CN108408598B - 一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置，应用于水下设备的快速吊装。该吊装作业装置依据气缸式动态平衡机理，并结合卧式气管调偏器和倾斜式双气缸的特殊构造，实施角度偏斜调整、振荡位移调整和水平漂移位移调整的水下作业流程，完成水下设备对接时的吊装；气管调偏器依据气管内微正压气体辅助角度调偏并平衡振荡载荷，保证气管的轴线与水下设备的中心线维持平行状态；气缸体、柱塞体和气缸密封器自上而下依次同轴心布置而组合成倾斜式双气缸，气缸体依据气筒内带压气体的受压和膨胀，同时柱塞体依据双柱塞的压力而实现吊装作业载荷的动态平衡并自动调整偏斜位移，密封器采用环形盒体和多重密封实现气缸体与柱塞体的密封。

Description

一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置
技术领域
本发明涉及一种海洋工程领域水下设备对接时用的吊装作业装置，特别是涉及一种采用气缸式动态平衡的水下吊装作业装置及其作业流程。
背景技术
海洋工程领域水下设备通常造价高且体积庞大，为此通过海上施工船的吊机将水下设备下放至海底的吊装作业过程尤为重要。水下吊装作业过程中，水下设备会受到海浪和内波的联合作用，进而发生角度偏斜、振荡和水平漂移等运动，这会对所吊装水下设备的安全以及水下吊装的整个作业产生严重影响。
应用于工程实际的水下吊装作业方法通常包括钻完井立管吊装作业和施工船垂直吊装作业，其中钻完井立管吊装作业方法起初由巴西石油公司提出，并成功完成了240吨水下管汇设备和940米水深的水下吊装作业，然而该水下吊装作业施工费用较高，吊装流程较为复杂而海上施工耗时较长，而且该吊装作业方法仅局限于钻完井立管等水下设备。施工船垂直吊装作业近年来研究较多，Driscoll F.R.所研发的水下垂直吊装系统包括安装母船、缆绳和装有ROV的中继站，海浪和内波联合作用所引起的水下设备振荡位移和水平漂移位移有可能超过安装母船的运动，且剧烈的振荡可能会导致连接水下设备的缆绳反复发生张紧和松弛，缆绳由松弛变为张紧时产生的振荡载荷会最终在水下设备处产生巨大的载荷突变，并且严重影响缆绳的疲劳寿命。同时，水下设备被吊装至海底而进行水下安装的过程中，水下设备随缆绳的振荡和水平漂移会危及其自身的安全，甚至可能导致水下设备发生损坏。
此外，国内的海上施工船垂直吊装作业技术和水下吊装设备尚处于研发阶段，还不具备独自完成深海作业的能力。
发明内容
为了有效解决水下设备的快速对接问题并克服现有水下吊装作业装置及其作业方案存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适用于水下设备快速对接的气缸式动态平衡吊装作业装置及其作业流程。该吊装作业装置依据气缸式动态平衡机理，并结合卧式气管调偏器和倾斜式双气缸的特殊构造，实施角度偏斜调整、振荡位移调整和水平漂移位移调整的水下作业流程，完成水下设备对接时的吊装作业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置，水下气缸式动态平衡吊装作业装置主要由气管调偏器、气缸体、柱塞体、气缸密封器和气缸座组成。该吊装作业装置整体设计为左右对称式构造，其气管调偏器、气缸体、气缸密封器和气缸座的主体部件材质均选用超级双向不锈钢，气缸体、柱塞体、气缸密封器和气缸座采用分体式结构且对称布置于气管调偏器的两侧端，而气管调偏器则采用单体式结构，同时气缸体、柱塞体和气缸密封器自上而下依次同轴心布置而组合成倾斜式双气缸，倾斜式双气缸通过调偏支座接于气管调偏器的正下方且其下部通过气缸座与水下设备连成一体。
气管调偏器采用卧式管体，将吊绳和气缸体连成一体，依据气管内的微正压气体辅助角度调偏并平衡振荡载荷，保证气管的轴线与水下设备的中心线维持平行状态，它包括气管、调偏吊座和调偏支座。
气管采用等截面的厚壁长管体，气管的两侧端设有法兰盘，并分别配置盘式堵头而将气管封隔成密闭的管腔。气管内存储微正压气体，辅助调整水下设备因内波作用所引发的角度偏斜，并平衡海浪和内波经吊绳所传递的振荡载荷，保证气管调偏器的轴线平行于水下设备的中心线。
调偏吊座和调偏支座分别布置于气管的正上方和正下方，且调偏吊座和调偏支座均分为两组并沿轴向对称排列于气管的两侧。每组调偏吊座含有两个分吊座并沿垂向朝上放置，每个分吊座采用等腰梯形钢块，同时调偏吊座设置单个吊座圆孔并分别与吊装销轴配合而将气管调偏器接于吊绳的下端部。每组调偏支座含有两个分支座并沿垂向朝下放置，每个分支座采用矩形钢板，同时调偏支座沿长度方向等间距排列支座圆孔，用于调整倾斜式双气缸的倾斜角度，并分别与缸体销轴配合而实现气管调偏器和气缸体之间的连接。
两套气缸体、柱塞体和气缸密封器组合成倾斜式双气缸，倾斜式双气缸采用两个气缸且与水平面之间呈仰角布置。气缸式动态平衡机理为，气缸体和柱塞体受拉时，气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀同时其下筒腔内的带压气体受压，柱塞体偏离平衡位置并沿轴向朝下移动，而受到带压气体沿轴向朝上的作用力并平衡受拉载荷，柱塞体自动调整偏离位移并朝上移动而恢复至平衡位置；气缸体和柱塞体受压时，气筒上筒腔内的带压气体受压同时其下筒腔内的带压气体发生膨胀，柱塞体偏离平衡位置并沿轴向朝上移动，而受到带压气体沿轴向朝下的作用力并平衡受压载荷，柱塞体自动调整偏离位移并朝下移动而恢复至平衡位置。
气缸体采用立式筒体，依据气筒内带压气体的受压和膨胀实现动态平衡，它包括气缸接头、气筒和气阀。
气筒内存储带压气体，它包含上封头和下筒体两部分，气筒的上封头采用半椭圆形壳体，上封头的顶部设置柱形台座，上封头柱形台座的中央部位车制管螺纹盲孔，且上封头的底部端面设置圆环面，上封头柱形台座的轴线与上封头底部圆环面的中心线相重合。气筒的下筒体采用长圆筒，下筒体环腔内壁的直径等于上封头底部圆环面的内径，且下筒体的筒壁厚度等于上封头的壳体厚度，同时下筒体的顶端和上封头的底端通过圆周焊的方式连接在一起。气筒的内壁需要进行研磨处理，其下筒体的底部设置法兰盘，同时下筒体筒壁的上部和下部设有柱形圆台，下筒体两柱形圆台的中央部位车制管螺纹通孔并分别配置气阀，且下筒体两柱形圆台的轴线保持平行并均与气筒的轴线垂直相交。
气阀为带压气体填充气筒上筒腔和下筒腔提供通道，气筒的上筒腔和下筒腔各配有一气阀，其中下筒体上部柱形圆台处的气阀为气筒的上筒腔填充带压气体，而下筒体下部柱形圆台处的气阀为气筒的下筒腔填充带压气体。
气缸接头采用阶梯轴，气缸接头自上而下依次同轴心布置有上接头、锥状凸台、柱状凸台、柱状本体和下接头，其下接头通过螺纹连接将气缸接头与气筒连在一起，气缸接头中柱状本体的外环面直径等于气筒柱形台座的外径，气缸接头的柱状凸台通过其锥状凸台与上接头相连而避免由于截面的变化出现应力集中现象，气缸接头的上接头采用半柱形钢块和柱形钢块相结合的构造并通过缸体销轴与调偏支座相连接，上接头半柱形钢块的轴线与其柱形钢块的轴线垂直相交，同时上接头的半柱形钢块和柱形钢块结合部位的两侧铣有相互平行的两平面，且上接头两平面的间距小于调偏支座两分支座的间距。
柱塞体通过气筒上筒腔和下筒腔内带压气体受压及膨胀所施加至双柱塞上的压力，实现吊装作业载荷的动态平衡，并自动调整水下设备的偏斜位移，它包括双柱塞、柱塞卡环、柱塞衬瓦、柱塞本体和柱塞端盖。
双柱塞的材质选用耐磨性好且热膨胀系数低的铸铁，并且通体涂覆锡保护层，双柱塞采用同轴心布置的两个柱塞，并实现气缸体和柱塞体之间沿轴向往复滑移时的导向作用。同时，双柱塞将气筒封隔成上筒腔和下筒腔两个筒腔室，且柱塞本体的环腔容积与气筒上筒腔的筒腔容积之和等于气筒下筒腔的筒腔总容积，由此使得一个筒腔室内带压气体受压的同时另一个筒腔室内的带压气体进行膨胀，从而保证带压气体作用在双柱塞上的压力始终保持相同方向。
双柱塞中的每个柱塞均采用空心环塞结构，双柱塞的横截面呈双口形，且双柱塞的外环面与气筒的环腔内壁之间精密配合而构成沿柱塞体轴向的移动副，同时双柱塞中每个柱塞的外环面上铣有等间距分层排列的环形沟槽，且每个柱塞沿轴向的两侧端布置单层环形沟槽，而每个柱塞的中部则设有双层环形沟槽，双柱塞的环形沟槽内填充满润滑脂，以便减少气缸体和柱塞体之间的磨损。双柱塞中每个柱塞的上部和下部分别铣有矩形凹槽，双柱塞的矩形凹槽内配置柱塞衬瓦，且双柱塞的矩形凹槽与其环形沟槽之间交错布置。双柱塞中每个柱塞的环腔内壁车制密封性管螺纹且其两侧端铣有环形卡槽，双柱塞的环形卡槽内配置柱塞卡环，从而实现双柱塞的轴向定位。
柱塞卡环采用截面呈L形的全环体，柱塞卡环外环面的截面变化处形成的轴肩与双柱塞中每个柱塞的端面相结合，且柱塞卡环的环腔内壁车制有密封性管螺纹，同时位于顶部的柱塞卡环的上端面与柱塞本体的上端面保持平齐。
柱塞衬瓦采用截面呈矩形的全环体，柱塞衬瓦的外环面设有沿轴向分层布置的凹沟，且柱塞衬瓦的本体由铜粉末和石墨混合均匀后压制烧结而成，柱塞衬瓦的本体孔隙及其外环面的凹沟内均充满润滑脂，从而改善气缸体和柱塞体之间的摩擦性能。
柱塞本体采用长管体，其上部通过螺纹连接而将双柱塞和各柱塞卡环连成一体，柱塞本体的轴向长度大于气筒和气缸密封器的轴向长度之和，柱塞本体的下端设置法兰盘，并通过柱塞螺柱与柱塞端盖相连接。柱塞端盖采用盘体而实现柱塞本体下端部的封堵，其中央部位钻有分层布置的圆孔，每层圆孔等间距排列，并通过缸座螺柱与气缸座相连接。
气缸密封器采用环形盒体和多重密封实现气缸体与柱塞体之间的密封，它包括密封本体、密封衬套、密封压盖、密封填料和密封端盖。
密封本体的上端和下端分别配有法兰盘，密封本体上端的法兰盘通过气筒螺柱与气筒的法兰盘连成一体，且两法兰盘之间通过丁腈橡胶垫实现气筒与气缸密封器之间的密封，密封本体下端的法兰盘通过密封螺柱与密封端盖相连接，并通过拧紧密封螺柱实现密封端盖的轴向滑移，同时密封本体的环腔内壁上部车制有密封性管螺纹。
密封衬套、密封压盖和密封端盖均采用扁盘体且由上而下依次同轴心布置，密封压盖分层排列于密封本体内，密封衬套沿轴向依次设置环锥状定位台和环形衬台，密封衬套环锥状定位台所在锥面的大端圆面直径等于气筒的环腔内壁直径，而实现密封衬套的轴向定位，密封衬套环形衬台的外环面通过螺纹连接而将密封衬套固定于密封本体内，同时密封衬套和密封压盖的下端面均铣有锥形沟槽且其内分别配置密封填料，由此实现气筒与柱塞本体之间的多重密封。密封端盖沿轴向依次设置环形推台和环形端盖，密封端盖环形端盖的外径等于密封本体两端法兰盘和气筒法兰盘的外径。
密封压盖的外环面和密封端盖环形推台的外环面同时与密封本体的环腔内壁之间精密配合而构成沿密封本体轴向的移动副，且密封衬套、密封压盖和密封端盖的环腔内壁与柱塞本体的外环面之间均采用间隙配合。
气缸座和水下设备的导向支座之间通过缸座销轴构成转动副，每个柱塞体的柱塞端盖上配置一组气缸座。每组气缸座含有两个分缸座并对称布置于柱塞端盖的下端，每个分缸座采用等腰梯形钢块，气缸座的上端面车制有与柱塞端盖圆孔相同位置和规格的螺纹孔，同时气缸座的中部设有缸座圆孔并分别与缸座销轴配合而将水下设备接于倾斜式双气缸的下端部，吊装销轴、缸体销轴和缸座销轴的轴端加工有盲端螺孔并配置六角头螺钉进行固定。
水下气缸式动态平衡吊装作业流程依次实施角度偏斜调整作业、振荡位移调整作业和水平漂移位移调整作业，最终实现水下设备对接时的快速吊装。
角度偏斜调整作业依据气管调偏器和倾斜式双气缸完成水下设备的角度调偏，其流程为，当水下设备发生角度偏斜时，一个倾斜式双气缸受拉，其气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀且其气筒下筒腔内的带压气体受压，同时另一个倾斜式双气缸受压，其气筒上筒腔内的带压气体受压且其气筒下筒腔内的带压气体发生膨胀，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，倾斜式双气缸完成载荷的动态平衡；与此同时，气管调偏器随之进行角度偏斜，储存有微正压气体的气管受到海水所施加的相反方向均匀载荷而恢复至水平位置，气管调偏器辅助调整偏斜角度。
振荡位移调整作业依据气管调偏器和倾斜式双气缸自动调整水下设备的振荡位移，其流程为，当水下设备由于海浪和内波而发生振荡时，倾斜式双气缸受拉，气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀同时气筒下筒腔内的带压气体受压，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生振荡载荷的动态平衡；与此同时，气管调偏器随水下设备朝下偏移，储存有微正压气体的气管受到海水所施加的方向朝上均匀载荷而恢复至初始位置，气管调偏器辅助调整振荡位移。
水平漂移位移调整作业依据倾斜式双气缸自动调整水下设备的水平漂移位移，其流程为，当水下设备由于海浪和内波而发生水平漂移时，一个倾斜式双气缸受拉，其气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀同时其气筒下筒腔内的带压气体受压，与此同时另一个倾斜式双气缸受压，其气筒上筒腔内的带压气体受压同时其气筒下筒腔内的带压气体发生膨胀，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生水平漂移的动态平衡。
本发明所能达到的技术效果是，该吊装作业装置依据气缸式动态平衡机理，并结合卧式气管调偏器和倾斜式双气缸的特殊构造，实施角度偏斜调整、振荡位移调整和水平漂移位移调整的水下作业流程，完成水下设备对接时的快速吊装；气管调偏器采用卧式管体，将吊绳和气缸体连成一体，依据气管内的微正压气体辅助角度调偏并平衡振荡载荷，保证气管的轴线与水下设备的中心线维持平行状态；两套气缸体、柱塞体和气缸密封器组合成倾斜式双气缸，气缸体采用立式筒体，依据气筒内带压气体的受压和膨胀实现动态平衡，柱塞体通过气筒上筒腔和下筒腔内带压气体受压及膨胀所施加至双柱塞上的压力，实现吊装作业载荷的动态平衡，并自动调整水下设备的偏斜位移，气缸密封器采用环形盒体和多重密封实现气缸体与柱塞体之间的密封。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
图1是根据本发明所提出的一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置的典型结构简图。
图2是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置中气管调偏器的结构简图。
图3是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置中气缸体的结构简图。
图4是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置中柱塞体和气缸座的结构简图。
图5是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置中气缸密封器的结构简图。
图6是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置的气缸式动态平衡机理流程简图。
图7是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置的角度偏斜调整作业流程简图。
图8是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置的振荡位移调整作业流程简图。
图9是一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置的水平漂移位移调整作业流程简图。
图中1－吊绳，2－气管调偏器，3－气缸体，4－柱塞体，5－气缸密封器，6－气缸座，7－水下设备，8－气管，9－调偏吊座，10－吊装销轴，11－缸体销轴，12－调偏支座，13－气缸接头，14－气筒，15－气阀，16－双柱塞，17－柱塞衬瓦，18－柱塞卡环，19－柱塞本体，20－柱塞端盖，21－缸座销轴，22－导向支座，23－密封衬套，24－密封本体，25－密封压盖，26－密封填料，27－密封端盖。
具体实施方式
在图1中，水下气缸式动态平衡吊装作业装置主要由气管调偏器2、气缸体3、柱塞体4、气缸密封器5和气缸座6组成，气缸体3、柱塞体4、气缸密封器5和气缸座6对称布置于气管调偏器2的两侧端，同时气缸体3、柱塞体4和气缸密封器5自上而下依次同轴心布置而组合成倾斜式双气缸，倾斜式双气缸采用两个气缸且与水平面之间呈仰角布置，倾斜式双气缸通过调偏支座接于气管调偏器2的正下方，且倾斜式双气缸的下部通过气缸座6与水下设备7连成一体。
在图1中，水下气缸式动态平衡吊装作业装置依据气缸式动态平衡机理，并结合卧式气管调偏器2和倾斜式双气缸的特殊构造，实施水下设备7的角度偏斜调整、振荡位移调整和水平漂移位移调整的水下作业流程，最终完成水下设备7对接时的快速吊装。
在图1中，水下气缸式动态平衡吊装作业装置组装前，气管调偏器2、气缸体3和气缸密封器5主体部件的外表面分别进行喷漆防腐处理，柱塞体4的双柱塞置入气缸体3的气筒内，应灵活移动且无阻滞，并保持气管调偏器2的气管和气缸体3中气筒内壁的清洁，最后检查气缸体3的各气阀、柱塞体4的双柱塞和柱塞衬瓦以及气缸密封器5的密封填料有无损伤，检查各销轴和螺纹联接处是否牢固且有无锈蚀。
在图1中，水下气缸式动态平衡吊装作业装置组装时，吊绳1通过调偏吊座接于气管调偏器2的上方，气缸体3通过调偏支座接于气管调偏器2的正下方，柱塞体4的柱塞本体贯穿气缸密封器5后，通过柱塞卡环完成柱塞体4的组装，而后通过气筒螺柱将气缸密封器5与气缸体3连成一体，并通过气缸座6将水下设备7吊于倾斜式双气缸的下端部。
在图1中，水下气缸式动态平衡吊装作业装置的型号依据所吊装水下设备7的轴向长度和总重量等因素进行选取。
在图2中，吊绳1的规格选取需要综合考虑整套吊装作业装置和水下设备7的总重量、海浪和内波经吊绳1所传递的振荡载荷以及海浪和内波经吊绳1所传递的水平漂移载荷等因素，气管调偏器2的规格与水下设备7保持一致。
在图2中，气管8的轴向长度与水下设备7的轴向长度相一致，气管8管腔内所存储微正压气体的体积需要综合考虑辅助调整水下设备7的角度偏斜以及平衡海浪和内波经吊绳1所传递的振荡载荷和水平漂移载荷等因素，调偏支座12的间距设置随水下设备7的几何尺寸进行调整。
在图2中，吊绳1通过调偏吊座9和吊装销轴10接于气管8的正上方，同时气缸体3通过缸体销轴11和调偏支座12而接于气管8的正下方，由此气管调偏器2将吊绳1和气缸体3连成一体，而且气管8内存储微正压气体并辅助角度调偏和平衡振荡载荷。
在图3中，气缸体3中气缸接头13的规格与吊绳1的规格保持一致，气阀15依据气筒14上筒腔和下筒腔的容积进行选型，气筒14筒腔室内所存储带压气体的体积需要综合考虑调整水下设备7的角度偏斜以及平衡海浪和内波经吊绳1所传递的振荡载荷和水平漂移载荷等因素。
在图3中，气筒14的上筒腔和下筒腔通过气阀15依次填充带压气体，气筒14上筒腔和下筒腔的气压相等，气缸接头13和调偏支座12之间通过缸体销轴11构成转动副，且气缸接头13通过缸体销轴11与不同调偏支座12的支座圆孔相配合，进而调整倾斜式双气缸的倾斜角度。
在图4中，柱塞体4中双柱塞16的规格与气筒14的环腔内壁保持一致，柱塞本体19的环腔容积与气筒14上筒腔的筒腔容积之和等于气筒14下筒腔的筒腔总容积，柱塞本体19的轴向长度大于气筒14和气缸密封器5的轴向长度之和。
在图4中，气缸座6和水下设备7的导向支座22之间通过缸座销轴21构成转动副，双柱塞16和柱塞衬瓦17的外环面同时与气筒14的环腔内壁之间精密配合而构成移动副，双柱塞16的环形沟槽内填充满润滑脂，同时柱塞衬瓦17的本体孔隙及其外环面的凹沟内也充满润滑脂，从而实现气缸体3和柱塞体4之间的润滑。
在图4中，双柱塞16的两个柱塞通过柱塞卡环18与柱塞本体19之间的螺纹连接而同轴心布置，柱塞端盖20通过柱塞螺柱与柱塞本体19相连接并实现柱塞本体19下端部的封堵，气缸座6通过缸座螺柱与柱塞端盖20连成一体。
在图5中，气缸密封器5中密封填料26的数量和规格设计需要综合考虑调整水下设备7的角度偏斜以及平衡海浪和内波经吊绳1所传递的振荡载荷和水平漂移载荷等因素，密封本体24和密封端盖27的规格与气筒14保持一致，密封衬套23、密封压盖25和密封端盖27的环腔内壁直径与柱塞本体19的外环面直径相一致。
在图5中，密封衬套23和密封压盖25的锥形沟槽内分别配置密封填料26，并通过拧紧密封本体24下端法兰盘上的密封螺柱而使密封端盖27沿轴向滑移，进而挤压各密封填料26而实现气筒14与柱塞本体19之间的多重密封。
在图6中，气缸式动态平衡机理的流程中，气缸体3和柱塞体4受拉时，柱塞本体19带动双柱塞16沿轴向朝下滑移，气筒14上筒腔的筒腔容积变大且其上筒腔内的带压气体发生膨胀，双柱塞16的上端面受到带压气体沿轴向朝上的作用力，同时气筒14下筒腔减小相同的筒腔容积且其下筒腔内的带压气体受压，双柱塞16的下端面受到带压气体沿轴向朝上的作用力，双柱塞16偏离平衡位置的位移达到-h时，气缸体3和柱塞体4的受拉载荷得以平衡，随后柱塞本体19带动双柱塞16沿轴向朝上滑移，且双柱塞16移动的位移为+h并恢复至初始的平衡位置。
在图6中，气缸式动态平衡机理的流程中，气缸体3和柱塞体4受压时，柱塞本体19带动双柱塞16沿轴向朝上滑移，气筒14上筒腔的筒腔容积变小且其上筒腔内的带压气体受压，双柱塞16的上端面受到带压气体沿轴向朝下的作用力，同时气筒14下筒腔增大相同的筒腔容积且其下筒腔内的带压气体发生膨胀，双柱塞16的下端面受到带压气体沿轴向朝下的作用力，双柱塞16偏离平衡位置的位移达到+h时，气缸体3和柱塞体4的受压载荷得以平衡，随后柱塞本体19带动双柱塞16沿轴向朝下滑移，且双柱塞16移动的位移为-h并恢复至初始的平衡位置。
在图7中，角度偏斜调整作业流程中，当水下设备7发生角度偏斜且偏斜的角度为θ1时，水下设备7倾起一侧的倾斜式双气缸受压，其气筒14上筒腔的筒腔容积变小且气筒14上筒腔内的带压气体受压，同时其气筒14下筒腔增大相同的筒腔容积且气筒14下筒腔内的带压气体发生膨胀，双柱塞16受到带压气体沿轴向朝下的作用力；与此同时，水下设备7斜下去一侧的倾斜式双气缸受拉，其气筒14上筒腔的筒腔容积变大且气筒14上筒腔内的带压气体发生膨胀，同时其气筒14下筒腔减小相同的筒腔容积且气筒14下筒腔内的带压气体受压，双柱塞16受到带压气体沿轴向朝上的作用力，柱塞本体19带动双柱塞16自动调整偏离位移且双柱塞16恢复至平衡位置，倾斜式双气缸完成载荷的动态平衡。
在图7中，角度偏斜调整作业流程中，倾斜式双气缸实施动态平衡的同时，气管调偏器2经由倾斜式双气缸而随水下设备7进行角度偏斜，气管调偏器2偏斜的角度为θ2，且气管调偏器2的偏斜角度θ2小于水下设备7的偏斜角度θ1，储存有微正压气体的气管8在发生偏斜的过程中，受到海水施加相反方向的均匀载荷而最终随气缸体3和柱塞体4恢复至初始的水平位置，气管调偏器2辅助调整偏斜角度。由此，依据倾斜式双气缸的动态平衡以及气管调偏器2的辅助偏斜角度调整，水下设备7朝相反方向旋转且旋转的角度为-θ1，水下设备7恢复至初始的水平位置。
在图8中，振荡位移调整作业流程中，当水下设备7由于海浪和内波而发生振荡且振荡的位移为-h1时，倾斜式双气缸受拉，气缸体3中气筒14上筒腔的筒腔容积变大且其上筒腔内的带压气体发生膨胀，同时气筒14下筒腔减小相同的筒腔容积且其下筒腔内的带压气体受压，双柱塞16受到带压气体沿轴向朝上的作用力，柱塞本体19带动双柱塞16自动调整偏离位移且双柱塞16恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生振荡载荷的动态平衡。
在图8中，振荡位移调整作业流程中，倾斜式双气缸实施振荡载荷动态平衡的同时，气管调偏器2经由倾斜式双气缸而随水下设备7朝下偏移，气管调偏器2朝下移动的位移为-h2，且气管调偏器2朝下移动的位移-h2小于水下设备7振荡的位移-h1，储存有微正压气体的气管8在朝下偏移的过程中，受到海水施加方向朝上的均匀载荷而最终随气缸体3和柱塞体4恢复至初始的水平位置，气管调偏器2辅助调整振荡位移。由此，依据倾斜式双气缸的动态平衡以及气管调偏器2的辅助振荡位移调整，水下设备7朝上移动且移动的位移为+h1，水下设备7恢复至初始位置。
在图9中，水平漂移位移调整作业流程中，当水下设备7由于海浪和内波而发生水平漂移且水平漂移后所产生的偏心距为e时，水下设备7发生偏心一侧的倾斜式双气缸受压，其气筒14上筒腔的筒腔容积变小且气筒14上筒腔内的带压气体受压，同时其气筒14下筒腔增大相同的筒腔容积且气筒14下筒腔内的带压气体发生膨胀，双柱塞16受到带压气体沿轴向朝下的作用力。与此同时，水下设备7另一侧的倾斜式双气缸受拉，其气筒14上筒腔的筒腔容积变大且气筒14上筒腔内的带压气体发生膨胀，同时其气筒14下筒腔减小相同的筒腔容积且气筒14下筒腔内的带压气体受压，双柱塞16受到带压气体沿轴向朝上的作用力，柱塞本体19带动双柱塞16自动调整偏离位移且双柱塞16恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生水平漂移的动态平衡，随后水下设备7朝向偏心相反方向进行移动且移动的位移为-e，水下设备7恢复至初始位置。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、作业流程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种水下气缸式动态平衡吊装作业装置，该吊装作业装置整体设计为左右对称式构造，气缸体、柱塞体、气缸密封器和气缸座对称布置于气管调偏器的两侧端，气缸体、柱塞体和气缸密封器自上而下依次同轴心布置而组合成倾斜式双气缸，倾斜式双气缸采用两个气缸且与水平面之间呈仰角布置；该吊装作业装置依据气缸式动态平衡机理，并结合卧式气管调偏器和倾斜式双气缸的特殊构造，实施角度偏斜调整、振荡位移调整和水平漂移位移调整的水下作业流程，完成水下设备对接时的快速吊装，其特征在于：
一气管调偏器；所述气管调偏器采用卧式管体，依据气管内的微正压气体辅助角度调偏和平衡振荡载荷，气管采用等截面的厚壁长管体，气管的两侧端分别配置盘式堵头而将气管封隔成密闭的管腔；调偏吊座和调偏支座均分为两组并沿轴向对称排列于气管的两侧，调偏吊座设置单个吊座圆孔，而调偏支座沿长度方向等间距排列支座圆孔；
一气缸体；所述气缸体采用立式筒体，依据气筒内带压气体的受压和膨胀实现动态平衡，气筒的上封头采用半椭圆形壳体，其下筒体采用长圆筒，下筒体筒壁的上部和下部设有柱形圆台，气筒的上筒腔和下筒腔各配有一气阀，气缸接头采用阶梯轴，气缸接头的柱状凸台通过其锥状凸台与上接头相连，气缸接头的上接头采用半柱形钢块和柱形钢块相结合的构造；
一柱塞体；所述柱塞体中的双柱塞采用同轴心布置的两个柱塞，双柱塞将气筒封隔成上筒腔和下筒腔两个筒腔室，带压气体作用在双柱塞上的压力始终保持相同方向，双柱塞中的每个柱塞均采用空心环塞结构，双柱塞的横截面呈双口形，双柱塞中每个柱塞的外环面上铣有等间距分层排列的环形沟槽且其上部和下部分别铣有矩形凹槽，双柱塞的矩形凹槽内配置柱塞衬瓦，双柱塞中每个柱塞的环腔内壁两侧端铣有环形卡槽，双柱塞的环形卡槽内配置柱塞卡环；柱塞卡环采用截面呈L形的全环体，柱塞衬瓦采用截面呈矩形的全环体，柱塞衬瓦的外环面设有沿轴向分层布置的凹沟，柱塞本体采用长管体，且柱塞端盖采用盘体；
一气缸密封器；所述气缸密封器采用环形盒体和多重密封实现气缸体与柱塞体间的密封，密封本体的上端和下端分别配有法兰盘，密封衬套、密封压盖和密封端盖均采用扁盘体且由上而下依次同轴心布置，密封压盖分层排列于密封本体内，密封衬套沿轴向依次设置环锥状定位台和环形衬台，密封端盖沿轴向依次设置环形推台和环形端盖，密封衬套和密封压盖的下端面均铣有锥形沟槽且其内分别配置密封填料，实现气筒与柱塞本体间的多重密封；
一气缸座；所述气缸座和水下设备的导向支座之间通过缸座销轴构成转动副，每个柱塞体的柱塞端盖上配置一组气缸座；
所述角度偏斜调整作业依据气管调偏器和倾斜式双气缸完成水下设备的角度调偏，振荡位移调整作业依据气管调偏器和倾斜式双气缸自动调整水下设备的振荡位移，水平漂移位移调整作业依据倾斜式双气缸自动调整水下设备的水平漂移位移。
2.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述气缸体、柱塞体、气缸密封器和气缸座采用分体式结构，而气管调偏器则采用单体式结构，倾斜式双气缸通过调偏支座接于气管调偏器的正下方，且倾斜式双气缸的下部通过气缸座与水下设备连成一体，两套气缸体、柱塞体和气缸密封器组合成倾斜式双气缸。
3.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述气管调偏器的气管内存储微正压气体，辅助调整水下设备因内波作用所引发的角度偏斜，并平衡海浪和内波经吊绳所传递的振荡载荷，保证气管调偏器的轴线平行于水下设备的中心线；
所述调偏吊座和调偏支座分别布置于气管的正上方和正下方，每组调偏吊座含有两个分吊座并沿垂向朝上放置，每组调偏支座含有两个分支座并沿垂向朝下放置，每个分支座采用矩形钢板，同时调偏支座等间距排列的支座圆孔用于调整倾斜式双气缸的倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述气缸体的气筒内存储带压气体，气筒包含上封头和下筒体两部分，上封头的顶部设置柱形台座，且上封头的底部端面设置圆环面，上封头柱形台座的轴线与上封头底部圆环面的中心线相重合，下筒体环腔内壁的直径等于上封头底部圆环面的内径，且下筒体的筒壁厚度等于上封头的壳体厚度；气筒的下筒体两柱形圆台的中央部位车制管螺纹通孔并分别配置气阀，且下筒体两柱形圆台的轴线保持平行并均与气筒的轴线垂直相交；
所述气阀为带压气体填充气筒上筒腔和下筒腔提供通道，下筒体上部柱形圆台处的气阀为气筒的上筒腔填充带压气体，下筒体下部柱形圆台处的气阀为气筒的下筒腔填充带压气体；
所述气缸接头自上而下依次同轴心布置有上接头、锥状凸台、柱状凸台、柱状本体和下接头，其下接头通过螺纹连接将气缸接头与气筒连在一起，气缸接头中柱状本体的外环面直径等于气筒柱形台座的外径，上接头半柱形钢块的轴线与其柱形钢块的轴线垂直相交，同时上接头的半柱形钢块和柱形钢块结合部位的两侧铣有相互平行的两平面，且上接头两平面的间距小于调偏支座两分支座的间距。
5.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述柱塞体通过气筒上筒腔和下筒腔内带压气体受压及膨胀所施加至双柱塞上的压力，实现吊装作业载荷的动态平衡，并自动调整水下设备的偏斜位移；
所述双柱塞实现气缸体和柱塞体之间沿轴向往复滑移时的导向作用，柱塞本体的环腔容积与气筒上筒腔的筒腔容积之和等于气筒下筒腔的筒腔总容积，由此使得一个筒腔室内带压气体受压的同时另一个筒腔室内的带压气体进行膨胀；
所述双柱塞的外环面与气筒的环腔内壁之间精密配合而构成沿柱塞体轴向的移动副，双柱塞中每个柱塞沿轴向的两侧端布置单层环形沟槽，而每个柱塞的中部则设有双层环形沟槽，且双柱塞的矩形凹槽与其环形沟槽之间交错布置。
6.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述柱塞体中柱塞卡环外环面的截面变化处形成的轴肩与双柱塞中每个柱塞的端面相结合，且位于顶部的柱塞卡环的上端面与柱塞本体的上端面保持平齐；
所述柱塞衬瓦的本体由铜粉末和石墨混合均匀后压制烧结而成，柱塞衬瓦的本体孔隙及其外环面的凹沟内均充满润滑脂；
所述柱塞本体的上部通过螺纹连接而将双柱塞和各柱塞卡环连成一体，柱塞本体的轴向长度大于气筒和气缸密封器的轴向长度之和，柱塞本体的下端通过柱塞螺柱与柱塞端盖相连接；柱塞端盖实现柱塞本体下端部的封堵，其中央部位钻有分层布置的圆孔，每层圆孔等间距排列，并通过缸座螺柱与气缸座相连接。
7.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述密封本体上端的法兰盘通过气筒螺柱与气筒的法兰盘连成一体，密封本体下端的法兰盘通过密封螺柱与密封端盖相连接，并通过拧紧密封螺柱实现密封端盖的轴向滑移；
所述密封衬套环锥状定位台所在锥面的大端圆面直径等于气筒的环腔内壁直径，而实现密封衬套的轴向定位，密封衬套环形衬台的外环面通过螺纹连接而将密封衬套固定于密封本体内，密封端盖环形端盖的外径等于密封本体两端法兰盘和气筒法兰盘的外径；
所述密封压盖的外环面和密封端盖环形推台的外环面同时与密封本体的环腔内壁之间精密配合而构成沿密封本体轴向的移动副，且密封衬套、密封压盖和密封端盖的环腔内壁与柱塞本体的外环面之间均采用间隙配合；
每组所述气缸座含有两个分缸座并对称布置于柱塞端盖的下端，每个分缸座采用等腰梯形钢块，气缸座的上端面车制有与柱塞端盖圆孔相同位置和规格的螺纹孔。
8.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述角度偏斜调整作业的流程为，当水下设备发生角度偏斜时，一个倾斜式双气缸受拉，其气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀且其气筒下筒腔内的带压气体受压，同时另一个倾斜式双气缸受压，其气筒上筒腔内的带压气体受压且其气筒下筒腔内的带压气体发生膨胀，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，倾斜式双气缸完成载荷的动态平衡；与此同时，气管调偏器随之进行角度偏斜，储存有微正压气体的气管受到海水所施加的相反方向均匀载荷而恢复至水平位置，气管调偏器辅助调整偏斜角度。
9.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述振荡位移调整作业的流程为，当水下设备由于海浪和内波而发生振荡时，倾斜式双气缸受拉，气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀同时气筒下筒腔内的带压气体受压，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生振荡载荷的动态平衡；与此同时，气管调偏器随水下设备朝下偏移，储存有微正压气体的气管受到海水所施加的方向朝上均匀载荷而恢复至初始位置，气管调偏器辅助调整振荡位移。
10.根据权利要求1所述的水下气缸式动态平衡吊装作业装置，其特征在于：所述水平漂移位移调整作业的流程为，当水下设备由于海浪和内波而发生水平漂移时，一个倾斜式双气缸受拉，其气筒上筒腔内的带压气体发生膨胀同时其气筒下筒腔内的带压气体受压，与此同时另一个倾斜式双气缸受压，其气筒上筒腔内的带压气体受压同时其气筒下筒腔内的带压气体发生膨胀，柱塞体自动调整偏离位移并恢复至平衡位置，实现海浪和内波所产生水平漂移的动态平衡。
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