CN109502494B - 一种深海线缆收放液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种深海线缆收放液压控制系统，包括：液压源，其出口连接有主管路；控制和驱动卷筒的卷筒驱动回路，其与所述主管路连接；控制和驱动滑轮的滑轮驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置；以及控制滑轮上缆绳的张紧力的张紧驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置。该液压系统可安全可靠地应用于深海，实现释放和回收系缆的功能，并对系缆的张力和收放速度进行有效控制。

Description

一种深海线缆收放液压系统

技术领域

本发明涉及深海液压技术领域，具体涉及一种深海线缆收放液压系统。

背景技术

水下机器人已经成为海洋开发尤其是深海开发的重要工具。现有的有缆遥控机器人ROV(Remotely Operated underwater Vehicle)具有功率大、控制延时短、安全可靠等优点。但深海ROV的工作水深大，其配套脐带缆长度非常长，通常作业水深3500m的ROV所需要配备的脐带缆要达到4000m以上，对于作业水深6000m的ROV脐带缆甚至需要达到7000m。另外因深海长距离的输电会产生较大的压降，为了减少压降一般的做法是将脐带电缆的导线加粗，另一方面为了保证如此长的脐带缆有良好的抗拉强度，脐带缆外部一般都有两层铠装钢丝。

以上两方面的原因均会导致脐带缆的线密度非常大，自重也相当大。当ROV在水下航行时，如此长且重的脐带缆在水中产生的阻力非常大，极大地制约了ROV航行的自由度和操控性，因此应运而生了一种中继设备，即水下线缆管理系统TMS(Tether ManagementSystem)。该中继设备本质为一套水下系缆储存、释放和回收的绞车系统。借助TMS，ROV得以在深海中自由航行，消除了连接到ROV的脐带缆的拖曳影响，还可以在释放和回收ROV时对系缆提供保护。

系缆与铠装脐带缆对接后储存于卷筒上，为使系缆紧密地排列于卷筒上，对系缆有最小张力要求，在释放和回收过程中必须确保系缆的张力不小于该数值，同时又不能超过系缆所能承受的最大载荷，否则会损伤系缆甚至拉断，故系统必须具备维持恒定张力和保护系缆的作用。另外，在水下会有不同程度的波动和暗流的冲击，又要求系统要有很强的抗干扰能力和稳定性。目前一般采用机械传动的方法来实现，通过水下电机驱动机械齿链传动机构实现系缆的释放和回收，系缆张力的保持则采用预先设定弹簧对系缆的压紧力来实现，这种实现方法结构较为复杂，需要的零部件较多，空间占用大，且存在收、放缆长度控制误差大、缺乏过载保护、工作稳定性较差等缺点。

中国专利公告号CN102153027A，公告日：2011.08.17，发明名称为“一种液压绞车无级调节恒张力装置”，公开了一种液压绞车无级调节恒张力装置，该装置由动力泵组、换向阀、液压马达、绞车、单向阀、平衡阀和马达安全阀组成。动力泵组连接换向阀的进油口，换向阀的一个工作油口连接平衡阀的回油口，平衡阀的进油口则连接液压马达的收缆侧油口，液压马达的放缆侧油口连接换向阀的另一个工作油口，换向阀的出油口连接油箱，平衡阀的控制口连接在液压马达的放缆侧油口与换向阀之间的油路上，单向阀并联在液压马达的收缆侧油口与放缆侧油口之间，绞车与液压马达连接。该装置通过设定液压马达溢流阀的溢流压力值来控制钢丝绳能承受的最大张力值，当液压系统中的油压超过溢流阀设定压力，溢流阀打开开启溢流，使得油压降低至等于或低于最大油压值，从而使得钢丝绳不超过最大张力值，实现液压绞车的恒张力控制。然而，这种通过调节溢流阀的溢流压力来实现系缆保持恒定张力的方式，在作业过程中溢流阀一直处于溢流状态，造成系统发热显著，能量消耗较大。且没有第二套保护措施，若液压马达溢流阀失效，则无法控制钢丝绳的最大张力值，存在钢丝绳过载被拉断的风险。再者，该装置无防超速功能，放缆时因外界载荷的拖曳会使得卷筒转动速度加快，造成液压马达超速吸空存在安全隐患。此外，该装置为仅适合于甲板上使用的一种液压绞车，无法应用于水下。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种深海线缆收放液压控制系统，该液压系统可安全可靠地应用于深海，实现释放和回收系缆的功能，并对系缆的张力和收放速度进行有效控制。

为了实现以上发明目的，本发明提出了一种具有以下结构的深海线缆收放液压控制系统，包括：

液压源，其出口连接有主管路；

控制和驱动卷筒的卷筒驱动回路，其与所述主管路连接；

控制和驱动滑轮的滑轮驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置；以及

控制滑轮上缆绳的张紧力的张紧驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置。

在本发明中，通过设置卷筒驱动回路来有效地控制卷筒的正方转动从而控制卷绕在卷筒上的系缆的释放和回收；通过滑轮驱动回路和控制缆绳的张紧力的张紧驱动回路，能够辅助卷筒一起对系缆的张力和收放速度进行有效控制。

在一种实施方案中，所述卷筒驱动回路包括：

第一电磁换向组件，其进油口连接所述液压源的主管路；

驱动卷筒的第一液压马达，其与所述第一电磁换向组件的出油口连接，通过第一电磁换向组件控制第一液压马达的正反转；

卷筒压力控制阀组，其与所述第一液压马达并列设置并控制所述第一液压马达两端的压力。第一液压马达正转时驱动卷筒回收系缆或缆绳，第一液压马达反转时驱动卷筒释放系缆或缆绳。

在一种实施方案中，第一电磁换向组件，其进油口连接所述主管路；

驱动卷筒的第一液压马达，其与所述第一电磁换向组件的出油口连接，通过第一电磁换向组件控制第一液压马达的正反转；

卷筒压力控制阀组，其与所述第一液压马达并列设置并控制所述第一液压马达两端的压力。控制第一液压马达两端的压力，防止超载。

在一种实施方案中，所述第一电磁换向组件包括：

三位四通电磁换向阀，其中位处于截止状态，其进油口连接主管路，其出油口分别连接所述第一液压马达的两端；以及

第一溢流阀，其进油口连接所述第一液压马达正转方向的进油管路，其出油口连接压力补偿器。通过切换三位四通电磁换向阀是上位得电还是下位得电，控制第一液压马达正转还是反转，从而控制是回收还是释放系缆的效果。第一液压马达的压力则控制回收或释放系缆的速度。

在一种实施方案中，所述滑轮驱动回路包括：

第二电磁换向组件，其进油口连接主管路；

驱动滑轮的第二液压马达，其与所述第二电磁换向阀的出油口连接，通过第二电磁换向组件控制第二液压马达的正反转；

滑轮压力控制阀组，其与所述第二液压马达并列设置并控制所述第二液压马达两端的压力。第二电磁换向组件可控制第二液压马达转动还是不转动，从而控制连接的滑轮的转动。转动的速度则由第二液压马达上的压力来控制。

在一种实施方案中，所述主管路与滑轮控制阀组之间设有减压阀。通过减压阀减压后，控制滑轮的转动速度不大于卷筒的转动速度，进而减少能量损耗。

在一种实施方案中，所述第二电磁换向组件包括：

第二溢流阀，其进油口连接主管路，其出油口连接压力补偿器；和

两位四通电磁加载阀，其进油口连接主管路，换向前处于中位截止状况且回油口连接压力补偿器；其两个出油口分别连接第二液压马达。第二溢流阀主要起到防止系统压力过载的作用。

在一种实施方案中，所述张紧驱动回路包括液压张紧器和张紧器控制阀组，所述液压张紧器的进油口通过张紧器控制阀组连接到主管路，所述液压张紧器的出油口经张紧器控制阀组连接压力补偿器。通过液压张紧器作用到系缆或缆绳上的压力来辅助控制张紧力。

在一种实施方案中，所述液压源包括深水电机和变量泵，所述深水电机的输出轴连接变量泵，所述变量泵的出口连接主管路。

在一种实施方案中，所述主管路上设有第二单向阀和高压过滤器，所述第二单向阀连接所述变量泵，所述高压过滤器连接所述第二单向阀，所述高压过滤器还并联有第三单向阀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)由于本发明的液压系统中配置了特有的压力补偿器，使液压系统油箱内的油液与压力补偿器相连，其系统压力建立在海水压力的基础上，液压系统的各个部分，包括液压源、控制阀组、液压马达及液压管路等避免了海水压力的影响，可以适用于不同海深下的作业工况；

2)本发明中通过卷筒压力阀组设置可以分别满足：ROV释放初始阶段的被动放缆低载荷控制、释放过程中主动放缆的高载荷控制和关闭动力后的中度载荷控制；

3)本发明中系缆张力的调节和保持通过滑轮的液压预紧装置和滑轮压力阀组中的逻辑阀来控制，减少了尤其是在收揽过程中的能量损耗。

4)本发明液压系统设置了三重的压力保护，若其中有一个溢流阀失效，两外的溢流阀还能提供较好的压力保护。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的深海线缆收放液压控制系统的其中一个实施例。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中，针对深海环境下应用的系缆收、放设备以及目前深海常规应用的机械传动方式的不足，提出采用电液压控制的技术方法，但通过试验发现不能简单地将现有陆面及船用甲板液压绞车直接移植到水下，尤其是深海环境要求耐高压、抗腐蚀、高稳定性，因此，深海液压系统主要解决以下几个方面的问题：

1)液压系统要能够安全可靠地应用于深海，实现储存、释放和回收系缆的功能，并对系缆的张力和收放速度进行有效控制，必须具备高密封性、抗高压设计、高耐腐蚀性、高可靠性以及全工作状态监控；

2)解决常规通过溢流阀的压力限制来控制系缆的最大张力，造成功率损失的问题；

3)解决船用甲板液压绞车的溢流阀失效，系缆张力无法控制的问题；

4)解决放缆时因外界载荷的驱使存在放缆速度过快带来的安全隐患问题；

5)能够满足不同海深条件下的应用要求。

针对以上问题，本发明的实施例提出了一种深海线缆收放液压系统，下面进行说明。

图1显示了本发明的深海线缆收放液压系统的其中一种实施例。在该实施例中，本发明的深海线缆收放液压控制系统，主要包括：液压源、卷筒驱动回路、滑轮驱动回路和张紧驱动回路四个部分。其中的液压源出口连接有一条主管路，卷筒驱动回路、滑轮驱动回路和张紧驱动回路并列设置并均与该主管路连接。卷筒驱动回路起到控制和驱动卷筒的作用，滑轮驱动回路控制和驱动滑轮，张紧驱动回路控制滑轮上的缆绳的张紧力。

在一个实施例中，液压源主要包括深水电机1和变量泵2，深水电机1的输出轴连接变量泵2，通过深水电机1带动变量泵2转动输出高压流体，变量泵2优选为变量柱塞泵。其中的深水电机1为现有技术，可直接通过采购获得。另外，还设置有用于回收和循环利用油液的压力补偿器20。变量泵2的进油口和回油口连接到压力补偿器20，深水电机1的回油口也连接到压力补偿器20。

在一个实施例中，变量泵2的出口连接有主管路，主管路上依次设有第二单向阀3和高压过滤器4。高压过滤器4还并联有第三单向阀5。该第三单向阀5主要起到防高压过滤器4出现故障的作用。

在一个实施例中，从高压过滤器4流出的油液继续在主管路流动，然后进入卷筒驱动回路、滑轮驱动回路和张紧驱动回路。其中，张紧驱动回路主要包括液压张紧器17和张紧器控制阀组18，液压张紧器18的进油口通过张紧器控制阀组17连接到主管路，液压张紧器18的出油口经张紧器控制阀组17连接压力补偿器20。

在一个实施例中，滑轮驱动回路主要包括：进油口连接主管路的第二电磁换向组件、驱动滑轮的第二液压马达15和控制第二液压马达15两端压力的滑轮压力控制阀组16。由于驱动滑轮的作用力相对小些，因而在主管路与滑轮压力控制阀组16之间设置有减压阀14。主管路进入滑轮压力控制阀组16的管路上第二电磁换向组件，该电磁换向组件包括两位四通电磁加载阀7，其进油口连接主管路，换向前处于中位截止状况可防止吸空；该两位四通电磁加载阀7的回油口连接压力补偿器20，该两位四通电磁加载阀7的两个出油口分别连接第二液压马达17。在主管路与两位四通电磁加载阀7之间的连接管路上还连接有第二溢流阀6，第二溢流阀6的进油口连接主管路，其出油口连接压力补偿器20。

在变量泵2启动时，若达到第二溢流阀6的溢流压力则第二溢流阀6开启，油液从第二溢流阀6回到压力补偿器20。第二溢流阀6起到防止系统过载的作用。若压力未达到第二溢流阀6的开启压力，两位四通电磁加载阀7得电，油液经两位四通电磁加载阀7、滑轮压力控制阀组16进入第二液压马达15驱动滑轮。

在一个实施例中，卷筒驱动回路主要包括：第一电磁换向组件、驱动卷筒的第一液压马达13以及控制第一液压马达13两端压力的卷筒压力控制阀组12。其中，第一电磁换向组件包括三位四通电比例换向阀9和第一溢流阀10。第一溢流阀10连接三位四通电比例换向阀9与第一液压马达13之间的管路。如图1所示，在变量泵2未启动时，三位四通电比例换向阀9处于中位截止状态。若上位得电，则油液经三位四通电比例换向阀9的上位油口经上面的管路流入第一液压马达13使得第一液压马达13驱动其正转，卷筒正转则收缆绳。若下位得电，则油液经三位四通电比例换向阀9的下位从下方的管路进入第一液压马达13驱动其反转，卷筒反转则放缆绳。

在一个实施例中，卷筒压力控制阀组12与第一液压马达13并列设置。卷筒压力控制阀组12主要包括：第一两位两通液控截止阀12.1、第二两位两通液控截止阀12.2和第三溢流阀12.3。第一两位两通液控截止阀12.1、第二两位两通液控截止阀12.2均与第一液压马达并列设置，且第一两位两通液控截止阀12.1与第二两位两通液控截止阀12.2的工作状态相反，即一个处于开通状态则另一个处于截止状态。第一两位两通截止阀12.1的控油口通过管路连接到主管路。第二两位两通液控截止阀12.2的控油口连接先导控制阀11，该先导控制阀11的进油口连接主管路，先导控制阀11的回油口连接压力补偿器14。

在一个实施例中，本发明的深海线缆收放液压系统的工作原理为：深水电机1的输出轴通过花键套与变量泵2相连，变量泵2的出油口设置高压过滤器4，工作油液经高压过滤器4后到达三条回路的进油口。三位四通电比例换向阀9的工作油口分别连接第一液压马达13的收缆侧油口和排缆侧油口。在第一液压马达13的进出油旁路中设置卷筒压力控制阀组12，以满足不同工况下系缆张力的调节。其中的卷筒压力控制阀组12分别有轻载张力控制、中载张力控制和重载张力控制模式，且该卷筒压力控制阀组12提供一级的过载保护功能和动力短暂丧失后的继续排缆功能。卷筒压力控制阀组12中的第一两位两通液控截止阀12.1的先导控制油压来源于主管路的系统压力，通过第一两位两通液控截止阀12.1和先导控制阀11来主动控制。线缆通过液压张紧器17紧靠在排缆滑轮的导轨内，并维持线缆紧密排列在卷筒所需要的张力，液压张紧器17还连接有压力传感器19可以实时监控张紧压力。排缆滑轮作为辅助部件，在排缆过程中起到调节和维持滑轮与卷筒之间系缆张力的作用，并辅助排缆。在回收系缆时则主要起到导向及限制系缆张力的作用，排缆滑轮第二液压马达15驱动并通过滑轮压力控制阀组16来实现对系缆张力的控制。该滑轮压力控制阀组16可由两个功能不一样的螺纹插装阀组成，开启和关闭压力可以通过远程电比例压力控制阀来控制。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深海线缆收放液压控制系统，其特征在于，包括：

液压源，其出口连接有主管路；

控制和驱动卷筒的卷筒驱动回路，其与所述主管路连接；

控制和驱动滑轮的滑轮驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置；以及

控制滑轮上缆绳的张紧力的张紧驱动回路，其与所述主管路连接并与所述卷筒驱动回路并列设置；

压力补偿器，所述压力补偿器分别与所述液压源、卷筒驱动回路、滑轮驱动回路和张紧驱动回路连接；

所述张紧驱动回路包括液压张紧器和张紧器控制阀组，所述液压张紧器的进油口通过张紧器控制阀组连接到主管路，所述液压张紧器的出油口经张紧器控制阀组连接压力补偿器；

所述卷筒驱动回路包括：

第一电磁换向组件，其进油口连接所述主管路；

驱动卷筒的第一液压马达，其与所述第一电磁换向组件的出油口连接，通过第一电磁换向组件控制第一液压马达的正反转；

卷筒压力控制阀组，其与所述第一液压马达并列设置并控制所述第一液压马达两端的压力；

所述卷筒压力控制阀组包括与所述第一液压马达并列设置且状态相反的第一两位两通液控截止阀和第二两位两通液控截止阀，所述第一两位两通截止阀的控油口连接主管路，所述第二两位两通液控截止阀的控油口连接先导控制阀，所述先导控制阀的进油口连接主管路，所述先导控制阀的回油口连接压力补偿器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电磁换向组件包括：

三位四通电磁换向阀，其中位处于截止状态，其进油口连接主管路，其出油口分别连接所述第一液压马达的两端；以及

第一溢流阀，其进油口连接所述第一液压马达正转方向的进油管路，其出油口连接压力补偿器。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述滑轮驱动回路包括：

第二电磁换向组件，其进油口连接所述主管路；

驱动滑轮的第二液压马达，其与所述第二电磁换向组件的出油口连接，通过第二电磁换向组件控制第二液压马达的正反转；

滑轮压力控制阀组，其与所述第二液压马达并列设置并控制所述第二液压马达两端的压力。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主管路与滑轮控制阀组之间设有减压阀。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二电磁换向组件包括：

第二溢流阀，其进油口连接主管路，其出油口连接压力补偿器；和

两位四通电磁加载阀，其进油口连接主管路，换向前处于中位截止状况且回油口连接压力补偿器；其两个出油口分别连接第二液压马达。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液压源包括深水电机和变量泵，所述深水电机的输出轴连接变量泵，所述变量泵的出口连接主管路。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述主管路上设有第二单向阀和高压过滤器，所述第二单向阀连接所述变量泵，所述高压过滤器连接所述第二单向阀，所述高压过滤器还并联有第三单向阀。

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