CN106081945A - 一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，包括吊车基座、起升卷筒、吊钩、三自由度稳定系统，三自由度稳定系统包括吊车三自由度运动补偿系统和吊钩升沉补偿系统。本发明的吊车三自由度运动补偿系统，能够补偿海洋环境扰动引起的船舶/浮式平台上吊车的横摇、纵摇和升沉运动，使工作中的吊车保持平稳，从而使吊钩也稳定在空中某一期望位置，因此能够减少吊车的三自由度运动给货物和现场工作人员带来的安全隐患。本发明的吊钩升沉补偿系统，能够对吊钩的升沉运动进行微调，使吊钩能够更精确地稳定在空中某一期望位置上。本发明还能保证吊车在恶劣海况下，仍然能够调节吊钩的升沉运动，使吊钩稳定在空中某一期望位置上。

Description

一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车
技术领域
本发明涉及船舶及海洋工程领域的装备技术，特别是一种船舶/浮式平台上的吊车。
背景技术
船舶/浮式平台受海洋环境扰动会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和升沉六个自由度的运动，在船舶/浮式平台上作业的吊车也会随着船舶/浮式平台的运动而运动，导致吊车缆绳末端的吊钩无法稳定在空中某一期望位置上，不能顺利地进行海上物资补给、海上钻井平台安装、水面/水下设备安放与回收等作业。其中，横荡、纵荡和艏摇运动可以通过动力定位系统来控制，而横摇、纵摇和升沉运动的控制则需要在吊车上安装运动补偿装置，来抵消海洋环境扰动引起的船舶/浮式平台上的吊车横摇、纵摇和升沉三自由度运动对吊钩的影响，使吊车在不同海洋环境中都能保持平稳，大幅度减小吊钩的晃动，可提高吊车相关作业的安全性和可靠性。吊钩的剧烈晃动会使吊装定位不精确、吊车传动部件和起升部件磨损，严重时会使吊车起升制动器抱不住闸，甚至缆绳崩断，给货物和现场工作人员带来安全隐患。因此，用于船舶/浮式平台上的吊车横摇、纵摇和升沉三自由度稳定系统具有重要的工程意义和现实意义。
中国专利CN 103274314 A公开了一种海洋吊机波浪补偿装置，通过安装在吊臂头部的液压缸和滑轮组，对吊钩的升沉运动进行了补偿。中国专利CN 103318776 A公开了一种主动升沉波浪补偿控制系统，使用前馈-反馈的复合控制方法控制起升卷筒运动，实现了吊钩的升沉运动补偿。上述两专利均只补偿了吊钩的升沉运动，没有考虑由吊车三自由度运动引起的吊钩横荡和纵荡运动。中国专利CN 101780923 A公开了一种用于超大型浮吊的重载打捞波浪补偿系统，能够补偿浮吊吊钩的升沉运动，解决了起重量在4000吨以上的浮吊工作时船体倾斜及摇摆不定的问题，使浮吊能在不同海况下正常工作，但是该系统不能用于一般的船舶/浮式平台上的吊车。
哈尔滨工程大学方晓旻的硕士学位论文“船用起重机和波浪补偿控制系统设计研究”(2008年)，设计了摇摆变幅门式起重机的吊钩升沉补偿控制器，通过油缸伸缩来补偿吊钩的升沉运动，也没有考虑由吊车三自由度运动引起的吊钩横荡和纵荡运动的问题。集美大学姚亮的硕士学位论文“液压起重机消摆控制系统开发”(2015年)设计了船载液压起重机吊钩的消摆控制器，对起重机吊臂回转时吊钩的摆动进行了控制。大连理工大学李震震的硕士学位论文“船用起重机吊物波浪补偿控制研究”(2014年)设计了PID控制器，对吊钩的摆角和升沉运动进行了补偿。上述后两篇论文均没有补偿海洋环境扰动引起的船用起重机的三自由度运动。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种具有三自由度(横摇、纵摇和升沉)稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，该稳定系统可用于补偿海洋环境扰动引起的船舶/浮式平台上吊车的三自由度运动，使在船舶/浮式平台上作业的吊车处于平稳状态，可提高海上物资补给、海上钻井平台安装、水面/水下设备安放与回收等依赖吊车的作业的安全性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，至少包括吊车基座、起升卷筒和吊钩，还包括三自由度稳定系统，所述的三自由度稳定系统包括吊车三自由度运动补偿系统和吊钩升沉补偿系统；所述的吊车三自由度运动补偿系统包括传感器一、三自由度运动补偿装置控制器、三自由度运动补偿装置液压驱动器和三自由度运动补偿装置，所述的吊钩升沉补偿系统包括传感器二、吊钩升沉补偿控制器和起升卷筒驱动器；
所述的三自由度运动补偿装置由三个液压缸组成，三个液压缸竖直固定在船舶/浮式平台的甲板上，三个液压缸的上部与吊车基座固定，其中，两个液压缸并列位于吊车基座前部的下方，另一个位于吊车基座后部的下方；所述的传感器一固定在吊车基座上，其输出端与三自由度运动补偿装置控制器的输入端相连，传送传感器一生成的吊车三自由度运动状态信号；所述的三自由度运动补偿装置控制器的输出端与三自由度运动补偿装置液压驱动器的输入端相连，传送三自由度运动补偿装置控制器生成的控制信号；所述的三自由度运动补偿装置液压驱动器的输出端与三自由度运动补偿装置的输入端相连；所述的吊钩处于吊车缆绳的末端；所述的传感器二固定在吊钩上方，且其输出端与吊钩升沉补偿控制器的输入端相连，传送传感器二生成的吊钩升沉运动状态信号；所述的吊钩升沉补偿控制器的输出端与起升卷筒驱动器的输入端相连，传送吊钩升沉补偿控制器生成的控制信号；所述的起升卷筒驱动器的输出端与起升卷筒的输入端相连；所述的起升卷筒固定在吊车基座的上方，通过缆绳调节吊钩的升沉。
本发明所述的三个液压缸呈等腰三角形分布在船舶/浮式平台的甲板上，并关于吊车基座的纵向中心线对称。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明包含吊车三自由度运动补偿系统，能够补偿海洋环境扰动引起的船舶/浮式平台上吊车的横摇、纵摇和升沉运动，使工作中的吊车保持平稳，从而使吊钩也稳定在空中某一期望位置，优于现有的没有对吊车三自由度运动进行补偿的波浪补偿装置，因此能够减少吊车的三自由度运动给货物和现场工作人员带来的安全隐患。
2、本发明包含吊钩升沉补偿系统，能够对吊钩的升沉运动进行微调，使吊钩能够更精确地稳定在空中某一期望位置上；除此之外，还能保证吊车在恶劣海况下，仍然能够调节吊钩的升沉运动，使吊钩稳定在空中某一期望位置上。
附图说明
本发明中共有附图2张，其中：
图1是本发明的工作原理示意图。
图2是本发明的系统组成示意图。
图中：1、吊车基座，2、起升卷筒，3、吊钩，4、传感器一，5、三自由度运动补偿装置，6、起升卷筒驱动器，7、传感器二，8、三自由度运动补偿装置控制器，9、三自由度运动补偿装置液压驱动器，10、吊钩升沉补偿控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，至少包括吊车基座1、起升卷筒2和吊钩3，还包括三自由度稳定系统，所述的三自由度稳定系统包括吊车三自由度运动补偿系统和吊钩升沉补偿系统；所述的吊车三自由度运动补偿系统包括传感器一4、三自由度运动补偿装置控制器8、三自由度运动补偿装置液压驱动器9和三自由度运动补偿装置5，所述的吊钩升沉补偿系统包括传感器二7、吊钩升沉补偿控制器10和起升卷筒驱动器6；
所述的三自由度运动补偿装置5由三个液压缸组成，三个液压缸竖直固定在船舶/浮式平台的甲板上，三个液压缸的上部与吊车基座1固定，其中，两个液压缸并列位于吊车基座1前部的下方，另一个位于吊车基座1后部的下方；所述的传感器一4固定在吊车基座1上，其输出端与三自由度运动补偿装置控制器8的输入端相连，传送传感器一4生成的吊车三自由度运动状态信号；所述的三自由度运动补偿装置控制器8的输出端与三自由度运动补偿装置液压驱动器9的输入端相连，传送三自由度运动补偿装置控制器8生成的控制信号；所述的三自由度运动补偿装置液压驱动器9的输出端与三自由度运动补偿装置5的输入端相连；所述的吊钩3处于吊车缆绳的末端；所述的传感器二7固定在吊钩3上方，且其输出端与吊钩升沉补偿控制器10的输入端相连，传送传感器二7生成的吊钩3升沉运动状态信号；所述的吊钩升沉补偿控制器10的输出端与起升卷筒驱动器6的输入端相连，传送吊钩升沉补偿控制器10生成的控制信号；所述的起升卷筒驱动器6的输出端与起升卷筒2的输入端相连；所述的起升卷筒2固定在吊车基座1的上方，通过缆绳调节吊钩3的升沉。
本发明所述的三个液压缸呈等腰三角形分布在船舶/浮式平台的甲板上，并关于吊车基座的纵向中心线对称。
本发明的工作原理如下：本发明工作时，传感器一4检测吊车横摇、纵摇和升沉三自由度运动状态，生成吊车三自由度运动状态信号，并将其传送给三自由度运动补偿装置控制器8；三自由度运动补偿装置控制器8接收来自传感器一4的吊车三自由度运动状态信号，使用三自由度运动补偿控制算法，根据吊车三自由度运动状态，生成对三自由度运动补偿装置5进行控制的控制信号，并将其传送给三自由度运动补偿装置液压驱动器9；三自由度运动补偿装置液压驱动器9接收来自三自由度运动补偿装置控制器8的控制信号，根据该控制信号，控制三自由度运动补偿装置5产生动作，使船舶/浮式平台上作业的吊车在不同海洋环境中都能保持平稳，因此吊钩3能够稳定在空中某一期望位置。
本发明的吊车基座1固定在三自由度运动补偿装置5上，通过三自由度运动补偿装置5液压缸的往复运动补偿海洋环境扰动引起的船舶/浮式平台上吊车的三自由度运动，为船舶/浮式平台上吊车的安全作业提供保障。
为了更精确地补偿吊钩3的升沉运动，需要对吊钩3的升沉运动进行微调；另一方面，考虑到三自由度运动补偿装置5液压缸行程的限制，在恶劣海况下三自由度运动补偿装置5无法完全补偿吊车的升沉运动，因此本发明又使用吊钩升沉补偿系统来补偿吊钩3的升沉运动，本发明工作时，传感器二7检测吊钩3的升沉运动状态，生成吊钩3升沉运动状态信号，并将其传送给吊钩升沉补偿控制器10；所述的吊钩升沉补偿控制器10接收来自传感器二7的吊钩3升沉运动状态信号，使用升沉运动控制算法，根据吊钩3升沉运动状态，生成起升卷筒2的控制信号，传送给起升卷筒驱动器6；起升卷筒驱动器6接收来自吊钩升沉补偿控制器10的控制信号，并根据该控制信号控制起升卷筒2动作，调节吊钩3的升沉，使吊钩3精确地稳定在空中某一期望位置上，以便顺利安全地进行海上物资补给、海上钻井平台安装、水面/水下设备安放与回收等作业。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，至少包括吊车基座(1)、起升卷筒(2)和吊钩(3)，其特征在于：还包括三自由度稳定系统，所述的三自由度稳定系统包括吊车三自由度运动补偿系统和吊钩升沉补偿系统；所述的吊车三自由度运动补偿系统包括传感器一(4)、三自由度运动补偿装置控制器(8)、三自由度运动补偿装置液压驱动器(9)和三自由度运动补偿装置(5)，所述的吊钩升沉补偿系统包括传感器二(7)、吊钩升沉补偿控制器(10)和起升卷筒驱动器(6)；
所述的三自由度运动补偿装置(5)由三个液压缸组成，三个液压缸竖直固定在船舶/浮式平台的甲板上，三个液压缸的上部与吊车基座(1)固定，其中，两个液压缸并列位于吊车基座(1)前部的下方，另一个位于吊车基座(1)后部的下方；所述的传感器一(4)固定在吊车基座(1)上，其输出端与三自由度运动补偿装置控制器(8)的输入端相连，传送传感器一(4)生成的吊车三自由度运动状态信号；所述的三自由度运动补偿装置控制器(8)的输出端与三自由度运动补偿装置液压驱动器(9)的输入端相连，传送三自由度运动补偿装置控制器(8)生成的控制信号；所述的三自由度运动补偿装置液压驱动器(9)的输出端与三自由度运动补偿装置(5)的输入端相连；所述的吊钩(3)处于吊车缆绳的末端；所述的传感器二(7)固定在吊钩(3)上方，且其输出端与吊钩升沉补偿控制器(10)的输入端相连，传送传感器二(7)生成的吊钩(3)升沉运动状态信号；所述的吊钩升沉补偿控制器(10)的输出端与起升卷筒驱动器(6)的输入端相连，传送吊钩升沉补偿控制器(10)生成的控制信号；所述的起升卷筒驱动器(6)的输出端与起升卷筒(2)的输入端相连；所述的起升卷筒(2)固定在吊车基座(1)的上方，通过缆绳调节吊钩(3)的升沉。
2.根据权利要求1所述的一种具有三自由度稳定系统的船舶/浮式平台上的吊车，其特征在于：所述的三个液压缸呈等腰三角形分布在船舶/浮式平台的甲板上，并关于甲板的纵向中心线对称。
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