CN110040642B - 一种半主动波浪补偿绞车 - Google Patents

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Abstract

一种半主动波浪补偿绞车，包括绞车本体，绞车本体的两侧分别设有驱动集成缸和补偿液压系统，驱动集成缸所在的一侧上端设有变量液压马达，驱动集成缸包括沿直线依次连接的驱动部、执行部和储能部，驱动部与执行部之间通过第一连接座连接，执行部与储能部之间通过第二连接座连接，驱动部与补偿液压系统连接，执行部和储能部分别与变量液压马达的第一工作油口和第二工作油口连接，储能部与高压气瓶连接，补偿液压系统包括油箱、油泵、储能器以及电磁换向阀，油泵的进油口与邮箱连接，油泵的出油口分别与储能器和电磁换向阀的第一油口连接，电磁换向阀的第一油口与储能器连接，第二油口与油箱连接，第三油口分别与第一输油管和第二输油管连接。

Description

一种半主动波浪补偿绞车
技术领域
本发明属于海洋设备技术领域，涉及一种半主动波浪补偿绞车。
背景技术
海洋作业时由于波浪影响，船体或者钻井平台将发生升沉运动。为保障作业不受船体升沉运动的影响，对于一些关键性的绞车设备，均要求其自带波浪补偿功能。波浪补偿按照其实现型式分为被动波浪补偿、主动波浪补偿、半主动波浪补偿三大类。其中，被动波浪补偿绞车大部分采用液压驱动的方式，由滑轮组、液缸和蓄能器等组成，由于其结构简单、运行稳定，通常适用于对补偿性能要求不高的场合，比如导向绳绞车、水下基盘绞车等；主动波浪补偿绞车通常采用电驱动的形式，由电机、变频器、储能电容等组成，其具有设备组成复杂、体型庞大、消耗功率大、造价高等特点，主要适用于大吨位补偿且要求补偿精度高的场合，比如大型海洋吊机、海洋钻井绞车等。半主动波浪补偿绞车大部分采用液压驱动，由主被动液缸、蓄能器、滑轮组等组成，其具有良好的节能效果和补偿精度，现已广泛应用于中等吨位和补偿精度要求一般的设备。
对于半主动波浪补偿绞车，由于其结构形式，绞车承载钢丝绳上需要安装液缸、滑轮组等机械结构构成半主动补偿驱动装置，该装置结构重量和尺寸随着绞车吨位和补偿行程的增加而增大，进而导致整套系统安装和实施方面存在很大不便，尤其是对于设备尺寸要求很高的作业船或平台，半主动波浪补偿绞车基本上不做考虑。
随着海洋技术的发展需求，对于波浪补偿绞车的能耗、集成度、可靠性等要求也在逐渐提高。半主动波浪补偿绞车因其具有能耗低和补偿精度高的特点，且随着伺服技术和控制方法的发展，其补偿精度在逐渐提高，应用范围也在不断扩大，现今已有替代主动波浪补偿绞车的趋势，但是半主动波浪补偿绞车在安装尺寸上的问题已成为其广泛应用的制约因素，为此，研制集成度高、节能半主动波浪补偿绞车尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种半主动波浪补偿绞车，解决了现有技术中存在的补偿行程和载荷不能调节的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种半主动波浪补偿绞车，包括绞车本体，绞车本体的两侧分别设有驱动集成缸和补偿液压系统，绞车本体设置驱动集成缸的一侧上端设有变量马达，变量马达的第一工作油口和第二工作油口分别与驱动集成缸连接，补偿液压系统与驱动集成缸连接，驱动集成缸还连接有高压气瓶。
本发明的其他特征还在于，
驱动集成缸包括沿直线依次连接的驱动部、执行部和储能部，驱动部与执行部之间通过第一连接座连接，执行部与储能部之间通过第二连接座连接，驱动部与补偿液压系统连接，执行部和储能部分别与变量马达的第一工作油口和第二工作油口连接，储能部与高压气瓶连接。
驱动部包括第一液压缸，第一液压缸缸体内设有第一活塞和第一活塞杆，第一活塞杆的轴线与第一液压缸轴线平行，第一活塞杆的一端与第一活塞连接，第一活塞杆的另一端为伸缩端，且依次穿过第一液压缸和第一连接座与执行部连接，第一液压缸上还有第一输油管和第二输油管，第一输油管与第一液压缸靠近第一连接座的一侧腔体连通，第二输油管与第一液压缸远离第一连接座的一侧腔体连通，第一输油管和第二输油管分别与补偿液压系统连接。
第一活塞杆与第一活塞连接的一端依次穿过第一活塞和第一液压缸，位于第一液压缸的外部。
执行部包括第二液压缸，第二液压缸的缸体内设有第二活塞，第二液压缸的一端与第一连接座连接，另一端与第二连接座连接，第一活塞杆的伸缩端穿过第二液压缸与第二活塞的一侧连接，第二活塞的另一侧与储能部连接，第二连接座上还设有第三输油管，第三输油管与第三液压缸靠近第二连接座的一侧腔体连通，第三输油管与变量马达的第一工作油口连接。
储能部包括第三液压缸，第三液压缸的缸体内设有第三活塞和第三活塞杆，第三活塞杆的一端位于第三液压缸的缸体外作为伸缩端，另一端位于第三液压缸的缸体内与第三活塞连接，第三活塞杆的轴线与第三液压缸的轴线平行，第三液压缸靠近第三活塞杆输出端的一端与第二连接座连接，第三活塞杆的伸缩端穿过第二连接座与第二活塞连接，第二连接座上还设有第四输油管，第四输油管与第二液压缸靠近第二连接座的腔体连通，第四输油管与变量马达的第二工作油口连接，第三液压缸上还设有通气管，通气管与第三液压缸远离第二连接座的腔体连通，通气管与高压气瓶连接，第一液压缸的外侧连接有低压氮气瓶，低压氮气瓶与第二液压缸靠近第一连接座的腔体连通。
第三液压缸上还设有直线位移传感器，直线位移传感器的接线端连接在第三液压缸远离第二连接座的一端端部，直线位移传感器的电子尺穿过第三液压缸的缸体，并依次插入第三活塞和第三活塞杆，直线位移传感器接线端的四周设有护罩。
补偿液压系统包括油箱、油泵、储能器以及电磁换向阀，油泵的进油口与油箱连接，油泵的出油口分别与储能器和电磁换向阀的第一油口连接，电磁换向阀的第一油口与储能器连接，电磁换向阀的第二油口与油箱连接，电磁换向阀的第三油口与第二输油管连接，电磁换向阀的第四油口与第一输油管连接。
本发明的有益效果是，在不改变传统绞车的结构和控制系统情况下，直接增加补偿功能设备，将非补偿绞车改进为高精度的补偿绞车，采用变量马达的驱动型式，补偿行程和载荷可相对调节，补偿控制油路设置有蓄能器，补偿响应速度更快，利用液压缸替换原有滑轮组及钢丝绳，避免滑轮组及钢丝绳往复运动磨损，延长维护间隔和工作周期。
附图说明
图1是本发明一种半主动波浪补偿绞车的主视图；
图2是本发明一种半主动波浪补偿绞车的侧视图；
图3是本发明一种半主动波浪补偿绞车的驱动集成缸结构图；
图4是本发明一种半主动波浪补偿绞车的补偿液压系统结构图。
图中，1.绞车本体，2.变量马达，3.驱动集成缸，3.1.护罩，3.2.直线位移传感器，3.3.第三活塞，3.4.第三液压缸，3.5.第二活塞，3.6.第二液压缸，3.7.第一活塞杆，3.8.第一连接座，3.9.低压氮气瓶，3.10.第一液压缸，3.11.第一输油管，3.12.第二输油管，3.13.通气管，3.14.第三输油管，3.15.第四输油管，3.16.第一活塞，3.17.第三活塞杆，3.18.第二连接座，4.补偿液压系统，5.提升液压系统，6.油箱，7.油泵，8.储能器，9.电磁换向阀，10高压气瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种半主动波浪补偿绞车，如图1所示，包括绞车本体1，绞车本体1的两侧分别设有驱动集成缸3和补偿液压系统4，如图2所示，绞车本体1设置驱动集成缸3的一侧上端设有变量马达2，变量马达2的第一工作油口和第二工作油口分别与驱动集成缸3连接，补偿液压系统4与驱动集成缸3连接，驱动集成缸3还连接有高压气瓶10。
如图3所示，驱动集成缸3包括沿直线依次连接的驱动部、执行部和储能部，驱动部与执行部之间通过第一连接座3.8连接，执行部与储能部之间通过第二连接座3.18连接，驱动部与补偿液压系统4连接，执行部和储能部分别与变量马达2的第一工作油口和第二工作油口连接，储能部与高压气瓶10连接。
驱动部包括第一液压缸3.10，第一液压缸3.10缸体内设有第一活塞3.16和第一活塞杆3.7，第一活塞杆3.7的轴线与第一液压缸3.10轴线平行，第一活塞杆3.7的一端与第一活塞3.16连接，第一活塞杆3.7的另一端为伸缩端，且依次穿过第一液压缸3.10和第一连接座3.8与执行部连接，第一活塞杆3.7与第一活塞3.16连接的一端依次穿过第一活塞3.16和第一液压缸3.10，位于第一液压缸3.10的外部。第一液压缸3.10上还有第一输油管3.11和第二输油管3.12，第一输油管3.11与第一液压缸3.10靠近第一连接座3.8的一侧腔体连通，第二输油管3.12与第一液压缸3.10远离第一连接座3.8的一侧腔体连通，第一输油管3.11和第二输油管3.12分别与补偿液压系统4连接。
执行部包括第二液压缸3.6，第二液压缸3.6的缸体内设有第二活塞3.5，第二液压缸3.6的一端与第一连接座3.8连接，另一端与第二连接座3.18连接，第一活塞杆3.7的伸缩端穿过第二液压缸3.6与第二活塞3.5的一侧连接，第二活塞3.5的另一侧与储能部连接，第二连接座3.18上还设有第三输油管3.14，第三输油管3.14与第三液压缸3.4靠近第二连接座3.18的一侧腔体连通，第三输油管3.14与变量马达2的第一工作油口连接。
储能部包括第三液压缸3.4，第三液压缸3.4的缸体内设有第三活塞3.3和第三活塞杆3.17，第三活塞杆3.17的一端位于第三液压缸3.4的缸体外作为伸缩端，另一端位于第三液压缸3.4的缸体内与第三活塞3.3连接，第三活塞杆3.17的轴线与第三液压缸3.4的轴线平行，第三液压缸3.4靠近第三活塞杆3.17输出端的一端与第二连接座3.18连接，第三活塞杆3.17的伸缩端穿过第二连接座3.18与第二活塞3.5连接，第二连接座3.18上还设有第四输油管3.15，第四输油管3.15与第二液压缸3.6靠近第二连接座3.18的腔体连通，第四输油管3.15与变量马达2的第二工作油口连接，第三液压缸3.4上还设有通气管3.13，通气管3.13与第三液压缸3.4远离第二连接座3.18的腔体连通，通气管3.13与高压气瓶10连接，第一液压缸3.10的外侧连接有低压氮气瓶3.9，低压氮气瓶3.9与第二液压缸3.6靠近第一连接座3.8的腔体连通。
第三液压缸3.4上还设有直线位移传感器3.2，直线位移传感器3.2的接线端连接在第三液压缸3.4远离第二连接座3.18的一端端部，直线位移传感器3.2的电子尺穿过第三液压缸3.4的缸体，并依次插入第三活塞3.3和第三活塞杆3.17，直线位移传感器3.2接线端的四周设有护罩3.1。
如图4所示，补偿液压系统4包括油箱6、油泵7、储能器8以及二位四通电磁阀9，油泵7的进油口与油箱6连接，油泵7的出油口分别与储能器8和二位四通电磁阀9的第一油口连接，二位四通电磁阀9的第一油口与储能器8连接，二位四通电磁阀9的第二油口与油箱6连接，二位四通电磁阀9的第三油口与第二输油管3.12连接，二位四通电磁阀9的第四油口与第一输油管3.11连接，提升液压系统5与变量马达2连接，控制变量马达2转动。
本发明是在现有的非补偿绞车改进为半主动波浪补偿绞车，在现有的非补偿绞车上加装补偿液压系统4，同时将原有的驱动部分替换为驱动集成缸3，提升液压系统5以及变量马达2均为原有装置。
本发明的工作原理为，包含正常提升下放工况和补偿工况，正常提升和下放工况和普通绞车一样，提升液压系统5控制变量马达2正反转，从而实现钢丝绳末端装置的提升和下放操作。补偿工况前提前预估作业工作位置，计算绞车负载(主要包含钢丝绳末端装置和钢丝绳水中重量)，根据负载大小计算高压气瓶压力，将高压气瓶10压力充至计算压力，末端装置提升或下放到工作位置后，关闭提升液压系统5，开启补偿液压系统4，根据实际位置重新调整高压气瓶10压力，使其与绞车负载平衡。船(平台)配置有运动参考单元MRU，能够实时检测船(平台)升沉位移，当波浪使船(平台)下沉时，根据运动参考单元MRU的信号位移量，二位四通电磁阀9处于图4所示的左位状态，油泵7将油液从油箱6中抽出，驱动油液从二位四通电磁阀9的第一油口进入，经电磁阀9的第四油口输出，从第一输油管3.11进入第一液压缸3.10靠近第一连接座3.8的腔体内，推动第一活塞3.16向上运动，带动第一活塞杆3.7、第二活塞3.5、第三活塞杆3.17以及第三活塞3.3整体向上运动，使得第三液压缸3.4靠近第二连接组件3.18的腔体内的油液通过第三输油管3.14流入变量马达2中，推动变量马达2正转，回油进入第二液压缸3.6靠近第二连接组件3.18的腔体内，绞车进行提升收缆，收缆量由船(平台)的运动参考单元MRU的信号位移量决定，并由直线位移传感器3.2来反馈，使收缆量和船(平台)的下沉量始终一致，从而维持绞车的末端装置在水中位置不变；当波浪使船(平台)上升时，根据运动参考单元MRU的信号位移量，二位四通电磁阀9切换到图4所示的右位状态，油泵7将油液从油箱6中抽出，驱动油液从二位四通电磁阀9的第一油口进入，经电磁阀9的第四油口输出，从第一输油管3.11进入第一液压缸3.10远离第一连接座3.8的腔体内，推动第一活塞3.16向下运动，带动第一活塞杆3.7、第二活塞3.5、第三活塞杆3.17以及第三活塞3.3整体向下运动，使得第二液压缸3.6靠近第二连接组件3.18的腔体内的油液通过第四输油管3.15进入变量马达2，推动变量马达2反转，回油进入第三液压缸3.4靠近第二连接组件3.18的腔体内，绞车进行下放出缆，出缆量由运动参考单元MRU的信号位移量决定，并由位移传感器3.2来反馈，使出缆量和船(平台)的上升位移量始终一致，从而维持绞车的末端装置在水中位置不变。第二液压缸3.6靠近第一连接座3.8的腔体与低压氮气瓶3.9相通，避免因活塞3.5的上下运动形成高压和负压，影响活塞3.5的正常运动。
本发明的实施方法为，正常绞车提升和下放时关闭补偿液压站，仅使用提升液压系统5进行绞车控制，下放到工作位置后停止绞车并关闭提升液压系统5，根据绞车负载重量计算高压气瓶所需压力，调节高压气瓶10至计算压力，使其与绞车负载平衡，系统达到平衡状态，开启补偿液压系统4，根据船(平台)的运动参考单元MRU信号，控制驱动集成缸3中的第一液压缸3.10，从而控制绞车按波浪升沉进行正反转，始终保持绞车钢丝绳末端装置的位置固定。
因大部分载荷靠高压气瓶10储能，第一液压缸3.10仅需克服摩擦及惯性等阻力，所需功率很小，相比纯主动补偿绞车，能耗大大降低。油泵7出口端设置的蓄能器8则保证工作油液的稳压及快速响应，提高补偿精度和响应速度。同时采用变量马达2，在驱动功率不变情况下，通过改变马达排量，从而控制马达转动圈数，直接反映的就是补偿行程，排量减小则补偿行程增大，排量增大则补偿行程减小，排量和补偿载荷相对应，因此实际情况下可根据现场海况条件选择不同配置形式，实现了补偿载荷和补偿行程的可调节。

Claims (5)

1.一种半主动波浪补偿绞车，其特征在于，包括绞车本体(1)，所述绞车本体(1)的两侧分别设有驱动集成缸(3)和补偿液压系统(4)，所述绞车本体(1)设置驱动集成缸(3)的一侧上端设有变量马达(2)，所述变量马达(2)的第一工作油口和第二工作油口分别与驱动集成缸(3)连接，所述补偿液压系统(4)与驱动集成缸(3)连接，所述驱动集成缸(3)还连接有高压气瓶(10)；
所述驱动集成缸(3)包括沿直线依次连接的驱动部、执行部和储能部，所述驱动部与执行部之间通过第一连接座(3.8)连接，所述执行部与储能部之间通过第二连接座(3.18)连接，所述驱动部与补偿液压系统(4)连接，所述执行部和储能部分别与变量马达(2)的第一工作油口和第二工作油口连接，所述储能部与高压气瓶(10)连接；
所述驱动部包括第一液压缸(3.10)；所述第一液压缸(3.10)缸体内设有第一活塞(3.16)和第一活塞杆(3.7)，所述第一活塞杆(3.7)的轴线与第一液压缸(3.10)轴线平行，所述第一活塞杆(3.7)的一端与第一活塞(3.16)连接，所述第一活塞杆(3.7)的另一端为伸缩端，且依次穿过第一液压缸(3.10)和第一连接座(3.8)与执行部连接，所述第一液压缸(3.10)上还有第一输油管(3.11)和第二输油管(3.12)，所述第一输油管(3.11)与第一液压缸(3.10)靠近第一连接座(3.8)的一侧腔体连通，所述第二输油管(3.12)与第一液压缸(3.10)远离第一连接座(3.8)的一侧腔体连通，所述第一输油管(3.11)和第二输油管(3.12)分别与补偿液压系统(4)连接；
所述执行部包括第二液压缸(3.6)，所述第二液压缸(3.6)的缸体内设有第二活塞(3.5)，所述第二液压缸(3.6)的一端与第一连接座(3.8)连接，另一端与第二连接座(3.18)连接，所述第一活塞杆(3.7)的伸缩端穿过第二液压缸(3.6)与第二活塞(3.5)的一侧连接，所述第二活塞(3.5)的另一侧与储能部连接，所述第二连接座(3.18)上还设有第三输油管(3.14)，所述第三输油管(3.14)与第三液压缸(3.4)靠近第二连接座(3.18)的一侧腔体连通，所述第三输油管(3.14)与变量马达(2)的第一工作油口连接；
所述储能部包括第三液压缸(3.4)，所述第三液压缸(3.4)的缸体内设有第三活塞(3.3)和第三活塞杆(3.17)，所述第三活塞杆(3.17)的一端位于第三液压缸(3.4)的缸体外作为伸缩端，另一端位于第三液压缸(3.4)的缸体内与第三活塞(3.3)连接，所述第三活塞杆(3.17)的轴线与第三液压缸(3.4)的轴线平行，所述第三液压缸(3.4)靠近第三活塞杆(3.17)输出端的一端与第二连接座(3.18)连接，所述第三活塞杆(3.17)的伸缩端穿过第二连接座(3.18)与第二活塞(3.5)连接，所述第二连接座(3.18)上还设有第四输油管(3.15)，所述第四输油管(3.15)与第二液压缸(3.6)靠近第二连接座(3.18)的腔体连通，所述第四输油管(3.15)与变量马达(2)的第二工作油口连接，所述第三液压缸(3.4)上还设有通气管(3.13)，所述通气管(3.13)与第三液压缸(3.4)远离第二连接座(3.18)的腔体连通，所述通气管(3.13)与高压气瓶(10)连接，所述第一液压缸(3.10)的外侧连接有低压氮气瓶(3.9)，所述低压氮气瓶(3.9)与第二液压缸(3.6)靠近第一连接座(3.8)的腔体连通。
2.如权利要求1所述的一种半主动波浪补偿绞车，其特征在于，所述第一活塞杆(3.7)与第一活塞(3.16)连接的一端依次穿过第一活塞(3.16)和第一液压缸(3.10)，位于第一液压缸(3.10)的外部。
3.如权利要求1所述的一种半主动波浪补偿绞车，其特征在于，所述第三液压缸(3.4)上还设有直线位移传感器(3.2)，所述直线位移传感器(3.2)的接线端连接在第三液压缸(3.4)远离第二连接座(3.18)的一端端部，所述直线位移传感器(3.2)的电子尺穿过第三液压缸(3.4)的缸体，并依次插入第三活塞(3.3)和第三活塞杆(3.17)，所述直线位移传感器(3.2)接线端的四周设有护罩(3.1)。
4.如权利要求3所述的一种半主动波浪补偿绞车，其特征在于，所述补偿液压系统(4)包括油箱(6)、油泵(7)、储能器(8)以及电磁换向阀(9)，所述油泵(7)的进油口与油箱(6)连接，所述油泵(7)的出油口分别与储能器(8)和电磁换向阀(9)的第一油口连接，所述电磁换向阀(9)的第一油口与储能器(8)连接，所述电磁换向阀(9)的第二油口与油箱(6)连接，所述电磁换向阀(9)的第三油口与第二输油管(3.12)连接，所述电磁换向阀(9)的第四油口与第一输油管(3.11)连接。
5.如权利要求4所述的一种半主动波浪补偿绞车，其特征在于，所述电磁换向阀(9)为二位四通电磁阀。
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