CN108583800B - 一种集成式主被动复合升沉补偿装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式主被动复合升沉补偿装置及其工作方法，属于海洋工程装备技术领域，装置包括主动补偿系统、被动补偿系统和控制驱动模块；主动补偿系统包括主泵单元、第一液压缸、第二液压缸，由主泵单元控制两个油液运动方向相反的液压缸的压力变化，实现主动升沉补偿；被动补偿系统包括气液蓄能器、储气瓶，气液蓄能器与第二液压缸和储气瓶相连，可实现被动升沉补偿。主被动补偿相结合，不占用甲板有限空间、可移植性强。

Description

一种集成式主被动复合升沉补偿装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种集成式主被动复合升沉补偿装置及其工作方法，属于海洋工程装备技术领域。

背景技术

海洋工程装备尤其是海底作业、入水作业时，受风、浪、流影响，母船随海面的波浪产生巨幅纵摇、横遥、艏摇，纵荡、横荡、垂荡及其耦合运动，导致作业定位不准确、缆绳疲劳断裂、设备失稳等问题。因此，必须采用升沉补偿系统，以减小海浪对船舶运动状态的影响。有时为了更好地适应各种复杂工况，有时甚至安装两套或两套以上的补偿系统，包括同时安装恒张力和被动补偿装置，这就使结构庞大复杂，安装成本高。

主动型升沉补偿系统目前采用液压或变频技术，实现主动补偿功能，具有反应速度快，可以弥补被动系统由于气压变化、摩擦力影响等造成的反应迟滞效应和张力变化效应。但能耗较高，补偿行程较小。

被动型升沉补偿系统目前采用蓄能器缓冲的原理，但补偿滞后严重，补偿效率低。

传统的主被动升沉补偿系统综合上述主动型升沉补偿系统与被动型升沉补偿系统的优点，减小能耗的基础上提高补偿精度，适用的海况范围更广。但传统的主被动升沉补偿系统无法同时满足空气中、“浪溅区”、水下区的波动载荷，三个区的工况对补偿系统的要求不同，无法调节时会造成设备失稳、受冲击后内部仪器失灵等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种深海起吊作业集成式主被动复合升沉补偿装置，采用气液蓄能器系统和第一液压缸对升沉进行补偿，提高被吊设备入水过程稳定、减少设备与海底的相对运动。

本发明还提供上述装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，包括主动补偿系统、被动补偿系统和控制驱动模块；

主动补偿系统包括主泵单元、第一液压缸、第二液压缸，控制驱动模块用于接受海况信号和反馈信号并控制主泵单元，主泵单元与第一液压缸相连，主泵单元用于控制第一液压缸的流量和压力并将第一液压缸的信息反馈给控制驱动模块；第一液压缸出油口通过油路与第二液压缸进油口相连；两个液压缸的油液运动方向相反，可实现主动升沉补偿；

被动补偿系统包括气液蓄能器、储气瓶，气液蓄能器上设有气液进油口、气液出气口，气液进油口通过液压管路与第二液压缸的相连，气液蓄能器的气液出气口与储气瓶相连。气液蓄能器与第二液压缸和储气瓶相连，可实现被动升沉补偿。

根据本发明优选的，储气瓶的数量为3个，分别为第一储气瓶、第二储气瓶、第三储气瓶，第一储气瓶上设有第一进气口、第一出气口，气液蓄能器的气液出气口通过气动管路与第一进气口相连；

第二储气瓶上设有第二气口，第三储气瓶上设有第三气口，第二气口与第三气口分别通过气动管路与第一出气口相连。设立三个相对独立的储气瓶，可根据实际情况进行选择，第二储气瓶与第三储气瓶为备选。

进一步优选的，第二气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀，第三气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀。当需要第二储气瓶或第三储气瓶时，打开对应管路上的开关阀；当不需要第二储气瓶或第三储气瓶时，关闭对应管路上的开关阀，此时只有第一储气瓶工作。

进一步优选的，集成式主被动复合升沉补偿装置还包括刚度调节单元，刚度调节单元包括调节管壳和空气压缩机，调节管壳设于气液出气口与第一进气口的气动管路上，调节管壳内的密闭空间用于连通气液出气口与第一进气口之间的气体通路，调节管壳内设有气体压力传感器，气体压力传感器与控制驱动模块相连，气体压力传感器用于将检测到的调节管壳内的气体压力反馈于控制驱动模块；

空气压缩机通过气动方向阀与调节管壳内的密闭空间相连，空气压缩机与控制驱动模块相连。

在被动补偿过程中，气液蓄能器与储气瓶相连，其起到了类似弹簧的作用，气液出气口与储气瓶内的气体压强则类似于弹簧的刚度，当这部分气动管路内的气体压强较大时，其所能为第二液压缸带来的被动补偿幅度较小，反之亦然。被动补偿的发生契机源于外界，装置置于不同的区域(如空气中、“浪溅区”、水下区)所产生/需要的被动补偿各不相同，因此，通过加入刚度调节单元，可使装置在被动补偿过程中能够迅速适应不同的作业区域，补偿反应更加迅速灵敏。

根据本发明优选的，集成式主被动复合升沉补偿装置还包括阻尼调节单元，阻尼调节单元位于气液蓄能器的气液进油口与第二液压缸的之间的液压管路上，阻尼调节单元包括液压调速阀和液压压力传感器，液压调速阀和液压压力传感器均与控制驱动模块相连。

液压压力传感器用于感知气液进油口与第二液压缸的之间的液压管路的油液压力，并将压力信号反馈至控制驱动模块，由控制驱动模块判断是否需要控制调节液压调速阀的大小以便控制流速。

根据本发明优选的，第二液压缸的缸体内包括第二无杆腔和第二有杆腔，第一液压缸的缸体内包括第一无杆腔和第一有杆腔，主泵单元与第一液压缸的第一有杆腔相连，第一液压缸的第一无杆腔与第二液压缸的第二无杆腔相连；

气液蓄能器的气液进油口通过液压管路与第二液压缸的第二有杆腔相连。

进一步优选的，所述集成式主被动复合升沉补偿装置还包括第一端盖和第二端盖，主动补偿系统和被动补偿系统位于第一端盖和第二端盖之间。将主被动补偿系统集成于端盖之间的限定空间内。

进一步优选的，主泵单元一端与第一液压缸相连，主泵单元另一端与油箱相连，油箱位于第一端盖下侧。油箱用于存储供主泵单元抽吸的油液。

进一步优选的，第二端盖一侧设有MRU传感器，MRU传感器与控制驱动模块相连，MRU传感器用以实时采集海况信号并将海况信号传递于控制驱动模块。

控制驱动模块将海况信号处理后，产生控制信号并传送至主泵单元，主泵单元可根据信号控制第一液压缸的流量及压力，从而控制和补偿第二液压缸的位移和速度。

进一步优选的，第一端盖位于第二端盖的上方，第一端盖顶面设有吊钩；吊钩与吊机末端相连；第二液压缸位于第二端盖的一侧，第二液压缸的第二无杆腔一端固定于第一端盖，第二液压缸的第二有杆腔一端固定于第二端盖，第二端盖上设有通孔，第二液压缸的活塞杆贯穿通孔设置。穿过第二端盖的活塞杆可与被吊设备相连。

进一步优选的，控制驱动模块内设有内置电源，内置电源用以提供电力，MRU传感器通过导线与控制驱动模块相连。

一种利用上述集成式主被动复合升沉补偿装置的工作方法，包括步骤如下：

当控制驱动模块判断需要进行主动下沉补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，向第一液压缸的第一有杆腔内供油，第一液压缸的第一无杆腔压力升高，液压油被压至第二液压缸的第二无杆腔，进而推动第二有杆腔中的活塞杆伸出；

当控制驱动模块判断需要进行主动上升补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，从第一液压缸的第一有杆腔内吸油，第一液压缸的第一无杆腔中压力降低，进而带动第二有杆腔中的活塞杆缩回。

根据本发明优选的，当控制驱动模块判断需要进行刚度调节时，空气压缩机向第一储气瓶中抽气或充气，控制储气瓶内的有效容积和压力，使调节管壳内的压力降低或升高，进而气液蓄能器内的气体压力降低或升高，作用于第二液压缸的第二有杆腔的压力降低或升高，实现被动升沉补偿的刚度降低或升高。

根据本发明优选的，当控制驱动模块判断需要进行阻尼调节时，液压调速阀根据控制驱动模块的指令变化，实时调节阀口开度，进而调节由气液蓄能器流向第二液压缸的阻尼，实现被动升沉补偿的阻尼调节。

第二液压缸的活塞杆为最终的被补偿部件，与被吊设备相连；第一液压缸、主泵单元、MRU传感器和控制驱动模块同时工作，提供补偿力，通过油压保持第二液压缸的无杆腔恒压力，实现主动波浪补偿；气液蓄能器、第一储气瓶、第二储气瓶、第三储气瓶、刚度调节单元、控制驱动模块、空气压缩机同时工作，通过气压为第二液压缸的有杆腔提供压力，从而抑制载荷波动引起的第二液压缸的有杆腔内压力变化，实现被动补偿，通过空气压缩机的充、抽气、刚度调节单元实现气体压力和容积变化，调节被动补偿系统的刚度。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的各组成部分均被集成地置于第一端盖与第二端盖之间，装置悬挂于吊机吊钩上，相比传统升沉补偿系统固定在甲板上，本发明具有不占用甲板有限空间、可移植性强的优势。

(2)本发明的技术方案提供的阻尼调节单元、刚度调节单元，可实现实时调节蓄能器组的刚度和阻尼，使装置在不同工作模式下实现柔顺切换，并最大程度抑制动态载荷。

附图说明

图1为本发明集成式主被动复合升沉补偿装置的结构轴测图；

图2为本发明集成式主被动复合升沉补偿装置的结构右视图；

图3为本发明刚度调节单元和阻尼调节单元结构示意图；

其中：1、第二液压缸，1-1、第二有杆腔，1-2、活塞；2、气液蓄能器，2-1、气液进油口，2-2、气液出气口；3、刚度调节单元，4、第一储气瓶，5、第二储气瓶，6、第一液压缸，7、第三储气瓶，8、MRU传感器，9、主泵单元，10、阻尼调节单元，11、第一端盖，12、第二端盖，13、控制驱动模块，14、空气压缩机；

15、调节管壳，16、气体压力传感器，17、气动方向阀，18、液压调速阀。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，包括主动补偿系统、被动补偿系统和控制驱动模块。

主动补偿系统包括主泵单元、第一液压缸、第二液压缸，控制驱动模块用于接受海况信号和反馈信号并控制主泵单元，主泵单元与第一液压缸相连，主泵单元用于控制第一液压缸的流量和压力并将第一液压缸的信息反馈给控制驱动模块；第一液压缸出油口通过油路与第二液压缸进油口相连；两个液压缸的油液运动方向相反，可实现主动升沉补偿。

被动补偿系统包括气液蓄能器、储气瓶，气液蓄能器上设有气液进油口、气液出气口，气液进油口通过液压管路与第二液压缸的相连，气液蓄能器的气液出气口与储气瓶相连。气液蓄能器与第二液压缸和储气瓶相连，可实现被动升沉补偿。

实施例2：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，储气瓶的数量为3个，分别为第一储气瓶、第二储气瓶、第三储气瓶，第一储气瓶上设有第一进气口、第一出气口，气液蓄能器的气液出气口通过气动管路与第一进气口相连。

第二储气瓶上设有第二气口，第三储气瓶上设有第三气口，第二气口与第三气口分别通过气动管路与第一出气口相连。设立三个相对独立的储气瓶，可根据实际情况进行选择，第二储气瓶与第三储气瓶为备选。

实施例3：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，第二气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀，第三气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀。当需要第二储气瓶或第三储气瓶时，打开对应管路上的开关阀；当不需要第二储气瓶或第三储气瓶时，关闭对应管路上的开关阀，此时只有第一储气瓶工作。

实施例4：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例2所述，所不同的是，集成式主被动复合升沉补偿装置还包括刚度调节单元，刚度调节单元包括调节管壳和空气压缩机，调节管壳设于气液出气口与第一进气口的气动管路上，调节管壳内的密闭空间用于连通气液出气口与第一进气口之间的气体通路，调节管壳内设有气体压力传感器，气体压力传感器与控制驱动模块相连，气体压力传感器用于将检测到的调节管壳内的气体压力反馈于控制驱动模块.

空气压缩机通过气动方向阀与调节管壳内的密闭空间相连，空气压缩机与控制驱动模块相连。

实施例5：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例4所述，所不同的是，集成式主被动复合升沉补偿装置还包括阻尼调节单元，阻尼调节单元位于气液蓄能器的气液进油口与第二液压缸的之间的液压管路上，阻尼调节单元包括液压调速阀和液压压力传感器，液压调速阀和液压压力传感器均与控制驱动模块相连。

液压压力传感器用于感知气液进油口与第二液压缸的之间的液压管路的油液压力，并将压力信号反馈至控制驱动模块，由控制驱动模块判断是否需要控制调节液压调速阀的大小以便控制流速。

实施例6：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例5所述，所不同的是，第二液压缸的缸体内包括第二无杆腔和第二有杆腔，第一液压缸的缸体内包括第一无杆腔和第一有杆腔，主泵单元与第一液压缸的第一有杆腔相连，第一液压缸的第一无杆腔与第二液压缸的第二无杆腔相连。

气液蓄能器的气液进油口通过液压管路与第二液压缸的第二有杆腔相连。

实施例7：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例6所述，所不同的是，所述集成式主被动复合升沉补偿装置还包括第一端盖和第二端盖，主动补偿系统和被动补偿系统位于第一端盖和第二端盖之间。将主被动补偿系统集成于端盖之间的限定空间内。

实施例8：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例7所述，所不同的是，主泵单元一端与第一液压缸相连，主泵单元另一端与油箱相连，油箱位于第一端盖下侧。油箱用于存储供主泵单元抽吸的油液。

第二端盖一侧设有MRU传感器，MRU传感器与控制驱动模块相连，MRU传感器用以实时采集海况信号并将海况信号传递于控制驱动模块。

控制驱动模块将海况信号处理后，产生控制信号并传送至主泵单元，主泵单元可根据信号控制第一液压缸的流量及压力，从而控制和补偿第二液压缸的位移和速度。

实施例9：

一种集成式主被动复合升沉补偿装置，其结构如实施例8所述，所不同的是，第一端盖位于第二端盖的上方，第一端盖顶面设有吊钩；吊钩与吊机末端相连；第二液压缸位于第二端盖的一侧，第二液压缸的第二无杆腔一端固定于第一端盖，第二液压缸的第二有杆腔一端固定于第二端盖，第二端盖上设有通孔，第二液压缸的活塞杆贯穿通孔设置。穿过第二端盖的活塞杆可与被吊设备相连。

控制驱动模块内设有内置电源，内置电源用以提供电力，MRU传感器通过导线与控制驱动模块相连。控制驱动模块的硬件设备可由市购获得，根据实际情况编入程序。

实施例10：

一种利用实施例6所述集成式主被动复合升沉补偿装置的工作方法，包括步骤如下：

当控制驱动模块判断需要进行主动下沉补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，向第一液压缸的第一有杆腔内供油，第一液压缸的第一无杆腔压力升高，液压油被压至第二液压缸的第二无杆腔，进而推动第二有杆腔中的活塞杆伸出。

当控制驱动模块判断需要进行主动上升补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，从第一液压缸的第一有杆腔内吸油，第一液压缸的第一无杆腔中压力降低，进而带动第二有杆腔中的活塞杆缩回。

当控制驱动模块判断需要进行刚度调节时，空气压缩机向第一储气瓶中抽气或充气，控制储气瓶内的有效容积和压力，使调节管壳内的压力降低或升高，进而气液蓄能器内的气体压力降低或升高，作用于第二液压缸的第二有杆腔的压力降低或升高，实现被动升沉补偿的刚度降低或升高。

当控制驱动模块判断需要进行阻尼调节时，液压调速阀根据控制驱动模块的指令变化，实时调节阀口开度，进而调节由气液蓄能器流向第二液压缸的阻尼，实现被动升沉补偿的阻尼调节。

Claims (9)

1.一种集成式主被动复合升沉补偿装置，包括主动补偿系统、被动补偿系统和控制驱动模块；

主动补偿系统包括主泵单元、第一液压缸、第二液压缸，控制驱动模块用于接受海况信号和反馈信号并控制主泵单元，主泵单元与第一液压缸相连，主泵单元用于控制第一液压缸的流量和压力并将第一液压缸的信息反馈给控制驱动模块；第一液压缸出油口通过油路与第二液压缸进油口相连；

被动补偿系统包括气液蓄能器、储气瓶，气液蓄能器上设有气液进油口、气液出气口，气液进油口通过液压管路与第二液压缸相连，气液蓄能器的气液出气口与储气瓶相连；

储气瓶的数量为3个，分别为第一储气瓶、第二储气瓶、第三储气瓶，第一储气瓶上设有第一进气口、第一出气口，气液蓄能器的气液出气口通过气动管路与第一进气口相连；

第二储气瓶上设有第二气口，第三储气瓶上设有第三气口，第二气口与第三气口分别通过气动管路与第一出气口相连；

集成式主被动复合升沉补偿装置还包括刚度调节单元，刚度调节单元包括调节管壳和空气压缩机，调节管壳设于气液出气口与第一进气口的气动管路上，调节管壳内的密闭空间用于连通气液出气口与第一进气口之间的气体通路，调节管壳内设有气体压力传感器，气体压力传感器与控制驱动模块相连；

空气压缩机通过气动方向阀与调节管壳内的密闭空间相连，空气压缩机与控制驱动模块相连。

2.根据权利要求1所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，第二气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀，第三气口与第一出气口之间的气动管路上设有开关阀。

3.根据权利要求1所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，集成式主被动复合升沉补偿装置还包括阻尼调节单元，阻尼调节单元位于气液蓄能器的气液进油口与第二液压缸的之间的液压管路上，阻尼调节单元包括液压调速阀和液压压力传感器，液压调速阀和液压压力传感器均与控制驱动模块相连。

4.根据权利要求3所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，第二液压缸的缸体内包括第二无杆腔和第二有杆腔，第一液压缸的缸体内包括第一无杆腔和第一有杆腔，主泵单元与第一液压缸的第一有杆腔相连，第一液压缸的第一无杆腔与第二液压缸的第二无杆腔相连；

气液蓄能器的气液进油口通过液压管路与第二液压缸的第二有杆腔相连。

5.根据权利要求4所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，所述集成式主被动复合升沉补偿装置还包括第一端盖和第二端盖，主动补偿系统和被动补偿系统位于第一端盖和第二端盖之间。

6.根据权利要求5所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，主泵单元一端与第一液压缸相连，主泵单元另一端与油箱相连，油箱位于第一端盖下侧。

7.根据权利要求5所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，第二端盖一侧设有MRU传感器，MRU传感器与控制驱动模块相连，MRU传感器用以实时采集海况信号并将海况信号传递于控制驱动模块；控制驱动模块内设有内置电源，内置电源用以提供电力。

8.根据权利要求5所述的集成式主被动复合升沉补偿装置，其特征在于，第一端盖位于第二端盖的上方，第一端盖顶面设有吊钩；第二液压缸位于第二端盖的一侧，第二液压缸的第二无杆腔一端固定于第一端盖，第二液压缸的第二有杆腔一端固定于第二端盖，第二端盖上设有通孔，第二液压缸的活塞杆贯穿通孔设置。

9.一种利用权利要求4所述集成式主被动复合升沉补偿装置的工作方法，包括步骤如下：

当控制驱动模块判断需要进行主动下沉补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，向第一液压缸的第一有杆腔内供油，第一液压缸的第一无杆腔压力升高，液压油被压至第二液压缸的第二无杆腔，进而推动第二有杆腔中的活塞杆伸出；

当控制驱动模块判断需要进行主动上升补偿时，控制驱动模块控制主泵单元工作，从第一液压缸的第一有杆腔内吸油，第一液压缸的第一无杆腔中压力降低，进而带动第二有杆腔中的活塞杆缩回；

当控制驱动模块判断需要进行刚度调节时，空气压缩机向第一储气瓶中抽气或充气，控制储气瓶内的有效容积和压力，使调节管壳内的压力降低或升高，进而气液蓄能器内的气体压力降低或升高，作用于第二液压缸的第二有杆腔的压力降低或升高，实现被动升沉补偿的刚度降低或升高；

当控制驱动模块判断需要进行阻尼调节时，液压调速阀根据控制驱动模块的指令变化，实时调节阀口开度，进而调节由气液蓄能器流向第二液压缸的阻尼，实现被动升沉补偿的阻尼调节。