CN108791743A - 准零刚度式减摇水箱 - Google Patents

Abstract

准零刚度式减摇水箱，包括水箱体，水箱体上设有上、下两层刚度调节机构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体周向均布的多个刚度调节单元，所述刚度调节单元包括转轴，两个卷簧对称套装在转轴的两端，套体套装在卷簧外部，卷簧的内、外固定端分别固定在转轴、套体上，套体与水箱体固接；转轴的中部位置可转动地套接有锁止块，锁止块设有与转轴上径向孔相贯通的通孔，所述通孔与转轴上的径向孔形成用来安装锁止插销的插销孔；锁止块侧面与支撑杆一端固接，支撑杆另一端固接到支架上，支撑杆轴线与转轴轴线垂直；上、下两层刚度调节机构中的卷簧分别为负刚度弹簧、正刚度弹簧，转轴的转动由手动或机械动力系统驱动。本发明能满足大载荷低频减振要求。

Description

准零刚度式减摇水箱

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及用于半潜平台上的准零刚度式减摇水箱。

背景技术

深海半潜平台通常工作在离大陆架上千公里的海域，其作业工况非常恶劣，如何控制其横摇、升沉、纵倾等大幅运动是海洋平台设计中的首要问题。针对半潜平台风浪流激励下的运动问题，现有的减摇手段主要包括减摇鳍、动力吸振器、减摇水箱或增加浮筒配重，其中，减摇鳍技术来源于船舶减摇设计技术，其主要针对船舶横摇的控制，但在低速流情况下则需要较大鳍板面积的减摇鳍；动力吸振器可以有效控制半潜平台的低频运动，但是针对低频大幅运动，则需要设置质量较大的吸振器，增加了减摇成本且升高了平台质心，容易影响平台结构稳定性；增加浮筒配重可以显著控制平台升沉，但对横摇和纵倾等回转运动的控制作用并不明显。围绕船舶、平台减摇问题，现有技术的减摇水箱技术，有在船舶内底设置有四个减摇水轮涵道，且四个减摇水轮涵道对称设置在船艉两端、船艏两端，每个减摇涵道内设置有减摇水轮，该减摇结构可以有效缓解船舶的横摇、纵摇和垂荡运动，但是该减摇结构的控制目标为船体结构，不适用于半潜平台上层建筑运动的控制。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种准零刚度式减摇水箱，整个减摇水箱的动刚度可调节至接近于零，能够满足大载荷低频减振要求。

本发明的技术方案如下：

准零刚度式减摇水箱，包括水箱体，水箱体上设有上、下两层刚度调节机构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体周向均布的多个刚度调节单元，所述刚度调节单元包括转轴，两个卷簧对称套装在转轴的两端，套体套装在卷簧外部，卷簧的内侧固定端固定在转轴上，卷簧的外侧固定端固定在套体上，套体与水箱体固接；转轴的中部位置可转动地套接有锁止块，锁止块上设有通孔，转轴上设有与所述通孔相互贯通的径向孔，所述通孔与所述径向孔形成用来安装锁止插销的插销孔；锁止块的侧面与支撑杆一端固接，支撑杆另一端固接到支架上，支撑杆的轴线与转轴的轴线垂直；所述上层刚度调节机构中的卷簧为负刚度弹簧，所述下层刚度调节机构中的卷簧为正刚度弹簧，转轴的转动由手动驱动或机械动力系统驱动。

其进一步技术方案为：

所述水箱体上设有中层限位缓冲机构，所述限位缓冲机构包括分别固接在水箱体、支架上的下安装板、上安装板，缓冲弹簧的上、下端的外周分别套接并固接有上圆环、下圆环，下圆环固定在下安装板上端面上，螺杆的上端旋入螺母一，螺母一与上安装板固接，螺杆的下端伸入缓冲弹簧，位于缓冲弹簧与螺母一之间的螺杆杆段上螺纹连接有螺母二。

所述转轴的两端均设有轴向键槽，旋转手柄与所述轴向键槽通过键连接传动。

所述套体与水平板固接，水平板固接在水箱体外壁上。

所述水箱体为方形箱体结构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体周向均布的四个刚度调节单元。

所述支架包括至少两根立柱，立柱之间通过至少上、下两根横向撑杆连接，支撑杆与横向撑杆固接。

所述卷簧为板型卷簧。

本发明的技术效果：

本发明通过在水箱体上设置上、下两层刚度调节机构，并且上、下两层刚度调节机构使用可通过旋转来调节其刚度的卷簧，进一步设置上、下两层刚度调节机构为负刚度调节机构和正刚度调节机构，通过旋松或旋紧上、下两层刚度调节机构中的卷簧，从而可将本发明所述减摇水箱的整体动刚度调节至接近于零刚度的状态，使得本发明所述减摇水箱的固有频率很低，能够满足超大载荷低频减振要求，可以抑制在0.5Hz的半潜平台晃动；本发明进一步设置限位装置，在水箱体在垂向上大幅运动时，能够防止水箱体倾翻。本发明不仅能够适用于海洋平台减摇，而且还可以用于高层建筑的(超)低频减振中。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图，图中水箱体的开口朝上，且为了便于显示结构，图中水箱体一对相对边上的与支撑杆相接的支架以及所述限位缓冲机构均未示出。

图2为图1中所示本发明另一视角的立体结构示意图，图中水箱体的开口朝向前面。

图3为本发明所述转轴、卷簧、套体、水平板的装配结构示意图。

图4为本方面所述限位缓冲机构的结构示意图。

其中：1、水箱体；2、转轴；201、轴向键槽；3、卷簧；4、套体；5、锁止块；6、锁止插销；7、支撑杆；8、支架；801、立柱；802、横向撑杆；9、下安装板；10、上安装板；11、缓冲弹簧；12、上圆环；13、下圆环；14、螺杆；15、螺母一；16、螺母二；17、旋转手柄；18、水平板。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2、图3，本发明所述准零刚度式减摇水箱包括水箱体1，水箱体1上设有上、下两层刚度调节机构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体1周向均布的多个刚度调节单元，所述刚度调节单元包括转轴2，两个卷簧3对称套装在转轴2的两端，套体4套装在卷簧3的外部，卷簧3的内侧固定端(即最里圈固定端)固定在转轴2上，卷簧3的外侧固定端(即最外圈固定端)固定在套体4上，套体4与水箱体1外壁固接；转轴2的中部位置可转动地套接有锁止块5，即锁止块5套接在转轴2的外部，且转轴2与锁止块5的相应套接孔为可转动连接，锁止块5上设有通孔，转轴2上设有与锁止块5上的所述通孔相互贯通的径向孔，锁止块5上的所述通孔与转轴2的所述径向孔形成用来安装锁止插销6的插销孔，当所述刚度调节单元的动刚度调节到位后，在所述插销孔内插入锁止插销6，用来限制转轴2的转动自由度；锁止块5背离水箱体1的侧面与支撑杆7的一端固接，支撑杆7的另一端固接到支架8上，支撑杆7的轴线与转轴2的轴线垂直；上、下两层刚度调节机构中，上层刚度调节机构中的卷簧3为负刚度弹簧，下层刚度调节机构中的卷簧3为正刚度弹簧，转轴2的转动由手动驱动或机械动力系统驱动。其中，所述“正刚度弹簧”与“负刚度弹簧”为行业内常用术语，其与卷簧安装轴(即转轴2)的转动方向以及卷簧3的旋向相关，当规定上、下层刚度调节机构中的转轴2均为同一方向转动时，如果卷簧3被旋紧，其刚度增加，则其为正刚度弹簧，如果卷簧3被旋松，则其刚度降低，则其为负刚度弹簧。其中，手动驱动转轴2转动的机械方式包括手动摇柄、螺杆等常规现有手动驱动方式，机械驱动转轴2转动的机械动力系统包括电机直接驱动或者电机通过齿轮传动、皮带传动、链条传动等中间传动方式间接驱动的机械结构。

见图1、图4，所述水箱体1上设有限位缓冲机构，在水箱体1的高度方向上，所述限位缓冲机构位于上、下层刚度调节机构之间；所述限位缓冲机构包括分别固接在水箱体1、支架8上的下安装板9、上安装板10，缓冲弹簧11的上、下端的外周分别套接并固接有上圆环12、下圆环13，下圆环13固定在下安装板9的上端面上，螺杆14的上端旋入螺母一15，螺母一15固定在上安装板10的下端面上，螺杆14的下端伸入缓冲弹簧11，位于缓冲弹簧11与螺母一15之间的螺杆14杆段上螺纹连接有螺母二16，通过转动螺母二16，可调节螺母二16在螺杆14的位置，进而调节螺母二16与上圆环12之间的轴向间距。

本发明所述转轴2优选采用手动驱动方式，具体地，见图1、图3，所述转轴2的两端均设有轴向键槽201，旋转手柄17与轴向键槽201通过键连接传动，通过旋转手柄17转动驱动转轴2转动，从而带动转轴2上的卷簧3旋紧或旋松，在转轴2的两端均配设旋转手柄17，能够在转轴2的两端均可驱动转轴2转动，提高了操作的便利性。

进一步地，套体4间接固接到水箱体1外壁上，即所述套体4与水平板18固接，水平板18固接在水箱体1外壁上。为了使得整个结构稳定，下安装板9也是通过一块水平板18间接固接到水箱体1外壁上，即在水箱体1上设有上、中、下三层水平板18或者水平板18组。

见图1，所述支架8包括至少两根立柱801，立柱801之间通过至少上、下两根横向撑杆802连接，支撑杆7与横向撑杆802固接。本发明整体通过支架8安装在半潜平台主甲板或上层建筑平台上。

具体地，本发明所述水箱体1优选为方形箱体结构，上、下两层刚度调节机构均包括沿着水箱体1周向均布的四个刚度调节单元，卷簧3优选采用板型卷簧。图1中所示本发明所述减摇水箱通过上、下两层刚度调节机构中一共八根支撑杆7悬挂支撑到水箱体1四周的四个支架8上，图1中，为了便于显示结构，图中只示出水箱体1一组对边上配设的两个支架8，水箱体1另一对相对边上的与支撑杆7相接的支架8以及所述限位缓冲机构均未示出。

本发明的刚度调节工作是上、下两层刚度调节机构安装到水箱体1上的过程中逐步实现的，调节过程说明如下：

水箱体1内充满水，将水箱体1通过下层刚度调节机构中的转轴2、套体4、锁止块5、支撑杆7悬挂支撑到支架8上，此时，下层刚度调节机构中的卷簧3未进行安装至下层刚度调节机构上，且上层刚度调节机构整体未安装到水箱体1上，记录此时处于悬挂状态的水箱体在高度上的初始位置，记录该初始位置后；将两个正刚度的卷簧3安装到下层刚度调节机构中的转轴2上，上层刚度调节机构整体仍未安装到水箱体1上，此时由于卷簧3的刚度存在，会引起水箱体1上移，通过旋转下层刚度调节机构中的旋转手柄17，旋紧下层刚度调节机构中的卷簧3，直至水箱体1下移恢复至初始位置，水箱体1恢复至初始位置后，停止旋转手柄17，并且在下层刚度调节机构的所述插销孔中插入锁止插销6，将此时下层刚度调节机构中的卷簧3的旋紧状态固定；然后将上层刚度调节机构整体安装到水箱体1上，由于上层刚度调节机构中卷簧3的刚度，引起水箱体1下沉，过旋转上层刚度调节机构中的旋转手柄17，旋松上层刚度调节机构中的卷簧3，直至水箱体1上移恢复至初始位置，水箱体1恢复至初始位置后，停止旋转手柄17，并且在上层刚度调节机构的所述插销孔中插入锁止插销6，将此时上层刚度调节机构中的卷簧3的旋紧状态固定。

通过上述整个安装调节过程，本发明所述减摇水箱的动刚度整体接近于零刚度。本发明所述减摇水箱整体动刚度的调节过程还可以通过另一套调节操作来完成，该操作过程需要额外借助一个支撑弹簧，即水箱体1通过一个位于其下方的支撑弹簧支撑在半潜平台上，此时，上、下两层刚度调节机构整体均未安装到水箱体1上，记录水箱体1的初始位置；然后将下层刚度调节机构整体安装到水箱体1上，此时由于卷簧3的刚度存在，会引起水箱体1上移，通过旋转下层刚度调节机构中的旋转手柄17，旋紧下层刚度调节机构中的卷簧3，直至水箱体1下移恢复至初始位置，水箱体1恢复至初始位置后，停止旋转手柄17，并且在下层刚度调节机构的所述插销孔中插入锁止插销6，将此时下层刚度调节机构中的卷簧3的旋紧状态固定；然后将上层刚度调节机构整体安装到水箱体1上，由于上层刚度调节机构中卷簧3的刚度，引起水箱体1下沉，过旋转上层刚度调节机构中的旋转手柄17，旋松上层刚度调节机构中的卷簧3，直至水箱体1上移恢复至初始位置，水箱体1恢复至初始位置后，停止旋转手柄17，并且在上层刚度调节机构的所述插销孔中插入锁止插销6，将此时上层刚度调节机构中的卷簧3的旋紧状态固定，慢慢将位于水箱体1下方的支撑弹簧从水箱体1下方移走。

当半潜平台横摇或纵摇时，整个水箱体1内流体会发生晃荡，产生减摇力矩，从而与常规的减摇水箱一样，通过水箱体1内流体晃荡产生的减摇力矩实现减摇；当平台垂荡后俯仰运动时，由于本发明所述减摇水箱整体的动刚度接近于零，其固有频率非常低，即使在很小的扰动下，本发明所述减摇水箱整体可以进行宽幅运动，有利于实现低频及超低频减振；当本发明所述减摇水箱在垂向上大幅运动时，本发明所述限位缓冲机构能够有效起到缓冲作用，螺杆14轴向移动带动螺母二16与上圆环12上端面抵接，压缩缓冲弹簧11从而起到缓冲作用，通过所述限位缓冲机构来辅助控制水箱体1运动，防止过过度晃动引起水箱体1倾翻。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.准零刚度式减摇水箱，包括水箱体(1)，其特征在于：水箱体(1)上设有上、下两层刚度调节机构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体(1)周向均布的多个刚度调节单元，所述刚度调节单元包括转轴(2)，两个卷簧(3)对称套装在转轴(2)的两端，套体(4)套装在卷簧(3)外部，卷簧(3)的内侧固定端固定在转轴(2)上，卷簧(3)的外侧固定端固定在套体(4)上，套体(4)与水箱体(1)固接；转轴(2)的中部位置可转动地套接有锁止块(5)，锁止块(5)上设有通孔，转轴(2)上设有与所述通孔相互贯通的径向孔，所述通孔与所述径向孔形成用来安装锁止插销(6)的插销孔；锁止块(5)的侧面与支撑杆(7)一端固接，支撑杆(7)另一端固接到支架(8)上，支撑杆(7)的轴线与转轴(2)的轴线垂直；所述上层刚度调节机构中的卷簧(3)为负刚度弹簧，所述下层刚度调节机构中的卷簧(3)为正刚度弹簧，转轴(2)的转动由手动驱动或机械动力系统驱动。

2.按权利要求1所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述水箱体(1)上设有限位缓冲机构，所述限位缓冲机构位于上、下两层刚度调节机构之间；所述限位缓冲机构包括分别固接在水箱体(1)、支架(8)上的下安装板(9)、上安装板(10)，缓冲弹簧(11)的上、下端的外周分别套接并固接有上圆环(12)、下圆环(13)，下圆环(13)固定在下安装板(9)上端面上，螺杆(14)的上端旋入螺母一(15)，螺母一(15)与上安装板(10)固接，螺杆(14)的下端伸入缓冲弹簧(11)，位于缓冲弹簧(11)与螺母一(15)之间的螺杆(14)杆段上螺纹连接有螺母二(16)。

3.按权利要求1或2所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述转轴(2)的两端均设有轴向键槽(201)，旋转手柄(17)与所述轴向键槽(201)通过键连接传动。

4.按权利要求1所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述套体(4)与水平板(18)固接，水平板(18)固接在水箱体(1)外壁上。

5.按权利要求1所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述水箱体(1)为方形箱体结构，所述刚度调节机构包括沿着水箱体(1)周向均布的四个刚度调节单元。

6.按权利要求1所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述支架(8)包括至少两根立柱(801)，立柱(801)之间通过至少上、下两根横向撑杆(802)连接，支撑杆(7)与横向撑杆(802)固接。

7.按权利要求1所述的准零刚度式减摇水箱，其特征在于：所述卷簧(3)为板型卷簧。