CN104555769B - 一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车，包括缆绳收放系统、自动排缆系统、刹车系统和主动升沉补偿系统，所述缆绳收放系统包括卷筒支撑底架、卷筒和主传动系统，主传动系统安装在卷筒的一侧，卷筒的另一侧设有刹车盘，刹车盘上设有刹车系统，自动排缆系统位于卷筒后方，所述主动升沉补偿系统分别与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统相连。本海洋绞车采用交流变频电驱动单轴结构型式，相比传统液压驱动绞车，具有操作方便、下降提升速度快、噪声小、体积小、结构紧凑、能量转换效率高的特点，对环境没有污染和危害作用。

Description

一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车

技术领域

本发明涉及一种海洋绞车，特别涉及涉及一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车。

背景技术

海洋绞车主要指依托科学考察船、海洋资源勘探船、海洋工程辅助船，海底铺管船等海洋工程船舶用于提升和下放重物的绞车。海洋绞车作业环境恶劣，工作载荷不稳定，安全可靠性要求高。海洋绞车必须具有适应波浪起伏的升沉补偿功能、足够大的滚筒尺寸和缠绳容量、能够与滚筒协调动作的排缆机构以及安全可靠的刹车装置。

海洋绞车结构主要有两种类型，即单卷筒一体化绞车和牵引机构与储缆机构各自分开、前后布置的分离式绞车收放系统。单卷筒一体化绞车适合安装在海洋船舶的甲板上，具有负载小、系统简单、结构紧凑、运输与安装方便、制造成本低等特点，能很好的完成投放和回收工作，但收放重物的重量直接作用在绞车卷筒和缆绳上，导致绞车卷筒上缆绳的张力、缆绳之间的摩擦和挤压很大，会加剧钢缆磨损，缩短使用寿命等不足。目前丹麦MacArtney公司、美国Dynacon公司、江苏海泰船舶成套设备有限公司、上海劳雷仪器系统有限公司等都生产单卷筒一体化海洋绞车。分离式绞车收放系统主要由牵引绞车和储缆绞车两部分组成，牵引绞车布置在收放架的后面，排缆机构和储缆机构依次顺序布置在牵引绞车的后面。牵引绞车由结构相同、顺序排列的两个绞盘构成，每个绞盘上带有6-8 个平行或以一定角度倾斜缆槽。绞车工作时，缆绳由负重端进入牵引绞车，依次在牵引绞车的两个绞盘上缠绕多圈后（通常有6 -8个缆槽），两个绞车盘同步驱动，由缆槽与缆绳之间的摩擦力完成提升或下放功能。由于缆绳在牵引绞车缠绕圈数较多，缆绳与绳槽摩擦力作用使牵引绞车后端（与储缆绞车连接）的张力相对于前端（负载连接端）大大减少。并且由于储缆绞车缆索承受的张力较小，还可以大大减少深海绞车多层排缆对脐带缆的破坏。但这种分离式绞车的结构相对较复杂，尺寸较庞大，运输和安装所需空间较大，适合安装在船舱内或船舶甲板空间比较富余的场合。目前挪威Odim公司和美国Dynacon公司都生产这种分离式绞车收放系统，其中挪威Odim公司主要生产电驱动绞车，而美国Dynacon公司主要生产液压驱动绞车。

海洋绞车工作环境复杂恶劣，工作空间受限，维修安装不便，而且海洋绞车吊装对象一般都是价格高昂精密仪器设备。为了确保这些贵重设备的安全收放，提高海洋绞车的安全可靠性，通常采用多台变频器、多台电机对绞车卷筒进行拖动，这就涉及到多台变频器、多台电机拖动同一负载的同步协调控制问题以及主传动系统功率冗余配置问题。多电机同步控制技术是采取有效的控制措施，研究多台变频器、多台电动机的同步协调控制技术，实现多台电机的同步拖动，即转矩、功率分配均匀，达到整个调速范围内平滑无脉动，低速运行平稳，提高多电机传动系统的动态性能与稳态性能，协调各个电机间的正常运作，确保海洋绞车安全可靠地运行。主传动系统功率冗余配置一方面海洋绞车驱动电机配备足够大的功率，保证海洋绞车正常收放以及升沉补偿功能；另一方面配置的功率要分散，即根据要求的总功率，由多台电动机平均分配。如丹麦MacArtney新型海洋绞车的电机冗余配备6台，在复杂恶劣的海洋工作环境下，如果其中1-3台电机出现故障，剩余的电机正常工作仍然能保证海洋绞车安全可靠运行，确保贵重设备的安全回收。

升沉补偿系统可分为被动式升沉补偿系统和主动式升沉补偿系统，被动式升沉补偿系统通常以气体弹簧、液压系统等形式实现被动补偿，基本不消耗能量，但补偿精度较低，且需要较大的蓄能器体积。主动式升沉补偿系统通常是设置致动器以主动补偿升沉运动带来的影响，其主要特点是补偿精度高，抗干扰能力强，但需消耗较多能量。在文献中已经描述的许多主动升沉补偿系统，通常由液压或气压系统驱动。液压或气压主动升沉补偿主要特点是主动升沉补偿系统采用液压或气压控制系统驱动绞车。然而，该类海洋绞车系统结构相对复杂，且存在液压或气压中工作流体泄漏的风险。

国外已经开展了电驱动海洋绞车的研究，并有相关产品面世，其主要原理是在传统海洋绞车的基础上将电机驱动升沉运动中的负载。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、使用寿命长、工作稳定可靠并且能够实现主动升沉补偿的电驱动主动升沉补偿海洋绞车。

本发明解决上述问题的技术方案：一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车，包括缆绳收放系统、自动排缆系统、刹车系统和主动升沉补偿系统，所述缆绳收放系统包括卷筒支撑底架、卷筒和主传动系统，主传动系统安装在卷筒的一侧，卷筒的另一侧设有刹车盘，刹车盘上设有刹车系统，自动排缆系统位于卷筒后方，所述主动升沉补偿系统分别与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统相连，主传动系统包括多个卷筒驱动电机、多个行星减速器、轮系和转盘轴承，行星减速器安装在减速器固定架上，减速器固定架固定在卷筒支撑底架上，每个卷筒驱动电机均与一个行星减速器相连，行星减速器经轮系与卷筒主轴相连，所述卷筒两端分别固定在两个转盘轴承内圈上，两个转盘轴承外圈固定在轴承座上，轴承座安装在卷筒支撑底架上。

上述电驱动主动升沉补偿海洋绞车中，所述轮系包括多个第一齿轮和一个第二齿轮，行星减速器与第一齿轮连接，第二齿轮安装在滚筒主轴上，第一齿轮与第二齿轮相啮合，驱动转盘轴承的带齿轮内圈。

上述电驱动主动升沉补偿海洋绞车中，所述自动排缆系统包括排绳驱动电机、蜗轮蜗杆减速器、丝杆、排绳导向杆、导向滑架、缆绳导向轮安装架、缆绳导向轮、排绳机架，排绳驱动电机、蜗轮蜗杆减速器、丝杆、排绳导向杆均安装在排绳机架上，排绳驱动电机经蜗轮蜗杆减速器与丝杆相连，排绳导向杆安装在丝杆旁且与丝杆平行，导向滑架活动套接在排绳导向杆上，导向滑架上固设有丝杆螺母，丝杆螺母与丝杆螺纹连接，缆绳导向轮安装架用第一销轴安装在导向滑架上，所述缆绳导向轮用第二销轴安装在缆绳导向轮安装架上。

上述电驱动主动升沉补偿海洋绞车中，所述刹车系统包括液压装置与制动器，所述液压装置包括油缸、电机、恒压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一过滤器、第二过滤器、第三过滤器、溢流阀、压力表、蓄能器、电磁换向阀、单向节流阀，油缸、第一过滤器、恒压泵、第一单向阀、第二过滤器、第二单向阀、电磁换向阀通过管路依次连接，所述电机与恒压泵相连，溢流阀的一端连接在第二过滤器与第二单向阀之间的管路上，另一端分别连接电磁换向阀、第三过滤器的一端，第三过滤器的另一端与油缸相连，所述压力表、蓄能器均连接在第二单向阀与电磁换向阀之间的管路上。

上述电驱动主动升沉补偿海洋绞车中，所述制动器包括导柱、固定板、导柱连接板、刹车片托架、刹车片、液压缸，固定板通过第一螺栓固定在卷筒支撑底架上，固定板两侧各设有一个导柱，两导柱下端通过第二螺栓固定在固定板上，两导柱的顶端通过导柱连接板固定，所述刹车片托架两端分别套装在两根导柱上，液压缸和刹车片均固定在刹车片托架上。

上述电驱动主动升沉补偿海洋绞车中，所述主动升沉补偿系统包括控制器、加速度传感器、张力传感器、深度传感器、所述加速度传感器安装在母船上，采集母船的加速度信号并送入控制器，张力传感器安装在缆绳上，采集缆绳张力信号并送入控制器，深度传感器安装在水下作业装备上，采集缆绳释放长度信号兵送入控制器，控制器与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统相连。

本发明的有益效果在于：

1、本海洋绞车采用交流变频电驱动单轴结构型式，相比传统液压驱动绞车，具有操作方便、下降提升速度快、噪声小、体积小、结构紧凑、能量转换效率高的特点，对环境没有污染和危害作用。海洋绞车传动形式采用多电机+多行星减速器+轮系（内啮合）+转盘轴承支撑的结构形式，具有机构简单、结构紧凑、受力均衡、运动平稳的优点，且标准部件多，便于加工制造；

2、本海洋绞车具有主动式升沉补偿功能，根据反馈控制原理，通过传感器实时检测海洋绞车的工作参数（船体升沉加速度、缆绳释放长度、缆绳张力），进入PLC控制器，PLC控制器集成主动升沉补偿控制算法，采用“前馈控制十串级控制”的三冲量复合控制策略对缆绳长度进行补偿和预测控制，通过变频器控制电机及卷筒的转速及转向，驱动绞车收放系统来收放缆索，实现主动升沉补偿的功能；

3、为了确保海洋绞车安全可靠地运行，海洋绞车控制系统采用三套变频调速装置分别对6台电机进行供电，每套变频调速装置并联驱动2台电机，三套变频装置采用矢量控制、主从同步，保证6台电机的同步拖动，实现6台电机输出同样转矩，转矩、功率分配均匀，达到整个调速范围内平滑无脉动，低速运行平稳的水平；6台电机同时驱动，功率配置足够大，如果1-2电机发生故障时，可以停下一套变频调速装置，剩余的变频调速装置及电机仍能驱动负载正常工作，保证水下吊装设备的安全；

4、海洋绞车自动排缆系统采用独立伺服电机驱动，结合光电编码器和PLC控制技术，实现排缆系统与绞车缆绳收放系统的同步协调控制；自动排缆系统的编码器检测卷筒转速和丝杆转速，PLC集成控制算法，构成反馈控制，确保缆绳缠绕时不出现缠绕不均匀、乱绳、咬绳现象，从而影响缆绳使用寿命和作业安全；

5、本海洋绞车采用单向盘式液压制动器，其结构紧凑，制动源采用液压制动方式，具有制动响应快速、制动力矩大的优点，保证深海作业装备能够正常运行、安全下放与回收工作；

6、海洋绞车DCS监控系统采用基于工业以太网、现场总线和PLC技术的双机热备冗余控制系统，PLC主站是两套完全相同的独立系统、利用CPU模块组成热备系统。上位机和PLC主从站之间采用工业以太网进行数据通讯，PLC主从站与RIO子站采用现场总线通讯。当热备系统中的模块发生故障时，系统自动发生切换，要求切换时间非常短，大约40ms完成切换，并能支持以太网模块IP地址的自动切换。

附图说明

图1为本发明海洋绞车的结构示意图。

图2为图1中缆绳收放系统的结构示意图。

图3为图2的爆炸图。

图4为图1中自动排缆系统的结构示意图。

图5为本发明自动排缆系统的原理示意图。

图6为本发明液压装置的结构示意图。

图7为本发明制动器的结构示意图。

图8为本发明主动升沉补偿系统工作状态结构示意图。

图9为本发明主动升沉补偿原理示意图。

图10为本发明主从控制原理示意图。

图11为本发明矢量控制原理示意图。

图12为本发明DCS监控系统原理示意图。

图中：1—卷筒驱动电机，2—行星减速器，3—第一齿轮，4—卷筒主轴轴承，5—第二齿轮，6—卷筒，7—刹车系统，8—刹车盘，9—轴承座，10—卷筒支撑底架，11—减速器固定架，12—排绳驱动电机，13—蜗轮蜗杆减速器，15—丝杆，16—排绳导向杆，17—导向滑架，18—缆绳导向轮安装架，19—缆绳导向轮，20—排绳机架，21—第二销轴，22—第一销轴，24—刹车片，25—液压缸，26—第二螺栓，27—导柱连接板，28—刹车片托架，29—第三过滤器，30—第一过滤器，31—第二单向阀，32—油缸，33—电机，34—恒压泵，35—第一单向阀，36—第二过滤器，37—溢流阀，38—压力表，39—蓄能器，40—电磁换向阀，41—单向节流阀，42—制动器，43—导柱，44—固定板，45—控制器，46—海洋绞车，47—收放架，48—加速度传感器，49—滑轮，50—张力传感器，51—缆绳，52—水下作业装备，53—深度传感器，54—母船，55—卷筒编码器，56—缆绳，57—丝杠编码器，58—行程开关，59—伺服电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括缆绳收放系统、自动排缆系统、刹车系统7和主动升沉补偿系统，如图2、图3所示，所述缆绳收放系统包括卷筒支撑底架10、卷筒6和主传动系统，主传动系统安装在卷筒6的一侧，卷筒6的另一侧设有刹车盘8，刹车盘8上设有刹车系统7，自动排缆系统位于卷筒6后方，所述主动升沉补偿系统分别与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统7相连，主传动系统包括多个卷筒驱动电机1、多个行星减速器2、轮系和转盘轴承，行星减速器2安装在减速器固定架11上，减速器固定架11固定在卷筒支撑底架10上，每个卷筒驱动电机1均与一个行星减速器2相连，行星减速器2经轮系与卷筒6主轴相连，所述卷筒6两端分别固定在两个转盘轴承内圈上，两个转盘轴承外圈固定在轴承座9上，轴承座9安装在卷筒支撑底架10上，所述轮系包括多个第一齿轮3和一个第二齿轮5，行星减速器2与第一齿轮3连接，第二齿轮5安装在滚筒主轴上，第一齿轮3与第二齿轮5相啮合，驱动转盘轴承的带齿轮内圈。

如图1、图4、图5所示，所述自动排缆系统包括排绳驱动电机12、蜗轮蜗杆减速器、丝杆15、排绳导向杆16、导向滑架17、缆绳导向轮安装架18、缆绳导向轮19、排绳机架20，排绳驱动电机12、蜗轮蜗杆减速器、丝杆15、排绳导向杆16均安装在排绳机架20上，丝杆15由排绳驱动电机12通过蜗轮蜗杆减速器驱动，带动自动排缆系统左右移动；排绳导向杆16安装在丝杆15旁且与丝杆15平行，导向滑架17活动套接在排绳导向杆16上，导向滑架17上固设有丝杆螺母，丝杆螺母与丝杆15螺纹连接，缆绳导向轮安装架18用第一销轴22安装在导向滑架17上，所述缆绳导向轮19用第二销轴21安装在缆绳导向轮安装架18上，缆绳导向轮19轴线与排绳导向杆16垂直，减少了缆绳56进入缆绳导向轮19的排缆角。自动排缆系统下方设置两个非接触式磁电感应式接近开关58，用于检测自动排缆系统是否到达卷筒6的两端，在绞车卷筒6轴上安装了卷筒编码器55，用于检测卷筒6的精确位置。卷筒编码器55与卷筒6主轴相连，检测卷筒6运行转速，并将检测结果送至控制器45，控制器45得出缆绳56在卷筒6上的精确位置，发出控制信号启动排绳驱动电机12，排绳驱动电机12旋转并带动丝杆15转动，从而缆绳导向轮19移动，实现实时跟随卷筒6运动。

所述刹车系统7包括液压装置与制动器42，如图6所示，所述液压装置包括油缸32、电机33、恒压泵34、第一单向阀35、第二单向阀31、第一过滤器30、第二过滤器36、第三过滤器29、溢流阀37、压力表38、蓄能器39、电磁换向阀40、单向节流阀41，油缸32、第一过滤器30、恒压泵34、第一单向阀35、第二过滤器36、第二单向阀31、电磁换向阀40通过管路依次连接，所述电机33与恒压泵34相连，溢流阀37的一端连接在第二过滤器36与第二单向阀31之间的管路上，另一端分别连接电磁换向阀40、第三过滤器29的一端，第三过滤器29的另一端与油缸32相连，所述压力表38、蓄能器39均连接在第二单向阀31与电磁换向阀40之间的管路上。

如图7所示，所述制动器42包括导柱43、固定板44、导柱连接板27、刹车片托架28、刹车片24、液压缸25，固定板44通过第一螺栓固定在卷筒支撑底架10上，固定板44两侧各设有一个导柱43，两导柱43下端通过第二螺栓26固定在固定板44上，两导柱43的顶端通过导柱连接板27固定，所述刹车片托架28两端分别套装在两根导柱43上，液压缸25和刹车片24均固定在刹车片托架28上。

所述主动升沉补偿系统包括控制器45、加速度传感器48、张力传感器50、深度传感器53、所述加速度传感器48安装在母船54上，采集母船54的加速度信号并送入控制器45，张力传感器50安装在缆绳51上，采集缆绳51张力信号并送入控制器45，深度传感器53安装在水下作业装备52上，采集缆绳51释放长度信号兵送入控制器45，控制器45与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统7相连。如图8、图9所示，主动升沉补偿系统工作原理为：通过在母船54上安装加速度传感器48（船舶姿态仪）测量母船54升沉运动加速度，将加速度作为前馈控制器的输入；然后对加速度信号进行积分获得母船54升沉运动位移，并和缆索设定长度、缆索实际长度一起经过反馈控制器PID1（缆索长度控制器）运算；PID1的输出结果作为拖缆张力控制器PID2的设定值输入端，即拖缆设定张力，缆绳51实际张力通过张力传感器50检测进入PID2输入端；经过运算，其输出送给变频器频率设定端子，再控制变频器的启停、输出频率和输出电源的相序，变频器驱动拖缆绞车完成拖缆指定长度的收放。

如图10、图11所示为本发明中多台变频器多电机协调控制原理图，主变频器跟踪速度指令实现速度闭环控制，同时给从变频器提供转矩指令信号，而从变频器根据主变频器提供的转矩信号构建转矩控制闭环，使其输出转矩与主变频器的输出转矩保持一致，从而实现两变频器之间输出功率的均衡控制。采用矢量控制方式，通过建立异步电机的数学模型并基于坐标变换，按照转子磁场定向原则，将异步电机定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，并对这两个分量进行解耦控制，达到对异步电机进行高性能调速控制的目的。

如图12所示为本发明中海洋绞车DCS监控系统，海洋绞车控制系统拟采用基于工业以太网、现场总线和PLC技术的双机热备冗余控制系统，PLC1和PLC2是两套完全相同的独立系统、利用CPU模块组成热备系统。上位机和PLC1、PLC2之间采用工业以太网进行数据通讯，以太网具有以下优点：开放性好；数据传输率很高；远程技术的应用，容易与信息网络集成；有利于资源共享；支持多种的物理传输介质（同轴电缆、双绞线、光缆、无线）和拓扑结构；成本和费用低廉。PLC1、PLC2与RIO1、RIO2采用现场总线通讯，当热备系统中的模块发生故障时，系统自动发生切换，要求切换时间非常短，大约40ms完成切换，并能支持以太网模块IP地址的自动切换。海洋绞车DCS监控系统采用下位机自动控制、上位机自动、手动控制和就地手操相结合的方式,来保证整个系统可靠地运行。下位机自动控制时, 通过执行施耐德程序,实施对整套设备的控制和显示等。上位机自动、手动控制时,能实时控制系统现场设备的生产过程。就地手操时,相应的设备从整个系统中解列出来,由操作人员在就地设备上进行操作。以上自动、手动和就地之间都是平滑无扰动的相互切换。

Claims (4)

1.一种电驱动主动升沉补偿海洋绞车，其特征在于：包括缆绳收放系统、自动排缆系统、刹车系统和主动升沉补偿系统，所述缆绳收放系统包括卷筒支撑底架、卷筒和主传动系统，主传动系统安装在卷筒的一侧，卷筒的另一侧设有刹车盘，刹车盘上设有刹车系统，自动排缆系统位于卷筒后方，所述主动升沉补偿系统分别与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统相连，主传动系统包括多个卷筒驱动电机、多个行星减速器、轮系和转盘轴承，行星减速器安装在减速器固定架上，减速器固定架固定在卷筒支撑底架上，每个卷筒驱动电机均与一个行星减速器相连，行星减速器经轮系与卷筒主轴相连，所述卷筒两端分别固定在两个转盘轴承内圈上，两个转盘轴承外圈固定在轴承座上，轴承座安装在卷筒支撑底架上，所述轮系包括多个第一齿轮和一个第二齿轮，行星减速器与第一齿轮连接，第二齿轮安装在滚筒主轴上，第一齿轮与第二齿轮相啮合，驱动转盘轴承的带齿轮内圈，所述自动排缆系统包括排绳驱动电机、蜗轮蜗杆减速器、丝杆、排绳导向杆、导向滑架、缆绳导向轮安装架、缆绳导向轮、排绳机架，排绳驱动电机、蜗轮蜗杆减速器、丝杆、排绳导向杆均安装在排绳机架上，排绳驱动电机经蜗轮蜗杆减速器与丝杆相连，排绳导向杆安装在丝杆旁且与丝杆平行，导向滑架活动套接在排绳导向杆上，导向滑架上固设有丝杆螺母，丝杆螺母与丝杆螺纹连接，缆绳导向轮安装架用第一销轴安装在导向滑架上，所述缆绳导向轮用第二销轴安装在缆绳导向轮安装架上。

2.如权利要求1所述的电驱动主动升沉补偿海洋绞车，其特征在于：所述刹车系统包括液压装置与制动器，所述液压装置包括油缸、电机、恒压泵、第一单向阀、第二单向阀、第一过滤器、第二过滤器、第三过滤器、溢流阀、压力表、蓄能器、电磁换向阀、单向节流阀，油缸、第一过滤器、恒压泵、第一单向阀、第二过滤器、第二单向阀、电磁换向阀通过管路依次连接，所述电机与恒压泵相连，溢流阀的一端连接在第二过滤器与第二单向阀之间的管路上，另一端分别连接电磁换向阀、第三过滤器的一端，第三过滤器的另一端与油缸相连，所述压力表、蓄能器均连接在第二单向阀与电磁换向阀之间的管路上。

3.如权利要求2所述的电驱动主动升沉补偿海洋绞车，其特征在于：所述制动器包括导柱、固定板、导柱连接板、刹车片托架、刹车片、液压缸，固定板通过第一螺栓固定在卷筒支撑底架上，固定板两侧各设有一个导柱，两导柱下端通过第二螺栓固定在固定板上，两导柱的顶端通过导柱连接板固定，所述刹车片托架两端分别套装在两根导柱上，液压缸和刹车片均固定在刹车片托架上。

4.如权利要求1所述的电驱动主动升沉补偿海洋绞车，其特征在于：所述主动升沉补偿系统包括控制器、加速度传感器、张力传感器、深度传感器、所述加速度传感器安装在母船上，采集母船的加速度信号并送入控制器，张力传感器安装在缆绳上，采集缆绳张力信号并送入控制器，深度传感器安装在水下作业装备上，采集缆绳释放长度信号兵送入控制器，控制器与主传动系统、自动排缆系统、刹车系统相连。