CN103950844B

CN103950844B - 一种新型海洋平台浮吊系统

Info

Publication number: CN103950844B
Application number: CN201410162119.9A
Authority: CN
Inventors: 何斌; 王军; 汤文; 张鹏昌; 侯双超; 张坤峰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: CN103950844A

Abstract

本发明涉及一种新型海洋平台浮吊系统。包括一个船体、四个桩腿、一个搁架、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台、一个塔柱、一套主起升机构。浮吊系统的高温超导混合电磁悬浮回转支承平台实现360°无摩擦回转，具有比普通台车式回转支承或滚子夹套式回转支撑机构更低的功耗，更紧凑的结构，更容易的装配等特点。该回转支撑平台在起吊回转过程中能自动根据臂架旋转到的方位调节支承力的分布，使浮吊系统更加安全可靠。该发明结构紧凑、重心低，工作空间大,非常适合海洋平台的工作环境，具有很好的推广应用价值。

Description

一种新型海洋平台浮吊系统

技术领域

本发明涉及一种新型海洋平台浮吊系统，尤其是一种具有高温超导混合电磁悬浮回转支承平台的海洋平台浮吊系统。

背景技术

随着陆地资源的渐渐枯竭，人类已把眼光投向广袤的海洋，可以远洋作业的大型浮吊已成为海洋工程不可或缺的设备。海洋平台浮吊系统主要是在海洋平台上使用的船用起重机，是在海上执行运输作业的一种特殊起重机，在海洋风电安装平台和海洋钻井平台中广泛应用，还用于船舰间货物的海上补给、运输转移、水下作业设备的投放与回收等任务。其安全可靠性、可维修性、可抗风性及耐腐蚀性要求很高。它具有操纵方便，耐冲击，稳定性能好，安全可靠，对环境条件适应度广等特点。

传统海洋平台浮吊系统，一是运用台车式回转支承结构，采用平衡梁形式，对于大型超大型浮吊要提高承载力，只能通过增加车轮的方式来提高承载力，随之而来的平衡梁数目也大大增加，进而导致回转支撑装置结构庞大，整机重心抬高，同时由于平衡梁级数增加，晃动幅度随之增加，影响海上作业的安全性；二是运用滚子夹套式回转支承结构，然而，这种形式的回转支撑由于采用多点支撑方式，也没有平衡梁的平衡，属于超静定结构，方案设计阶段难以确定滚子个数和排数，设计难度较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型海洋平台浮吊系统。该系统结构简单，控制可靠，安全，体积小，适用工作范围广。

为达到上述目的，本发明的构思是：一种新型海洋平台浮吊系统。包括一个船体、四个桩腿、一个搁架、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台、一个塔柱、一套主起升机构。主起升机构由卷扬机、滑轮组、钢丝绳和吊钩构成，通过卷扬机缠绕钢丝绳可实现吊钩的上升来起吊重物。高温超导混合电磁悬浮回转支承平台固定在船体上，包括一个基座、一个液氮杜瓦冷却装置、高温超导块材、环形悬浮永磁体、一个旋转轴、一个电磁悬浮铁芯、电磁悬浮绕组、八个圆盘直线电机初级、八个高精度气隙传感器、一个圆盘直线电机次级圆盘以及一个上盖。利用这一高温超导回转支撑平台可以实现360°无摩擦回转，极大提高了海洋浮吊平台的作业空间，降低了回转功耗，结构紧凑，装配简易。回转支撑平台在起吊回转过程中能自动根据臂架旋转到的方位调节支承力的分布，使浮吊系统更加安全可靠。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种新型海洋平台浮吊系统，包括一个船体、四个桩腿、一个搁架、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台、一个塔柱和一套主起升机构。其特征在于：所述船体和高温超导混合电磁悬浮回转支承平台固定连接；塔柱固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台上面，可以随高温超导混合电磁悬浮回转支承平台一起绕其轴线做360°回转。所述主起升机构的臂架的下端与塔柱转动连接。船体由四个桩腿支撑而固定在海上；在船体上位于臂架的下方固定安装搁架。

所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台包括一个基座、环形悬浮永磁体、一个液氮杜瓦冷却装置、高温超导块材、一个旋转轴、一个电磁悬浮铁芯、电磁悬浮绕组、八个圆盘直线电机初级、八个高精度气隙传感器、一个圆盘直线电机次级圆盘以及一个上盖。所述悬浮永磁体固定在基座的腔体中心，液氮杜瓦冷却装置以及高温超导块材位于悬浮永磁体正上方。所述电磁悬浮铁芯使用硅钢材料，固定在基座腔体外围，沿圆周分布若干齿，每个齿上缠绕有电磁悬浮绕组；所述电磁悬浮绕组使用铜芯绕组。所述圆盘直线电机初级固定在基座的环形凸环上的环形凹槽内；所述旋转轴与圆盘直线电机次级圆盘以及液氮杜瓦冷却装置采用渐开线花键联接。八个高精度气隙传感器安装在圆盘直线电机次级圆盘下侧面与电磁悬浮铁芯上顶面之间；在圆盘直线电机次级圆盘覆盖着上盖。

所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台的圆盘直线电机次级圆盘采用铝制导体板，高温超导块材为均匀分布在圆面上的直径50mm，高20mm的一系列YBCO块材，环形悬浮永磁体采用Halbach圆环阵列，由7个小圆环体构成。

所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台的圆盘直线电机次级圆盘既作为悬浮导体板，又作为圆盘直线电机次级导体板。

所述主起升机构包括卷扬机、滑轮组、滑轮组、滑轮组、钢丝绳和吊钩，其中卷扬机固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台上，滑轮组安装在塔柱上，滑轮组、滑轮组安装在臂架顶端上。钢丝绳一端连接在卷扬机上通过滑轮组和滑轮组导向，另一端连接在吊钩的上部，通过卷扬机缠绕钢丝绳，实现吊钩的上升来起吊重物。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明采用高温超导混合电磁悬浮回转支承平台，利用这一回转支撑平台可以实现360°无摩擦回转，极大提高了海洋浮吊平台的作业空间，降低了回转功耗，结构紧凑，装配简易；回转支撑平台在起吊回转过程中能自动根据臂架旋转到的方位调节支承力的分布；在传统电磁悬浮装置的基础上增加高温超导永磁悬浮装置，将悬浮力大大增加，使浮吊系统更加安全可靠，非常适合海洋平台的工作环境。

附图说明

图1是新型海洋平台浮吊系统的正视图。

图2是高温超导电磁悬浮回转支承平台的内部结构。

图3是圆盘直线电机正视图和仰视图。

图4是电磁悬浮铁芯及其绕组的正视图和仰视图。

图5是悬浮机构的内部结构以及局部放大图。

图6是高温超导块材的均布示意图。

图7是环形悬浮永磁体的Halbach圆环阵列示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1-图7，一种新型海洋平台浮吊系统，包括一个船体（2）、四个桩腿（1）、一个搁架（11）、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）、一个塔柱（4）和一套主起升机构(A)，其特征在于:所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）固定在船体（2）上；塔柱（4）固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）上面，可以随高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）一起绕其轴线做360°回转；所述主起升机构（A）的臂架（9）的下端与塔柱（4）转动连接。船体（2）由四个桩腿（1）支撑而固定在海上；在船体（2）上位于臂架（9）的下方固定安装搁架（11）。

实施案例二：

本实施例与实施案例一基本相同，特别之处在于：

所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）包括一个基座（12）、环形悬浮永磁体（13）、一个液氮杜瓦冷却装置（14）、高温超导块材(17)、一个旋转轴（18）、一个电磁悬浮铁芯（22）、电磁悬浮绕组(21)、八个圆盘直线电机初级（15）、八个高精度气隙传感器（20）、一个圆盘直线电机次级圆盘（16）以及一个上盖（19）；所述悬浮永磁体（13）固定在基座（12）的腔体中心，液氮杜瓦冷却装置（14）以及高温超导块材（17）位于悬浮永磁体(13)正上方；所述电磁悬浮铁芯（22）使用硅钢材料，固定在基座（12）腔体外围，沿圆周分布若干齿，每个齿上缠绕有电磁悬浮绕组（21）；所述电磁悬浮绕组（21）使用铜芯绕组；所述圆盘直线电机初级（15）固定在基座（12）的环形凸环上的环形凹槽内；所述旋转轴（18）与圆盘直线电机次级圆盘（16）以及液氮杜瓦冷却装置（14）采用渐开线花键联接。八个高精度气隙传感器（20）安装在圆盘直线电机次级圆盘（16）下侧面与电磁悬浮铁芯（22）上顶面之间；在圆盘直线电机次级圆盘（16）覆盖着上盖（19）。所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）的圆盘直线电机次级圆盘（16）采用铝制导体板，高温超导块材（17）为均匀分布在环形悬浮永磁体(13)的圆面上的直径50mm，高20mm的一系列YBCO块材，环形悬浮永磁体（13）采用Halbach圆环阵列，由7个小圆环体构成。所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）的圆盘直线电机次级圆盘（16）既作为悬浮导体板，又作为圆盘直线电机次级导体板。所述主起升机构（A）包括卷扬机（3）、滑轮组（6）、滑轮组（7）、滑轮组（8）、钢丝绳（5）和吊钩（10），其中卷扬机（3）固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）上，滑轮组（6）安装在塔柱（4）上，滑轮组（7）、滑轮组（8）安装在臂架（9）顶端上，钢丝绳（5）一端连接在卷扬机（3）上通过滑轮组（6）和滑轮组（7）导向，另一端连接在吊钩（10）的上部，通过卷扬机（3）缠绕钢丝绳（5），实现吊钩（10）的上升来起吊重物。

实施案例三：

参见图1—图5，本新型海洋平台浮吊系统，包括一个船体（2）、四个桩腿（1）、一个搁架（11）、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）、一个塔柱（4）、一套主起升机构(A)。

高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）包括：一个基座（12）、环形悬浮永磁体（13）、一个液氮杜瓦冷却装置（14）、高温超导块材(17)、一个旋转轴（18）、一个电磁悬浮铁芯（22）、电磁悬浮绕组(21)、八个圆盘直线电机初级（15）、八个高精度气隙传感器（20）、一个圆盘直线电机次级圆盘（16）以及一个上盖（19）。

主起升机构（A）包括：卷扬机（3）、滑轮组（6）、滑轮组（7）、滑轮组（8）、钢丝绳（5）和吊钩（10），其中卷扬机（3）固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）上，滑轮组（6）安装在塔柱（5）上，滑轮组（7）、滑轮组（8）安装在臂架（9）上。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

当浮吊系统起吊重物需要回转时，在电磁悬浮绕组（21）中通入高频交变电流，产生高频电磁场，该高频电磁场在圆盘直线电机次级圆盘（16）表面产生一高频涡流，这一高频涡流与高频电磁场相互作用，使圆盘直线电机次级圆盘（16）受到洛伦茲力的作用。当两者斥力大于圆盘直线电机次级圆盘（16）和上盖（19）等重力时，圆盘直线电机次级圆盘（16）开始上浮。

在圆盘直线电机次级圆盘（16）上浮的同时，高精度气隙传感器（20）检测出圆盘直线电机次级圆盘（16）与基座（12）间的微小间隙，并将其转变为电信号，通过功率放大器传递给控制器，控制器接收到这一电信号，随即控制液氮杜瓦冷却装置（14）冷却至高温超导块材（17）的临界温度（约77K），使其进入超导状态，由于超导体的迈斯纳效应，使得高温超导块材（17）产生完全抗磁性，其与环形悬浮永磁体（13）产生相互作用，从而使自身能够稳定悬浮于悬浮永磁体（13）上方，从而圆盘直线电机次级圆盘（16）能够稳定悬浮，并且悬浮高度能达到50mm左右。

当高精度气隙传感器（20）检测到圆盘直线电机次级圆盘（16）达到预设悬浮高度后，通入电磁悬浮绕组（21）的高频交流电流减小到接近于零（但不为零），由于高温环形超导块材的完全抗磁性，高温超导块材（17）和圆盘直线电机次级圆盘（16）仍能稳定悬浮。

此时，在圆盘直线电机初级（15）的三相绕组中通以交流电，驱动圆盘直线电机次级圆盘（16）低速回转，从而使浮吊系统的主起升机构实现360°无摩擦回转。

当旋转到指定位置时，在圆盘直线电机初级（15）的三相绕组中通以反相交流电，从而迫使其停止旋转，起到制动作用。这时液氮杜瓦冷却装置（14）缓慢升温，高温超导块材（17）失超，高精度气隙传感器（20）将检测到的高度转变为电信号，通过功率放大器传递给控制器，控制器控制电磁悬浮绕组（21）内的高频交流电的大小，使圆盘直线电机次级圆盘(16)缓慢恢复到原始位置。

在旋转过程中，船体（2）及高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）等承受的负载分布会随着臂架（9）的旋转而随之变化，即倾覆力矩载荷会跟随旋转，臂架（9）旋转到的位置，其垂直载荷也相应增大，圆盘直线电机次级圆盘（16）在各处的悬浮高度会变化，此时，分布圆周的高精度气隙传感器（20）会随之感应到这一变化，并将其检测到的高度变化转变为电信号，经过功率放大器传递给控制器，控制器随之控制通入电磁悬浮绕组（21）中各绕组的高频交流电大小，使得承受负载大的部位其通入的高频交流电亦随之增大，其产生的洛伦茨力增大，该洛伦茨力提供支承力，用以平衡该位置增大的垂直载荷以及倾覆力矩载荷，使海洋平台浮吊系统更加稳定安全。

其中，本发明中圆盘直线电机次级圆盘（16）既作为悬浮导体板，又作为圆盘直线电机次级导体板。

本发明实施例对电磁悬浮绕组（21）中的绕组数目不做限制，其缠绕方向保持一致；圆盘直线电机初级（15）数目与绕组数目也一致。

进一步地，为了提高悬浮效果，本发明实施例中电磁悬浮绕组（21）使用铜芯绕组。

进一步地，为了提高悬浮效果，本发明实施例中的电磁悬浮铁芯（22）使用硅钢材料。

进一步地，为了提高悬浮和圆盘直线电机驱动的效果，圆盘直线电机次级圆盘（16）采用铝制导体板，高温超导块材（17）均匀分布于圆面上，其数目控制在2500以上，图6为其均布示意图，图中数目并不代表实际数目。环形悬浮永磁体（17）采用Halbach圆环阵列，由7个小圆环体顺序排列而成。图7为其Halbach圆环阵列示意图。

Claims

1.一种新型海洋平台浮吊系统，包括一个船体（2）、四个桩腿（1）、一个搁架（11）、一个高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）、一个塔柱（4）和一套主起升机构(A)，其特征在于：所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）固定在船体（2）上；塔柱（4）固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）上面，可以随高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）一起绕其轴线做360°回转；所述主起升机构（A）的臂架（9）的下端与塔柱（4）转动连接；船体（2）由四个桩腿（1）支撑而固定在海上；在船体（2）上位于臂架（9）的下方固定安装搁架（11）；

所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）包括一个基座（12）、环形悬浮永磁体（13）、一个液氮杜瓦冷却装置（14）、高温超导块材(17)、一个旋转轴（18）、一个电磁悬浮铁芯（22）、电磁悬浮绕组(21)、八个圆盘直线电机初级（15）、八个高精度气隙传感器（20）、一个圆盘直线电机次级圆盘（16）以及一个上盖（19）；所述环形悬浮永磁体（13）固定在基座（12）的腔体中心，液氮杜瓦冷却装置（14）以及高温超导块材（17）位于环形悬浮永磁体(13)正上方；所述电磁悬浮铁芯（22）使用硅钢材料，固定在基座（12）腔体外围，沿圆周分布若干齿，每个齿上缠绕有电磁悬浮绕组（21）；所述电磁悬浮绕组（21）使用铜芯绕组；所述圆盘直线电机初级（15）固定在基座（12）的环形凸环上的环形凹槽内；所述旋转轴（18）与圆盘直线电机次级圆盘（16）以及液氮杜瓦冷却装置（14）采用渐开线花键联接；八个高精度气隙传感器（20）安装在圆盘直线电机次级圆盘（16）下侧面与电磁悬浮铁芯（22）上顶面之间；在圆盘直线电机次级圆盘（16）上覆盖着上盖（19）。

2.根据权利要求1所述的新型海洋平台浮吊系统，其特征在于：所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）的圆盘直线电机次级圆盘（16）采用铝制导体板，高温超导块材（17）为均匀分布在环形悬浮永磁体(13)的圆面上的直径50mm，高20mm的一系列YBCO块材，环形悬浮永磁体（13）采用Halbach圆环阵列，由7个小圆环体构成。

3.根据权利要求2所述的新型海洋平台浮吊系统，其特征在于：所述高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）的圆盘直线电机次级圆盘（16）既作为悬浮导体板，又作为圆盘直线电机次级导体板。

4.根据权利要求1所述的新型海洋平台浮吊系统，其特征在于：所述主起升机构（A）包括卷扬机（3）、第一滑轮组（6）、第二滑轮组（7）、第三滑轮组（8）、钢丝绳（5）和吊钩（10），其中卷扬机（3）固定在高温超导混合电磁悬浮回转支承平台（B）上，第一滑轮组（6）安装在塔柱（4）上，第二滑轮组（7）、第三滑轮组（8）安装在臂架（9）顶端上，钢丝绳（5）一端连接在卷扬机（3）上通过第一滑轮组（6）和第二滑轮组（7）导向，另一端连接在吊钩（10）的上部，通过卷扬机（3）缠绕钢丝绳（5），实现吊钩（10）的上升来起吊重物。