CN101891130A - 船速补偿液压绞车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船速补偿液压绞车及其控制方法，其包括：卷筒，GPS模块，用于测定测量船的船速；控制器，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；驱动机构，用于收到控制器的调速指令后调整放缆速度。所述驱动机构包括：所述卷筒表面缠绕有拖曳缆；液压马达，与所述卷筒转轴连接，用于驱动或者制动所述卷筒的旋转；进油管和出油管；液压泵站，通过进油管和出油管与所述液压马达连接，所述液压泵站、进油管和出油管形成液压回路；电磁阀，控制所述液压马达与所述液压回路之间的连通或断开。本发明的船速补偿液压绞车及其控制方法能够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。

Description

船速补偿液压绞车及其控制方法

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液压绞车及其控制方法。

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海洋的一种方式。

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释放，进而将坠体1沉放到水下预定的深度。

坠体1在下沉的过程中，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每次下沉的测试结果。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。

现有的CTD测量系统中，一般使用由电动机驱动的电动绞车，拖曳缆缠绕在绞车的卷筒里，当坠体到达预定深度时，离合器将卷筒轴与电动机的传动轴啮合，卷筒旋转回收缆绳；当抛投坠体时，离合器将卷筒轴与电动机的传动轴脱开，缆绳在坠体重力和水流阻力的作用下，克服卷筒的转动惯量向水中释放。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种与电动绞车构思不同的用于垂直剖面测量系统的绞车装置，能够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液压绞车，包括：

GPS模块，用于测定测量船的船速；

控制器，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，用于收到控制器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；

液压马达，与所述卷筒转轴连接，用于驱动或者制动所述卷筒的旋转；

进油管和出油管；

液压泵站，通过进油管和出油管与所述液压马达连接，所述液压泵站、进油管和出油管形成液压回路；

电磁阀，控制所述液压马达与所述液压回路之间的连通或断开。

所述的船速补偿液压绞车还包括：控制器；释放拖曳缆时，所述控制器控制液压泵站停止向液压马达供油，并命令电磁阀将进油管和出油管直接短接，以使所述液压马达与液压回路断开。

所述的船速补偿液压绞车还包括：控制器；当拖曳缆释放到预定深度时，所述控制器控制液压泵站开始向液压马达供油，并命令电磁阀将进油管和出油管断开，以使液压马达与液压回路连通。

所述的船速补偿液压绞车，还包括：吊杆和车架；其中，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。

所述的船速补偿液压绞车，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。

所述的船速补偿液压绞车，还包括制动器，所述制动器为常闭式抱闸制动器，当完成驱动时，所述制动器的使卷筒停止旋转。

所述的船速补偿液压绞车，所述拖曳缆的自由端连接有坠体，所述坠体中设置有垂直剖面数据测量仪器。

所述拖曳缆为铠装钢丝同轴电缆，用于连接坠体并传输数据信号。

一种船速补偿液压绞车的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当投放坠体时，控制液压泵站停止向液压马达供油，命令电磁阀将液压马达的进油口和出油口直接短接，以使卷筒可以轻松地旋转而释放拖曳缆；

步骤S2：当坠体到达预定深度前，控制液压泵站重新开始向液压马达供油，并命令电磁阀将液压马达的进油口和出油口断开，以使卷筒制动而停止放缆；

步骤S3：当坠体上升到平衡深度时，松开制动器，启动液压马达反转卷筒而回收拖曳缆，直至启动下一投放周期。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例的船速补偿液压绞车及其控制方法与传统的电动绞车相比，不使用离合器，只需要控制电磁阀的通断即可，因此控制系统相对来说简单；此外，液压马达之间与卷筒连接，不经过离合器，有利于降低设备故障率，便于维护。

船速补偿液压绞车通过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驱动机构发出调速指令，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。

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液压绞车的结构示意图；

图3为本发明实施例中船速补偿液压绞车控制方法的流程图。

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。

正如背景技术所述，现有的CTD垂直剖面测量系统，通常采用电动机驱动的电动绞车释放或回收拖曳缆。本发明提供一种与电动绞车技术方案构思不同的船速补偿液压绞车，用于海洋垂直剖面测量系统投放或回收探测坠体。

以下结合附图详细说明所述船速补偿液压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液压绞车的结构示意图，图3为本实施例中船速补偿液压绞车控制方法的流程图。为清楚的说明本发明的发明点，图中仅将绞车车架、进油管和出油管用虚线示出，并不表示它们实际的结构，而且控制器、卷筒、电动机等也未按照实际比例绘制。

如图2所示，船速补偿液压绞车包括：液压泵站10、液压马达11、制动器14、卷筒15、电滑环16、控制器17、车架18、分离式的吊杆和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；控制器17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，液压泵站10、液压马达11、制动器14、卷筒15、电滑环16和控制器17均固定在车架18上。液压马达11与所述卷筒转轴连接，用于驱动或者制动所述卷筒15的旋转，为绞车收揽时提供卷筒15旋转的动力。所述液压马达11优选为齿轮式液压马达。卷筒15的驱动装置是液压马达11，液压马达11的动力来自于液压泵站10，液压泵站10由交流电动机(图中未示出)驱动。

进油管12和出油管13设置于液压马达11和液压泵站10之间。进油管12与液压马达11的油腔的连接处为进油口，出油管13与液压马达11油腔的连接处为出油口。

所示液压泵站10通过进油管12和出油管13与所述液压马达11的油腔实现油路的连通。所述液压泵站10、进油管12和出油管13形成液压回路。电磁阀(图中未示出)控制所述液压马达11与所述液压回路之间的连通或断开。当液压马达11与所述液压回路之间连通时，液压泵站10提供的泵油经进油管12的进油口进入液压马达的油腔，而后从出油口流出油腔，经出油管13返回液压泵站10。当液压马达11与所述液压回路之间断开时，液压泵站10提供的泵油直接从进油口流进出油口，而后流回液压泵站10。

所述卷筒15表面缠绕有拖曳缆(图中未示出)。本实施例中，所述卷筒15为圆柱体形，其轴线平行于水平面设置。卷筒15的两个端面具有法兰151、152，法兰的直径大于卷筒15的直径，可以防止卷筒15上缠绕的缆绳滑出。液压马达11和制动器14位于法兰151的一侧，电滑环16位于法兰152的一侧。所述制动器14优选为常闭式抱闸制动器，用于坠体到达水下预定深度时对卷筒15进行制动，以停止放缆。该常闭式抱闸制动器，可以在绞车不工作时能够对卷筒进行制动。

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

所述拖曳缆的一端固定于所述卷筒15上，另一端为自由端，该自由端从所述卷筒15上伸出直接穿过所述导轮。

所述自由端可以与坠体的牵引部固定连接，从而能够投放或回收坠体。所述坠体中设置有垂直剖面数据测量仪器。

控制器17为绞车的控制装置，根据坠体实时深度、海底深度、船速、释放缆长和缆速等因素控制绞车的动作执行。当释放拖曳缆时，所述控制器17控制液压泵站10停止向液压马达11供油，并命令电磁阀将进油管12和出油管13直接短接，以使所述液压马达11与液压回路断开。当拖曳缆释放到预定深度时，所述控制器17控制液压泵站10开始向液压马达11供油，并命令电磁阀将进油管12和出油管13断开，以使液压马达11与液压回路连通。

如图2和图3所示，所述船速补偿液压绞车的控制方法包括以下步骤：

步骤S1：当船行进至预定测量点，收到投放坠体的命令时，控制液压泵站10停止向液压马达11供油，命令电磁阀将液压马达11的进油口和出油口直接短接，使得液压马达11油腔内背压为零，此时卷筒15可以比较轻松地旋转而释放拖曳缆，连接在拖曳缆自由端的坠体在自重和水流阻力的合力作用下把拖曳缆从卷筒15上拉出，投向海底预定深度。

步骤S2：当坠体到达预定深度前，控制液压泵站10重新开始向液压马达11供油，并命令电磁阀将液压马达的进油口和出油口断开，使得液压马达11重新与液压回路连接。此时，液压马达11在高压泵油阻尼和外部的制动器14制动的双重作用下，使卷筒15停止放缆。

步骤S3：完全制动后，在船速造成的水流作用下，拖曳缆阻力产生的垂直分量(也就是升力)会把坠体推向上方，直至升力与坠体重力平衡，坠体将维持在特定深度(即平衡深度)。当坠体上升到平衡深度时，松开制动器14，启动液压马达11反向旋转所述卷筒15以回收拖曳缆，直至启动下一投放周期。

本实施例的船速补偿液压绞车及其控制方法与传统的电动绞车相比，不使用离合器，只需要控制电磁阀的通断即可，因此控制系统相对来说简单；此外，液压马达之间与卷筒连接，不经过离合器，有利于降低设备故障率，便于维护。

船速补偿液压绞车通过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驱动机构发出调速指令，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。

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。

本实施例中所述拖曳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。所述铠装钢丝同轴电缆由中心到外层依次为：铜芯线，第一绝缘层，屏蔽层，第二绝缘层，以及钢丝铠装层。其中，优选的，所述第一绝缘层为聚乙烯绝缘层，所述屏蔽层为铜质屏蔽层，所述第二绝缘层为橡胶绝缘层。

由于钢丝铠装层与铜芯线同为金属材料，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，相应的使得坠体受到的缆绳拉力的水平分力减小，有利于降低坠体的横向偏移，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液压绞车，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 (9)

1.一种船速补偿液压绞车，其特征在于，包括：

GPS模块，用于测定测量船的船速；

控制器，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，用于收到控制器的调速指令后调整放缆速度。

2.根据权利要求1所述的船速补偿液压绞车，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；

液压马达，与所述卷筒转轴连接，用于驱动或者制动所述卷筒的旋转；

进油管和出油管；

液压泵站，通过进油管和出油管与所述液压马达连接，所述液压泵站、进油管和出油管形成液压回路；

电磁阀，控制所述液压马达与所述液压回路之间的连通或断开。

3.根据权利要求2所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，所述控制器还用于释放拖曳缆时，控制液压泵站停止向液压马达供油，并命令电磁阀将进油管和出油管直接短接，以使所述液压马达与液压回路断开。

4.根据权利要求2所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，所述控制器还用于当拖曳缆释放到预定深度时，控制液压泵站开始向液压马达供油，并命令电磁阀将进油管和出油管断开，以使液压马达与液压回路连通。

5.根据权利要求3或4所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，还包括：吊杆和车架；其中，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。

6.根据权利要求3或4所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，还包括制动器，所述制动器为常闭式抱闸制动器，当完成收放缆时，所述制动器的使卷筒停止旋转。

7.根据权利要求6所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，所述拖曳缆的自由端连接有坠体，所述坠体中设置有垂直剖面数据测量仪器。

8.根据权利要求7所述的船速补偿液压绞车，其特征在于，所述拖曳缆为铠装钢丝同轴电缆，用于连接坠体并传输数据信号。

9.一种船速补偿液压绞车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：当投放坠体时，控制液压泵站停止向液压马达供油，命令电磁阀将液压马达的进油口和出油口直接短接，以使卷筒可以轻松地旋转而释放拖曳缆；

步骤S2：当坠体到达预定深度前，控制液压泵站重新开始向液压马达供油，并命令电磁阀将液压马达的进油口和出油口断开，以使卷筒制动而停止放缆；

步骤S3：当坠体上升到平衡深度时，松开制动器，启动液压马达反转卷筒而回收拖曳缆，直至启动下一投放周期。

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