CN111976891A - 用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其包括基座、下虎克铰、液压分支、上虎克铰、系泊末端组件和控制箱，下虎克铰通过连接板固定在基座上，液压分支的两端分别与下虎克铰和上虎克铰连接，上虎克铰通过末端连接板固定在系泊末端组件上，且系泊末端组件设有真空度传感器和距离传感器，控制箱内设有真空发生器、液压比例阀和能量回收装置。本发明由基座、下虎克铰、液压分支、上虎克铰以及系泊末端组件共同构成6自由度并联机构，能满足船舶横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡复合运动下的稳定系泊要求，同时应用真空发生器实现与船舶的快速、稳定负压吸附连接，有效提高了船舶系泊、离泊的效率和安全性。

Description

用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置

技术领域

本发明属于船舶设备技术领域，特别涉及一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置。

背景技术

随着经济的快速发展，对海洋资源的利用度不断增加，发展海洋经济已经成为了经济发展的主要方向。海洋资源的开采利用以及各种海上跨国贸易运输也越来越频繁，由于船舶运输的需求，各种类型及型号的船舶迫切需要快速可靠安全高效的泊船服务，并且运行载荷越来越大的码头也急需提高运营效率，来实现快速周转，增加运营效益。随着技术的发展，码头也越来越趋向于智能化的方向发展，智能化的码头提高了码头的运行效率，对海上运输的发展起着极其重要的作用。以缆绳为主的系泊方式在已经延续了几千年，缆绳系泊是通过人工或系缆车来将船舶固定在码头上，这种系缆方式效率低、安全性差、步骤繁琐以及增加了工人的劳动量。由风平浪静变为大风大浪的恶劣环境下，需要调整缆绳的长度，缆绳也极易发生断裂，增加了事故的风险，缆绳的系泊方式也不太稳定，在风浪流的影响下船舶会碰撞码头对船舶和码头造成损伤，造成经济损失和人员伤亡。

针对上述以缆绳为主的系泊方式存在诸多不足，专利CN104260830A公开了一种自动化永磁系泊装置，其主要由基座、控制箱、主体传动机构及永磁吸盘组成，通过电控永磁吸盘提供强大的磁力用于船体吸附，但其自由度较少，难以满足船舶在海面上复杂的运动；专利CN208344492U公开了一种自动磁力系泊装置，其包括基座、控制箱、机械臂、液压缸、球形接头、电磁吸盘、位移传感器与三向力传感器，此装置虽然满足能通过调整液压缸冲程和机械臂位置来释放并抑制船舶在6个自由度上的运动幅度和速度，但是其各方向刚度均较小，不能满足大型船舶的系泊要求；而传统6自由度Stewart并联平台各向同性高，尤其在三个转动方向上具有较好的动态性能，在运动模拟、精确位姿控制领域应用良好，而系泊单元主要在船舶纵移和横移两个方向上应具有较大刚度，在其他四个自由度方向上要求很小，特别是垂荡方向上，船舶自重及水体浮力极大，垂荡方向上要求机构刚度尽量小，因此具有各向同性的传统Stewart并联平台易出现因控制不到位造成机械结构损坏现象。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其主要利用真空吸附原理和并联机器人技术，将传统的船舶系泊方式时间由30min缩短到十几秒，进一步引入能量回收装置还可以将海洋能进行回收，提高了系泊的效率、安全性且节能环保，增加了码头的运输量和经济效益，且系泊装置输出的末端自由度满足船舶横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡等运动需求，具有结构紧凑、刚度大等优点，可实现大型船舶的快速系泊。

本发明采用的技术方案是，一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其包括基座、下虎克铰、液压分支、上虎克铰和系泊末端组件，所述基座为L形结构，且所述基座包括基架和连接板，所述基架的竖直端面设有所述连接板；所述下虎克铰设于所述连接板上，且所述下虎克铰包括第一下虎克铰、第二下虎克铰、第三下虎克铰、第四下虎克铰、第五下虎克铰和第六下虎克铰，其中所述第一下虎克铰、第二下虎克铰、第五下虎克铰以及第六下虎克铰在所述连接板上呈等腰梯形结构形式布置，所述第三下虎克铰、第四下虎克铰位于所述等腰梯形内部，且所述第三下虎克铰和第四下虎克铰的铰链点连线与所述第五下虎克铰和第六下虎克铰的铰链点连线平行；所述液压分支包括6个结构相同且具有位置反馈功能的双作用液压缸，所述6个双作用液压缸的固定端分别与所述下虎克铰连接，且所述6个双作用液压缸的伸缩端分别与所述上虎克铰连接；以及所述上虎克铰设于所述系泊末端组件中末端连接板上，且所述上虎克铰包括第一上虎克铰、第二上虎克铰、第三上虎克铰、第四上虎克铰、第五上虎克铰和第六上虎克铰，其中所述第一上虎克铰、第二上虎克铰、第五上虎克铰以及第六上虎克铰在所述末端连接板上呈矩形布置，所述第三上虎克铰、第四上虎克铰位于所述矩形内部，且所述第三上虎克铰和第四上虎克铰的铰链点连线与第五上虎克铰和第六上虎克铰的铰链点连线平行，且所述下虎克铰等腰梯形布置方式和所述上虎克铰矩形布置方式能保证所述系泊末端组件相对于所述基座具有6个方向的自由度且在船舶横移和纵移方向具有高刚度。

优选地，所述第三上虎克铰和第四上虎克铰铰链点间的距离与第三下虎克铰和第四下虎克铰铰链点间的距离相等。

进一步地，所述系泊末端组件为矩形，且所述系泊末端组件包括真空度传感器、距离传感器和末端连接板，所述真空度传感器设于所述系泊末端组件，且所述系泊末端组件的边角处设有4个距离传感器，所述末端连接板设于所述系泊末端组件的背面。

进一步地，所述控制箱的内部设有真空发生器、比例液压阀和能量回收装置，所述比例液压阀通过液压管线与所述液压分支连接，所述真空发生器通过真空管线与所述系泊末端组件连接。

优选地，所述基座还包括缓冲垫，所述缓冲垫设于所述基架的水平末端。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，当船舶靠泊时，系泊末端组件随船体做伴随运动，系泊末端组件的运动使液压分支伸缩移动和转动，控制箱内的比例液压阀用于液压缸阻尼的实时调节，上虎克铰和下虎克铰都具有横摇和纵摇两个方向上的自由度。

2、本发明提供的一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，具有6个方向上的自由度，区别于铰链点呈6边形的传统Stewart机构，通过巧妙的铰链点布局设计具有各项异性特征的系泊装置，在适应船体在海面上的复杂运动同时，保证在横移和纵移方向提供足够的系泊力，另外与串联机械臂式的系泊装置相比刚度大、结构紧凑，能满足大型船舶的系泊要求。

3、本发明提供的一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，在船舶离泊时，真空发生器可以通过真空管线来使系泊末端组件无吸附力，主要是通过使系泊末端组件的内外压强相同来实现系泊末端组件对船体无吸附力，这种系泊装置与传统系泊方式相比极大的节省了劳动力，提高了作业效率，简化了作业步骤，同时与磁力吸盘式的系泊装置相比便于维护，不需要通电，成本较低。

4、本发明提供的一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，系泊末端组件与船舶相连接时，周围的密封垫圈不仅能维持系泊末端组件的吸附性还能对系泊末端组件有一定缓冲保护的效果，控制箱内的能量回收装置可以回收海洋能，将液压缸的被动往复运动转化为电能进行回收，进而用于液压缸的主动伸缩控制，其不仅适用于船舶系泊在码头上还适用于海上船舶之间的系泊，给船舶之间的物资运输和海上作业提供了方便，具有结构简单、安全可靠、成本较低、节能环保等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明下虎克铰在基座上的分布方式简图；

图3是本发明上虎克铰在末端连接板上的分布方式简图；以及

图4是本发明的机构简图。

主要附图标记：

基座1；基架101；连接板102；缓冲垫103；第一下虎克铰201；第二下虎克铰202；第三下虎克铰203；第四下虎克铰204；第五下虎克铰205；第六下虎克铰206；液压分支3；第一液压分支301；第二液压分支302；第三液压分支303；第四液压分支304；第五液压分支305；第六液压分支306；第一上虎克铰401；第二上虎克铰402；第三上虎克铰403；第四上虎克铰404；第五上虎克铰405；第六上虎克铰406；系泊末端组件5；真空度传感器501；距离传感器502；末端连接板503；控制箱6；真空发生器601；比例液压阀602；能量回收装置603；液压管线604；真空管线605。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，如图1所示，其包括基座1、下虎克铰、液压分支3、上虎克铰和系泊末端组件5，基座1为L形结构，且基座1包括基架101、连接板102和缓冲垫103，基架101的竖直端面设有连接板102，下虎克铰设于连接板102上，液压分支3包括6个结构相同且具有位置反馈功能的双作用液压缸，6个双作用液压缸的固定端分别与下虎克铰连接，且其伸缩端分别与上虎克铰连接，且上虎克铰设于系泊末端组件5中末端连接板503上。

具体的，基座1还包括缓冲垫103，缓冲垫103设于基架101的水平末端。

具体的，控制箱6内部设有真空发生器601、比例液压阀602和能量回收装置603，比例液压阀602通过液压管线与液压分支3连接，真空发生器601通过真空管线605与系泊末端组件5连接，控制箱6内的能量回收装置603主要实现对海洋能的回收利用且可以实现对装置进行供电，节能环保。若整个装置回收时，系泊末端组件5回收到最底端，基座缓冲垫103可以与船体接触，对整个装置起保护缓冲的作用。

具体的，系泊末端组件5为矩形，且系泊末端组件5包括真空度传感器501、距离传感器502和末端连接板503，末端连接板503设于系泊末端组件5的背面，真空度传感器501设于系泊末端组件5靠近船体一侧的中间位置，可以用于感知系泊末端组件5的真空度使系泊末端组件的真空度维持在一定的范围内，以便真空发生器601通过真空管线605来控制系泊末端组件吸附力的大小，且系泊末端组件5的边角处设有4个距离传感器502，4个距离传感器502主要用于检测系泊末端组件5与船体的距离，在距离较远时系泊末端组件5可以快速靠近船体，在距离较近时系泊末端组件5可以缓慢靠近船体以免发生碰撞对装置造成损伤，同时系泊末端组件5靠近船舶的一侧周围有密封垫圈来保护末端的吸附性能，系泊末端组件5靠船一侧的内部有小凸起防止末端对船体吸附使船体凹凸变形。

如图2所示，下虎克铰包括第一下虎克铰201、第二下虎克铰202、第三下虎克铰203、第四下虎克铰204、第五下虎克铰205和第六下虎克铰206，其中第一下虎克铰201、第二下虎克铰202、第五下虎克铰205以及第六下虎克铰206在连接板101上呈等腰梯形布置，第三下虎克铰203、第四下虎克铰204位于等腰梯形内部，且第三下虎克铰203和第四下虎克铰204的铰链点连线与第五下虎克铰205和第六下虎克铰206的铰链点连线平行。

如图3所示，上虎克铰包括第一上虎克铰401、第二上虎克铰402、第三上虎克铰403、第四上虎克铰404、第五上虎克铰405和第六上虎克铰406，其中第一上虎克铰401、第二上虎克铰402、第五上虎克铰405以及第六上虎克铰406在末端连接板503上呈矩形布置，第三上虎克铰403、第四上虎克铰404位于矩形内部，且第三上虎克铰403和第四上虎克铰404的铰链点连线与第五上虎克铰405和第六上虎克铰406的铰链点连线平行.

具体的，第三上虎克铰403和第四上虎克铰404铰链点间的距离与第三下虎克铰203和第四下虎克铰204铰链点间的距离相等。

如图4所示，下虎克铰等腰梯形布置方式和上虎克铰矩形布置方式能保证系泊末端组件5相对于基座1具有6个方向的自由度且仅船舶横移和纵移方向具有高刚度，其中第一液压分支301和第二液压分支302能够提高馈能式系泊装置纵移方向的刚度，第三液压分支303和第四液压分支304能够提高馈能式系泊装置横移方向的刚度，第五液压分支305和第六液压分支306能够提高馈能式系泊装置在对接和复位过程中垂荡方向的支撑力。由基座1、下虎克铰、液压分支3、上虎克铰以及系泊末端组件5共同构成6自由度并联机构属于一种近奇异并联机构，在初始位置下，各液压分支3对系泊末端组件5的约束螺旋线性无关，且在主动伸缩接近或离开船舶过程可控，能够按照指定的运动轨迹运动，不会因重力影响而下垂，同时在系泊工作过程中，因为近似平行的结构布局，保证机构横移和纵移方向有较大的输出力的同时其他自由度方向伴随船舶运动，特别是当船舶受海浪作用产生较大幅度的垂荡运动，各液压分支3长度变化量极小，可保证该装置系泊末端组件5在横移方向上保持较小位移的同时能够实现大幅垂荡，极端条件下，即使将第三液压分支303、第四液压分支304锁死，该系泊装置依然可以随船舶垂荡。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1所示，本发明的一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其包括基座1、下虎克铰、液压分支3、上虎克铰、系泊末端组件5和控制箱6，下虎克铰通过连接板102固定在基座1上，液压分支3的固定端与下虎克铰连接，其伸缩端与上虎克铰连接，上虎克铰连接通过末端连接板503固定在系泊末端组件5上。

馈能式系泊装置在使用时，首先通过基座1将系泊装置安装在码头上，并通过系泊末端组件5将船舶和码头连接在一起，由于不同码头水文条件和船舶长度的不同，系泊装置的个数和分布方式也不相同，系泊装置可以由多种分布方式，不同的分布方式对船舶的运动具有很大的影响。根据不同港口和船舶类型可以选择合适分布的分布方式，当船舶吃水深度变化较大时，系泊末端组件5可以与船舶从新连接，实现系泊末端组件5连接位置的调整。其中，馈能式系统是指将船舶受海浪作用产生往复运动的能量进行收集，通过液压分支3中的液压油缸将船舶往复移动产生的动能转化为液压能，在通过压力油带动变量马达，液压马达带动发电机将液压能转化为电能，最终实现船舶能量的回收。

在船舶进行靠泊作业时，首先通过控制箱6驱动液压分支3伸缩，用于快速靠近船舶，其中位于系泊末端组件5的边角处设的4个距离传感器502可以实时检测系泊末端组件5与船体的距离。当系泊末端组件5与船舶相连接，此时系泊末端组件5随船体做伴随运动，系泊末端组件5的运动将使液压分支3伸缩移动和转动，在液压分支3伸缩移动和转动的过程中，控制箱6内的比例液压阀602可以通过液压管线来604调节液压缸的阻尼以此适应船舶的运动；同时系泊末端组件5周围的密封垫圈不仅能维持系泊末端组件5的吸附性还能对系泊末端组件5有一定缓冲保护的效果，此外控制箱6内的能量回收装置603还可以回收海洋能，进而将液压缸的被动往复运动转化为电能进行回收，继而用于液压缸的主动伸缩控制。

在馈能式系泊装置进行减摇作业时，船舶收到海浪作用处于摇摆状态，通过不同的控制策略调节个液压分支的阻尼系数并维持在一个合适的范围，因此无论船舶产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡6个自由度方向上的运动，此系泊装置均会在这些自由度方向上产生较小位移能够有效的抑制船舶的运动，起到有效系泊的作用。

在船舶进行离泊作业时，控制控制箱6内的真空发生器601且通过真空管线605来使系泊末端组件5无吸附力，此时系泊末端组件5变为无真空状态且内部压强其与大气压相同，吸附力自然解除，船舶便可以正常离泊。与传统系泊方式相比，极大的节省了劳动力，提高了作业效率，简化了作业步骤，具有操作简单、高效等优点。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其特征在于，其包括基座、下虎克铰、液压分支、上虎克铰和系泊末端组件，

所述基座为L形结构，且所述基座包括基架和连接板，所述基架的竖直端面设有所述连接板；

所述下虎克铰设于所述连接板上，且所述下虎克铰包括第一下虎克铰、第二下虎克铰、第三下虎克铰、第四下虎克铰、第五下虎克铰和第六下虎克铰，其中所述第一下虎克铰、第二下虎克铰、第五下虎克铰以及第六下虎克铰在所述连接板上呈等腰梯形结构形式布置，所述第三下虎克铰、第四下虎克铰位于所述等腰梯形内部，且所述第三下虎克铰和第四下虎克铰的铰链点连线与所述第五下虎克铰和第六下虎克铰的铰链点连线平行；

所述液压分支包括6个结构相同且具有位置反馈功能的双作用液压缸，所述6个双作用液压缸的固定端分别与所述下虎克铰连接，且所述6个双作用液压缸的伸缩端分别与所述上虎克铰连接；以及

所述上虎克铰设于所述系泊末端组件中末端连接板上，且所述上虎克铰包括第一上虎克铰、第二上虎克铰、第三上虎克铰、第四上虎克铰、第五上虎克铰和第六上虎克铰，其中所述第一上虎克铰、第二上虎克铰、第五上虎克铰以及第六上虎克铰在所述末端连接板上呈矩形布置，所述第三上虎克铰、第四上虎克铰位于所述矩形内部，且所述第三上虎克铰和第四上虎克铰的铰链点连线与第五上虎克铰和第六上虎克铰的铰链点连线平行，且所述下虎克铰等腰梯形布置方式和所述上虎克铰矩形布置方式能保证所述系泊末端组件相对于所述基座具有6个方向的自由度且在船舶横移和纵移方向具有高刚度。

2.根据权利要求1所述的用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其特征在于，所述第三上虎克铰和第四上虎克铰铰链点间的距离与第三下虎克铰和第四下虎克铰铰链点间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其特征在于，所述系泊末端组件为矩形，且所述系泊末端组件包括真空度传感器、距离传感器和末端连接板，所述真空度传感器设于所述系泊末端组件，且所述系泊末端组件的边角处设有4个距离传感器，所述末端连接板设于所述系泊末端组件的背面。

4.根据权利要求1所述的用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其特征在于，所述控制箱的内部设有真空发生器、比例液压阀和能量回收装置，所述比例液压阀通过液压管线与所述液压分支连接，所述真空发生器通过真空管线与所述系泊末端组件连接。

5.根据权利要求1所述的用于大型船舶快速系泊的馈能式系泊装置，其特征在于，所述基座还包括缓冲垫，所述缓冲垫设于所述基架的水平末端。

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