CN101891008A - 船速补偿电动绞车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船速补偿电动绞车，其包括：包括：GPS模块，用于测定测量船的船速；控制系统，用于根据GPS模块测得的船速计算放缆速度并向驱动机构发出调速指令，所述调速指令包括：当船速大于设定值时，增加放缆速度，当船速小于设定值时，调整制动力以降低放缆速度或者收缆；驱动机构，用于收到控制系统的调速指令后调整放缆速度。所述驱动机构包括：卷筒，所述卷筒表面缠绕有拖曳缆；吊杆，所述吊杆的顶端设有导轮；所述拖曳缆的一端固定于所述卷筒上，另一端为自由端，该自由端从所述卷筒上放出直接穿过所述导轮。

Description

船速补偿电动绞车

技术领域

本发明涉及水体测量技术领域，特别涉及一种船速补偿电动绞车。

背景技术

当前，随着科学技术日新月异的进步，人类对水体(包括海洋，江河湖泊)资源的开发、利用和保护也突飞猛进的发展。要开发和利用水体资源必须先了解水体，对水体进行水文测量就是了解水体的一种方式。

例如，在物理海洋学中，随着不同深度的水层温度和含盐量的变化，声速也随之改变，获得特定海域的上述水体参数可以用于声纳测速、测距等海洋测绘；又如，测量海水的温度、盐度(含盐量)等水体参数可以用于海底暗流、大洋环流以及潮汐的研究。在环境海洋学里，测量水体的化学成分含量，可以用于监测和防控蓝藻、赤潮等灾害。

总之，获取水体中各种物理和化学参数比如温度、盐度、深度、溶解氧浓度、PH值、浊度、营养盐含量、叶绿素含量、BOD、COD、氮磷含量、CO₂含量等随着深度变化的垂直剖面图是水体水文和环境测量的重要测量方法。

温盐深垂直剖面测量为一种重要的水体测量技术，适用于海洋、江河湖面等水体的测量。由于盐度可以通过测量海水的导电性(Conductivity)而获得，因此温度(Temperature)、盐度随着深度(Depth)变化的垂直剖面图通常简称为CTD垂直剖面图。

CTD垂直剖面图在军事和民用方面都具有很重要的意义。例如，温度、盐度会影响海水的密度，进而导致声音在不同的温度和/或盐度的海水中的传播速度产生差异。通常将声速异常的水层叫做密跃层，声音在密跃层中传播就像声音在管道中(又称作声道)传播一样，能量损耗最小，在同样的声能情况下声音可以传播得更远；当声音穿透密跃层时，就好像光线从空气传入玻璃两种不同介质的界面时会发生折射现象一样。海水这样的特性在军事上已经被广泛应用，潜艇的声纳可以利用密跃层发现遥远处的目标，也可以利用声道与遥远处的我方潜艇进行通讯，还可以利用密跃层对声波的折射和反射来躲避敌方的搜索。而通过CTD垂直剖面图就能探测到海水中密跃层的分布情况，类似于为潜艇绘制了一张海水地形图。

又例如，通过水体CTD垂直剖面图可以发现不同海区、不同深度的暖水团和冷水团，这些都是探寻渔业资源的重要信息，也可以通过CTD垂直剖面图了解海底热量、湍流和电荷等的输运情况，用于海洋气候学的研究。

由于季节变化及二十四小时内日照的变化，CTD垂直剖面图随着时间和海域的不同也相应变化的。但是在一定的海区，CTD垂直剖面图的变化具有一定的规律。为了摸清CTD垂直剖面图的变化规律，测量工作者需要经常出海进行水文测量。以往的测量方法是船舶在海上定点抛锚，停船状态下投放CTD测量仪进行垂直剖面测量。如果要进行某一海区测量，先在航海图上设定若干个测量点，船舶航行到上述测量点时停船抛锚，向海底投放CTD测量仪进行垂直剖面测量，下坠到海底特定深度并测量完毕后回收CTD测量仪，然后，船舶继续航行到下一测量点进行下一次测量，最后由多个测量点的测量结果综合获得整个海区的CTD垂直剖面图。船舶不断的航航停停，测量一片海区往往要花费相当长的时间，测量的工作量也相当大，例如，测量深度为3-4km，需要5-6小时，这种定点测量的方法既费时又费工。

为了提高测量效率，人们提出了一种走航式CTD垂直剖面测量方法，也就是在船舶行进过程中重复抛投、回收探测坠体，进行连续的CTD垂直剖面测量，不需要停航抛投，而且全部作业都是自动进行。

以下结合图1说明上述测量方法的工作原理。如图1所示，装有CTD测量仪的坠体1通过绞车2吊杆上的挂轮投放入水中，而绞车2固定于船舶3的甲板上。具体说来，绞车2处于自由转动状态，拖曳缆4盘绕在绞车2内部，其末端与坠体1连接，绞车2可以在坠体1的自重和水流阻力的拉力作用下将拖曳缆4(也称电缆或缆绳)释放，进而将坠体1沉放到水下预定的深度。

坠体1在下坠的过程中，装在其内部的CTD测量仪不断地进行实时数据测量，这些数据通过连接在坠体1尾部的拖曳缆4传回到船上的检测仪(图中未示出)，检测仪用于记录和储存坠体1每次下坠的测试结果。坠体1被投放到预定深度后，绞车2开始回收拖曳缆4，从而将坠体1由水下回收；当坠体1回收到距离水面的设定深度时即停止回收，绞车2再次开始自动释放拖曳缆4，坠体1再次被投向海底深处，船舶3沿方向D航行，图1中曲线A示出了坠体1在水中的运动轨迹。如此周而复始进行投放和回收作业，船舶始终在以一定的速度航行，于是节省了船舶停航、再启动的大量时间，提高了测量效率，大大节省了在某一海区测量的作业时间，提高了费效比。而且，由于作业速度快，测量点更密集，提高了水文测量精度，而且有可能捕捉到瞬间即逝的一些水文变化。但是这种方法的测量深度和船速有关，不同的船速，坠体的下坠深度也不同，船速越高，坠体能到达的深度就越小。

现有的CTD测量系统中，放缆和收缆速度一般都是预先设定，而测量船的速度对坠体下坠轨迹存在较大的影响，如果在测量过程中船速发生变化，水体对拖曳缆的阻力也随着改变，则导致拖曳缆对坠体产生水平方向的分力，从而使得坠体下坠偏离垂直方向，影响测量的准确性。

此外，拖曳缆收回后都缠绕在绞车的卷筒里，卷筒前方设有自动排缆机构，该自动排缆机构在放缆过程中能够跟随出缆位置左右移动，从而可以整齐排缆，使得拖曳缆不至于缠绕打结。然而问题在于，实际测量过程中曾经发生过拖曳缆被绞车法兰边缘擦破损坏的事故。发明人研究发现，这是由于船速突然变化，卷筒在高速转动惯量的惯性作用下，放缆速度不可能与船速始终保持一致，过多放出的拖曳缆无法及时穿过正上方的导缆筒和导轮，多余的拖曳缆就有可能被绞车带到卷筒外，被运动机构擦破外皮，导致拖曳缆内的数据线损坏。

发明内容

本发明解决的问题是如何避免测量船的船速变化对坠体下坠轨迹存在较大的影响，提高测量的准确性。

为解决上述问题，本发明一种船速补偿电动绞车，包括：

GPS模块，用于测定测量船的船速；

控制系统，用于根据GPS模块测得的船速计算放缆速度并向排缆机构发出调速指令，所述调速指令包括：当船速大于设定值时，增加放缆速度，当船速小于设定值时，降低放缆速度或者收缆；

驱动机构，用于收到控制系统的调速指令后调整放缆速度。

所述驱动机构包括：

卷筒，所述卷筒表面缠绕有拖曳缆；

吊杆，所述吊杆的顶端设有导轮；

所述的船速补偿电动绞车还包括：车架，所述卷筒固定与车架上，所述吊杆与车架分离，设置于相隔车架一定距离的位置。

所述车架上还固定有电动机，用于驱动卷筒旋转

优选的，所述拖曳缆为铠装钢丝同轴电缆，用于连接坠体装置并传输数据信号。

所述铠装钢丝同轴电缆的中心为铜芯线，外层为钢丝铠装层。

所述钢丝铠装层到铜芯线之间还依次包括第一绝缘层、屏蔽层和第二绝缘层。

所述钢丝铠装层与所述铜芯线具有基本相同的伸缩系数。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

船速补偿电动绞车通过GPS模块获得测量船的船速，控制系统根据GPS测得的船速计算放缆速度并向排缆机构发出调速指令，当船速大于设定值时，增加放缆速度，当船速小于设定值时，降低放缆速度或者收缆；驱动机构收到控制系统的调速指令后调整放缆速度。这样一来，驱动机构随着船速的变化而调整放缆速度或者收缆，从而避免了船速变化对坠体下坠轨迹的影响，提高测量的准确性。

而且，相对于现有的绞车，本发明的船速补偿电动绞车其卷筒的宽度更小，没有附加的自动排缆机构，因此绞车的体积小，不会过多占用甲板上的面积，通用性较强。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为走航式CTD测量方法的工作原理示意图；

图2为本发明实施例中船速补偿电动绞车排缆机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中船速补偿电动绞车的侧视图；

图4为传统的拖曳缆的横截面示意图；

图5为本发明实施例中拖曳缆的横截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸，以下结合附图进行说明。

基于此，本发明提供一种船速补偿电动绞车，以下结合附图详细说明所述船速补偿电动绞车的一个具体实施例。为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，坠体、船和用于垂直剖面测量的仪器。

图2为本实施例中船速补偿电动绞车的结构示意图，图3为本实施例中船速补偿电动绞车的侧视图。为清楚的说明本发明的发明点，图中仅将绞车车架用虚线示出，并不表示实际的车架结构，而且吊杆与卷筒、电动机等也未按照实际比例绘制。

如图2所示，所述船速补偿电动绞车包括：电动机10、减速器11、离合器12、卷筒13、刹车器14、电滑环15、控制箱16、吊杆17和车架18，以及GPS模块(图中未示出)。

其中，GPS模块用于测定测量船的船速，GPS模块优选为便携式的GPS装置；控制箱16设置有控制系统，该控制系统用于根据GPS模块测得的船速计算放缆速度并向驱动机构发出调速指令，所述调速指令包括：当船速大于设定值时，增加放缆速度，当船速小于设定值时，降低放缆速度或者收缆；驱动机构用于收到控制系统的调速指令后调整放缆速度。

车架18固定于船舶的甲板上，电动机10、减速器11、离合器12、卷筒13、刹车器14、电滑环15和控制箱16均固定在车架18上。电动机10为绞车收缆时提供卷筒13旋转的动力。

减速器11与所述电动机10连接，作为电动机10的传动机构，优选的，所述减速器11为蜗杆减速器。离合器12在控制箱16的控制下将减速器11的传动轴与卷筒轴(图中未示出)脱开或者啮合。本实施例中，所述离合器12为失电牙嵌式离合器，当减速器11的传动轴与卷筒轴啮合时，电动机10的输出动力被传递到卷筒13，卷筒13被电动机10驱动而旋转；当减速器11的传动轴与卷筒轴脱开连接时，卷筒13可以自由旋转或被所述刹车器14制动。

所述卷筒13表面缠绕有拖曳缆(图中未示出)。本实施例中，所述卷筒13为圆柱体形，其轴线平行于水平面设置。卷筒13的两个端面具有法兰131、132，法兰的直径大于卷筒13的直径，可以防止卷筒13上缠绕的缆绳滑出。离合器12位于法兰131的一侧，刹车器14位于法兰132的一侧。所述刹车器14优选为蝶式刹车装置，用于坠体到达水下预定深度时对卷筒13进行制动，以停止放缆。

吊杆17设置于相隔车架18一定距离的位置，优选的，所述吊杆17与车架18分离，可以灵活的调整其在船舶甲板上的位置。吊杆17的顶端设有导轮19，导轮19离甲板的距离由吊杆17的高度决定。

所述拖曳缆20(参见图3)的一端固定于所述卷筒13上，另一端为自由端，该自由端从所述卷筒13上伸出直接穿过所述导轮19。所述自由端可以与坠体21的牵引部固定连接，从而能够投放或回收坠体。

上述船速补偿电动绞车的工作原理如下：

首先将一段缆绳20从卷筒13上放出，穿过吊杆17上的导轮19，与坠体21上的牵引部连接好，将坠体21放入水中。投放坠体21时，离合器12减速箱的传动轴与卷筒13转轴脱开，坠体在自重和水流阻力的合力作用下，克服卷筒13的转动惯量、各种传动机构的摩擦力，将缆绳从卷筒13上拉出，投向水下预定深度。坠体21到达预定深度后，利用刹车器14制动，为保护缆绳免受强大的冲击力，制动时间有一段延迟时间，延迟时间的长短可以通过调节制动油压的大小来调整。这一延迟时间对缆绳起到了缓冲和保护作用。

完全制动后，在船速造成的水流作用下，缆绳20的所受阻力产生的垂直分量(也就是升力)会把坠体21推向上方，直至升力与坠体重力平衡，坠体21将维持在预定深度。这时离合器12再次与卷筒13转轴啮合，松开刹车器14，开启电动机10驱动卷筒13转动以回收坠体21，直至坠体21回收到离水面一定深度处，停止回收，启动下一投放周期。

绞车不工作时和断电状态下刹车器14不起作用，离合器12在断电状态下始终保持啮合，此时利用蜗杆传动的减速器11的反向自锁功能为绞车制动。

卷筒上缠绕的缆绳，也即拖曳缆，不仅用于连接、拖曳坠体装置，并且用于传输数据信号，实际上也是电缆，可见，拖曳缆既要有良好的机械特性，又要具有可靠的电气特性，以下结合附图说明本发明实施例中提供的拖曳缆。

图4为传统的拖曳缆的横截面示意图，图5为本发明实施例提供的拖曳缆的横截面示意图。

传统的拖曳缆为凯夫拉尔同轴电缆，如图4所示，由中心向外层依次包括：铜芯线30，聚乙烯绝缘层31，铜质屏蔽层32，橡胶绝缘层33，凯夫拉尔纤维层34，以及，聚胺酯保护层35。这种电缆的外径通常约为9.3mm，最小破断力约为1000kgF，发明人研究发现，其不足之处在于，外部的凯夫拉尔纤维层34与内部的铜芯线30的伸缩性相差较大，而在抛投或回收拖体过程中，缆绳受到的拉力引起凯夫拉尔纤维层34和铜芯线30形变量相差过大，这是导致电缆断裂破坏的本质原因之一。

本实施例中所述拖拽缆为铠装钢丝同轴电缆，其中心为铜芯线，最外层为钢丝铠装层。如图5所示，所述铠装钢丝同轴电缆由中心到外层依次为：铜芯线40，第一绝缘层41，屏蔽层42，第二绝缘层43，以及钢丝铠装层44。其中，优选的，所述第一绝缘层41为聚乙烯绝缘层，所述屏蔽层42为铜质屏蔽层，所述第二绝缘层43为橡胶绝缘层。

由于钢丝铠装层44与铜芯线40同为金属材料，具有基本相同的伸缩系数，因此受到拉力时，形变量较小不易发生断裂。

此外，铠装钢丝同轴电缆直径相对于凯夫拉尔同轴电缆的直径更小，破断力更大(约5500kgF)，因此在水中受到的阻力较小，相应的使得拖体受到的缆绳拉力的水平分力减小，有利于降低拖体的横向偏移，提高测量的准确性。

本发明实施例提供的船速补偿电动绞车通过GPS模块获得测量船的船速，控制系统根据GPS测得的船速计算缆长和放缆速度并向驱动机构发出调速指令，当船速大于设定值时，驱动机构增加放缆速度以补偿船速过快导致的坠体上升，当船速小于设定值时，驱动机构降低放缆速度或者进行收缆。这样一来，驱动机构随着船速的变化而调整放缆速度或者收缆，从而避免了船速变化对坠体下坠轨迹的影响，提高测量的准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。需要说明的是，本发明提供的船速补偿电动绞车，不限于CTD测量系统，还可在各种海洋水文垂直剖面调查行为中用于投放或回收探测坠体而得到多种类型数据，例如物理海洋学中CTD、溶解氧、PH、浊度等参数，海洋生物学中营养盐、叶绿素等参数，海洋环境保护领域中生物耗氧量(BOD)、COD、氮磷含量等参数，海洋化学中氨氮、CO2等含量参数，因此具有广阔的应用范围。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种船速补偿电动绞车，其特征在于，包括：

GPS模块，用于测定测量船的船速；

控制系统，用于根据GPS模块测得的船速计算放缆速度并向驱动机构发出调速指令，所述调速指令包括：当船速大于设定值时，增加放缆速度，当船速小于设定值时，调整制动力以降低放缆速度或者收缆；

驱动机构，用于收到控制系统的调速指令后调整放缆速度。

2.根据权利要求1所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述驱动机构包括：

卷筒，所述卷筒表面缠绕有拖曳缆；

吊杆，所述吊杆的顶端设有导轮；

所述拖曳缆的一端固定于所述卷筒上，另一端为自由端，该自由端从所述卷筒上放出直接穿过所述导轮。

3.根据权利要求2所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，还包括：车架，所述卷筒固定于车架上，所述吊杆与车架分离，设置于相隔车架一定距离的位置。

4.根据权利要求3所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述车架上还固定有电动机，用于驱动卷筒旋转。

5.根据权利要求2所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述拖曳缆为铠装钢丝同轴电缆，用于连接坠体装置并传输数据信号。

6.根据权利要求5所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述铠装钢丝同轴电缆的中心为铜芯线，外层为钢丝铠装层。

7.根据权利要求6所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述钢丝铠装层到铜芯线之间还依次包括第一绝缘层、屏蔽层和第二绝缘层。

8.根据权利要求6所述的船速补偿电动绞车，其特征在于，所述钢丝铠装层与所述铜芯线具有基本相同的伸缩系数。

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