

具体实施方式结合附图3对本发明重型浮吊做进一步的描述： 

在浮吊船体和浮吊臂架头部等各个关键位置布置有监测用传感器，传感器把检测到的信号实时传输到监控系统； 

首先当浮吊起升重物时，由于浮吊船体受波浪的作用而摆动，起升钢丝绳随之伸长和收缩，此时控制系统根据各点传感器采集到的信号，进过PLC控制器处理并发出指令，主动补偿回路A作用，控制液压油缸活塞杆伸长，把多余起升钢丝绳吸收，这样起升钢丝绳一直处于张紧状态，重物保持平衡，不会产生摆动；当控制系统检测到起升钢丝绳张力到一定值时，被动补偿回路B作用，蓄能器把高压空气通入气液增压器，推动油缸及时收缩放出起升钢丝绳，实现补偿目的，此时，吊载货物由于没有起升钢丝绳松弛与张紧的激励，几乎不会引起的摆动，从而达到有效控制吊重摆动的目的，这是针对浮吊船体受到波浪载荷的作用而引起摆动控制的波浪补偿系统； 

第二浮吊在海上进行深海重载打捞作业时，由于重物体积庞大，重物被吊出水面的瞬间，海水形成涡流使浮吊船体船倾且摇摆不定，此时分布于浮吊各点的传感器把检测到的信号实时传输到监控系统，控制系统根据各点传感器采集到的信号，进过PLC控制器处理并发出指令，主动补偿回路A作用，控制液压油缸活塞杆伸长，把多余起升钢丝绳吸收，这样起升钢丝绳一直处于张紧状态，重物保持平衡，不会产生摆动；当浮吊船体反向倾斜时，控制系统检测到起升钢丝绳张力到一定值时，被动补偿回路B作用，蓄能器把高压空气通入气液增加缸，推动油缸及时收缩放出起升钢丝绳，实现补偿目的，此时，吊载货物由于没有起升钢丝绳松弛与张紧的激励，几乎不会引起的摆动，当然，以上过程都是在很短时间内完成的，监控系统实时控制，所以该补偿系统具有较好响应速度。 

第三浮吊在海上吊装大型结构时，波浪对浮吊船体影响导致的海上平台对接困难问题，此时控制系统控制液压油缸伸长，把多余起升钢丝绳吸收，这样起升钢丝绳一直处于张紧状态，重物保持平衡，不会产生摆动，保证海上平台顺利对接，提高浮吊作业效率； 

第四浮吊将打捞上来的重物或大型结构吊装到船甲板或海上平台时，被吊货物是以慢速度下降，平台之间的相对运动，会产生撞击力，该装置的重力吸收发挥作用，在货物与平台甲板接触瞬间感应高压蓄能器，同步向补偿装置油缸释放高压油，使货物立刻有限提升吸收碰撞力，就像弹簧或气囊减振一样，保证货物着落到船甲板安全或海洋平台安装安全。 

通过上述方法，解决了超大型浮吊重载打捞时船体摇摆不定、而吊重也随之摇摆，甚至发生紊乱直至无法控制的问题；以及在海上平台吊装时，波浪影响浮吊船体的船倾或纵荡，使得吊重平台无法对准指定安装位置的问题。 

Claims (2)

1.一种超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统，包括机械系统、液压系统、监控系统，其特征在于，机械系统由起升卷筒、各套滑轮、钢丝绳、大吨位吊钩组成；液压系统由油缸、蓄能器、液压油泵、液压阀组成；监控系统由浮吊本体位移监测、浮吊船体位移监测、浮吊起吊重物位移监测组成：

1)监控系统(31)检测到浮吊船体(1)由于海水形成涡流造成纵倾和横倾摆动位移，及时发出控制指令，主动补偿回路A运作，液压油泵(32)启动，通过油缸(33)伸缩推动补偿滑轮(39)上下移动，从而吸收或补给由浮吊船体(1)摆动引起的起升钢丝绳(37)的伸长或收缩量；

2)当监控系统(31)检测到起升钢丝绳(37)张力到一定值时，被动补偿回路B开始作用，蓄能器(24)把高压空气压入气液增压器(34)，推动油缸(33)和补偿滑轮(39)及时收缩放出起升钢丝绳(37)，实现补偿目的；

3)监控系统(31)通过检测系统(38)对浮吊本体位移监测，浮吊船体位移监测，浮吊起吊重物位移监测，并把监测的数据信号，输入PLC控制系统，控制系统对油缸(33)和蓄能器(24)实施实时控制，保证主动补偿回路A和被动补偿回路B的正常工作，形成一套闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的起升钢丝绳(37)通过补偿滑轮(39)缠绕后再经过吊钩滑轮组起升，整个补偿系统受到监控系统(31)的闭环控制，以保证对吊重摆动的准确控制。

Images