CN114771734B - 一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，通过锚固用的缆绳连接浮体实现浮体的定位，其特征在于，在浮体顺水流方向的前后两侧各采用一根缆绳，将缆绳下端锚固，缆绳上端共同连接到浮体上的一个具有浮动自调节能力的施力构件，通过施力构件使两根缆绳同时张紧。本发明具有能够使浮式设施可以适应水位升降并能够更好地实现精确定位的优点。

Description

一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法

技术领域

本发明涉及水上浮式设施定位技术领域，具体涉及一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法。

背景技术

水上浮式设施是开发利用水资源的重要载体，常见的水上浮式设施包含大型海洋平台、水上浮趸船、内河航标、浮桥、浮码头、浮式游乐平台等。水上浮式设施安装时需解决两大问题：水位涨落变化中，如何适应水位变化，自动收放缆；水位叠加风、浪、流等多因素影响下，如何实现自身稳定与精确定位。

大型海洋浮式设施多利用电驱动自控技术，实现海洋平台的收放缆自动调节。内河重要浮式平台多利用电控卷扬机技术，实现内河重要浮式平台的收放缆调节。内河浮式平台一般采用人为调节缆绳长度，实现内河浮式平台的收放缆调节。因此，在不外接外部电源条件下，现有水上浮式设施无法实现自适应水位升降、以及精确定位。接入外接电源及安装机电设备，一方面增加了浮式设施的复杂性和成本，另一方面在某些应用场合不具备外接电源条件。为此，探索在不接入外部电源条件下简便高效的水上浮式设施自适应水位升降与精确约束定位方法，具有重大工程意义。

申请人曾申请过专利《一种锚泊式自适应水位升降防船撞方法》中，曾公开了一种通过锚锭和缆绳连接防撞浮箱，实现浮箱微漂移自定位的方法。但该方式定位的浮箱，虽然能够随水面涨落实现自调整适应水位，但在受到水流冲击时，浮箱仍然会随水流方向产生较大的漂移，无法实现浮箱的精确定位。故如何提供一种能够适应水位升降并能够更好地实现浮式设施精确定位的方案，成为本领域技术人员有待考虑解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够使浮式设施可以适应水位升降并能够更好地实现精确定位的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，通过锚固用的缆绳连接浮体实现浮体的定位，其特征在于，在浮体顺水流方向的前后两侧各采用一根缆绳，将缆绳下端锚固，缆绳上端共同连接到浮体上的一个具有浮动自调节能力的施力构件，通过施力构件使两根缆绳同时张紧并实现自适应水位升降的平面约束定位调节。

这样，本方案中浮体为两端受缆绳限制，故平常状态下不会产生移动。而当浮体受水流冲击时，将导致面对作用力方向一侧的缆绳受力增大，另一侧缆绳受力减小，浮体将发生平面位移，缆绳角度及受力也会发生变化。通过施力构件的浮动自调节功能(调节浮体内部配重驱动块的质量)，使浮体平面位移满足不同工程要求的位移偏差，从而实现浮体的精确定位。本方法就能够很好地规避风浪(风流水流通常方向一致)影响而实现浮体的精确定位，而且可以根据预估风浪最大冲击力大小来设置内部配重驱动块的质量，更好地保证浮体定位不受风浪水流的影响。

进一步地，缆绳所施加预拉力大小为浮体受水流最大冲击力在缆绳方向的分力大小。

这样即采用了最小的预拉力最大程度保证了浮体定位效果。浮体受水流最大冲击力可以根据历史经验值或历史实际检测值确定。

进一步地，施力构件采用配重驱动块连接吊绳并缠绕在一个转筒构件上构成，并依靠转筒旋转实现浮动自调节。

这样，施力构件采用配重驱动块连接吊绳并缠绕在一个转筒构件上构成，形成一个自驱动机构，能够在无外接电源的条件下提供驱动力。转筒构件转动，调节缠绕的吊绳长度，进而调整配重驱动块的竖向位置。这样就可以更好地适应水位变化，即水位变化情况基本不影响预拉力的大小改变，更好地保证系统受力平衡、稳定。作为其他的可实施方式，施力构件可以采用弹簧实现对缆绳的预拉力施加以及自身的水位浮动自调节。但是采用弹簧虽然结构比较简单，但在跟随浮体水位变化自适应调节过程中会改变对缆绳的预拉力大小，且弹簧会受自身弹性模量的限制，故水位浮动自调节能力有限，故整体效果不如采用配重驱动块的结构方式。

作为一种选择，本方法采用在浮体上安装浮体定位装置实现，浮体定位装置包括安装在浮体上的第一转动件，第一转动件上缠绕设置有第一缆绳，第一缆绳具有一个向外延伸并用于锚固的锚固端，还包括和第一转动件相对地安装在浮体上的第二转动件，第二转动件上缠绕设置有第二缆绳，第二缆绳具有一个向外延伸并用于锚固的锚固端，还包括安装在浮体上的一个自驱动转动机构，第一转动件和第二转动件分别和自驱动转动机构传动连接并依靠自驱动转动机构施加对第一缆绳和第二缆绳的预拉力；

所述自驱动转动机构包括一个第三转动件，第三转动件上缠绕有吊绳，吊绳下端悬吊设置有配重驱动块，依靠配重驱动块重力转化为转矩并施加预拉力；

其中第一转动件通过第一传动机构和第三转动件传动连接，第二传动件通过第二传动机构和第三转动件传动连接，第一转动件和第二转动件带动第三转动件转动的方向相同且和吊绳缠绕方向相反。

上述装置使用时，将第一缆绳和第二缆绳的锚固端分别沿水流方向一前一后地锚固在浮体下方，通过自驱动转动机构施加作用力，使得第一缆绳和第二缆绳处于张紧状态并形成平衡。这样浮体两端受缆绳限制，故平常状态下不会产生移动。而当浮体受水流冲击时，将导致面对作用力方向一侧的缆绳受力增大，另一侧缆绳受力减小，浮体将发生平面位移，缆绳角度及受力也会发生变化。通过调节浮体内部配重驱动块的质量，使浮体平面位移满足不同工程要求的位移偏差，从而实现浮体的精确定位。同时，采用吊绳缠绕转动构件并悬吊配重驱动块的方式构成自驱动转动机构，不仅仅结构简单，而且重要的是当水位上下波动时，自驱动转动机构中可以通过第三转动件的转动改变配重驱动块的高度实现自适应调节。而且自适应调节后配重驱动块的重力并不会变化，故对缆绳施加的作用力也不会变化。故采用这种方式能够使得缆绳张紧定位效果不会因为水位的波动变化而产生变化，极大地提高了装置的稳定性和可靠性。另外这种方式可以通过改变转动件的直径大小调整传动比，使得配重驱动块只需较小的高度空间即可适应较大的水位高度变化。当然实施时，作为其他的方案，自驱动转动机构也可以采用弹簧装置(卷簧、板簧)或液压装置等其他方式实现预拉力的施加，但这样在水位波动变化时的自我调整能力有限，整体稳定性较差。其中，所述的第一传动机构和第二传动机构可以是齿轮、齿条、链条等多种连接方式。这样，结构设置更加灵活可变，且可以通过传动机构进一步调整传动比，使得配重驱动块只需较小的高度空间即可适应较大的水位高度变化。

作为另一种选择，本方法采用以下的自定位浮式设施实现，所述自定位浮式设施，包括浮于水面的浮体，还包括浮体自定位系统，所述浮体自定位系统包括在浮体面对水流方向一端设置的前端缆绳和背对水流方向一端设置的后端缆绳，前端缆绳下端斜向前锚固在水下，后端缆绳下端斜向后锚固在水下，浮体自定位系统还包括沿水流方向水平设置的转筒构件，转筒构件可转动地安装在浮体上，转筒构件前端具有一个前端缆绳缠绕段，前端缆绳的上端缠绕设置在前端缆绳缠绕段上，转筒构件后端具有一个后端缆绳缠绕段，后端缆绳的上端和前端缆绳以相同方向缠绕设置在后端缆绳缠绕段上，转筒构件中间具有一个配重吊绳缠绕段，配重吊绳缠绕段上和前端缆绳相反方向缠绕设置有一根吊绳，吊绳下方悬吊设置有配重驱动块。

上述设备使用时，依靠配重驱动块的重力，通过转筒构件的力矩转换，对前后两端缆绳施加一个预拉力使其张紧并达到平衡，浮体保持不动。当浮体前端受水流冲击时，导致前端缆绳受力增大，此时由于转筒另一侧悬吊的配重驱动块产生的力矩大小和方向不变，故缆绳侧整体力矩大小不变。这样前端缆绳受力增大会导致另一端缆绳预拉力减小，这样转筒构件两侧力矩继续保持平衡，浮体保持水平位移不变(只在缆绳形变范围内做非常微小的位移)，实现了受水流冲击状态下的精确平面定位约束。同时在水位涨落时，通过转筒构件的转动实现缆绳的收放自适应调节，转筒转动时配重驱动块高度改变但力矩大小不变，故转筒构件另一侧的前后两端缆绳收放长度在对应调整但力矩仍然保持不变，浮体吃水深度不变。故更好地保证了浮体自定位系统能够根据水位变化做自适应调整并在调整过程中维持张紧受力体系平衡不变。

更加具体地说，水上浮式设施在日常运行中，浮体受到的力主要有浮体自重力、浮力、水流力及风、波浪力等。本方案中，水流力及风、波浪力由配重驱动块对艏艉缆施加作用力，并通过缆绳内力自适应调节抵消。同时由于选用(优选重力与浮力相同的)高强度缆绳，缆绳在水中均为张紧伸直状态，其漂移移位主要由缆绳内力变化导致的弹性变形产生，从而实现了浮体的平面约束定位。其原理类似斜拉桥的斜拉索，桥梁荷载变化主要引起各根缆索的内力变化，但桥梁整体变形量影响较小。故本方案中缆绳作用力由浮体内与缆绳连接的配重驱动块施加，配重驱动块的重量根据设计水流力及风、波浪力的大小，以及所需浮体定位精度确定。当水位涨落时，通过浮体内部传动机构和配重驱动块的运动收放缆，使缆绳始终保持拉直状态并使浮体在设定基准位置处随水位升降，浮体用于桥墩防撞保护时，能够保持与桥墩处于非接触式状态，不增加桥墩荷载。故本发明提出了水上浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，采用自平衡原理，利用机械结构实现对称布置两根缆绳之间的自耦合锁定，实现了不同水位与流速条件下的自调节与自适应。

当然，实施时作为其他的可实施方案，可以将上述方案中的配重驱动块改为下端固定在浮体上的弹簧构件，或者直接将前端缆绳的上端和后端缆绳的上端分别连接在浮体上一个弹簧构件的两端，但这种结构受力平衡稳定性不高，同时难以很好地根据水位变化实现自适应调整。

进一步地，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段对应的浮体下表面各安装有一个定滑轮，前端缆绳和后端缆绳各自绕过对应的定滑轮后向上和转筒构件缠绕连接。

这样，通过定滑轮转向，将缆绳斜向的拉力转变为竖直方向的力，保证转筒构件受力更加平衡稳定。

进一步地，定滑轮安装在一个可水平转动的定滑轮座上。

这样，方便缆绳可以张开呈一定角度，以更好地保持平衡和稳定。

进一步地，定滑轮和转筒构件之间设置有竖向的软套管，前端缆绳和后端缆绳分别穿过对应软套管和转筒构件相连。

这样，可以更好地保护缆绳。

进一步地，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段等径设置且直径大于配重吊绳缠绕段直径。

这样可以通过转筒构件各段的直径比例变化实现缆绳的收放长度距离比例调整，减小配重驱动块所需吊绳的长度。

进一步地，浮体上设置有吊舱，配重驱动块悬吊于吊舱内。

这样，配重驱动块自身不会受水流冲击影响受力平衡，也更加方便检修维护。当然实施时，也可以将配重驱动块悬吊在浮体下方水体内，但这样容易受水流冲击影响，且不利于检修。

进一步地，转筒构件通过轴承可转动地安装在支撑架上，支撑架固定在浮体上。

这样结构简单，方便安装。

进一步地，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段上依靠花键各自设置有一个可轴向滑动的滑动套，前端缆绳和后端缆绳缠绕在对应的滑动套上。

这样，在随水位变化自动收放缆绳的时候，可以通过滑动套的轴向滑动自动调节，保持缆绳和转筒构件接触侧边位置始终位于定滑轮的正上方位置，避免缆绳倾斜对受力平衡造成影响，更好地保证平衡受力系统的稳定性和可靠性。

进一步地，浮体自定位系统具有两套，两套浮体自定位系统的转筒构件水平并列间隔设置，两套浮体自定位系统中各自的前端缆绳和后端缆绳分别连接在两个转筒构件的相对一侧或相背一侧。

这样是因为单套浮体自定位系统在前端缆绳受水流冲击时，前端缆绳和后端缆绳受力大小不一样，这样转筒构件前后方向的同向侧面受力不同会产生在水平方向的转矩，导致转筒旋转，进而使得浮体产生旋转。故上述改进后，可以使得两套浮体自定位系统产生的转矩恰好可以相互抵消，更好地保证了浮体的稳定性。

进一步地，前端缆绳和后端缆绳下端分别固定在水底对应的锚锭上。

这样，方便固定且方便控制收放。

本方法还可以采用以下的自耦合式自定位浮体装置实现，所述自耦合式自定位浮体装置，包括浮于水面的浮体，还包括浮体定位自调节系统，所述浮体定位自调节系统包括两个水平并列间隔设置的转筒构件，转筒构件沿水流方向设置且可转动地安装在浮体上，转筒构件前端具有一个前端缆绳缠绕段并缠绕设置前端缆绳，转筒构件后端具有一个后端缆绳缠绕段并缠绕设置后端缆绳，前端缆绳的下端往面对水流的方向向前下方斜向锚固在水下，后端缆绳的下端往背离水流的方向向后下方斜向锚固在水下；两个转筒构件各自的前端缆绳和后端缆绳缠绕连接在两个转筒构件相背离的一侧侧面，两个转筒构件的中间位置各安装有一个主动锥齿轮，两个主动锥齿轮分别和两个安装在同一转轴上的从动锥齿轮啮合，转轴可转动地水平安装在浮体上并垂直布置于两个转筒构件之间，转轴上还缠绕设置有一根吊绳，吊绳下方悬吊设置有配重驱动块。

这样和前一方案相比，基于类似的原理，本方案的自定位浮体装置，同样可以根据配重驱动块的重力，通过力矩的转换和传递，为两个转筒构件各自的前端缆绳和后端缆绳施加一个作用力使其张紧。通过设定内部配重驱动块的质量，使浮体位移满足各种工程应用对浮体定位精度的要求。同时水位涨落时，也可以根据转筒构件和转轴的转动传递，通过配重驱动块高度的自适应调节，实现前后端缆绳的自动收放，使其保持浮体吃水深度不变，自动适应水位涨落调节。同时本方案比前一方案更优的地方在于，不仅仅节省了一个配重驱动块的构件，而且两个转筒构件的前后端缆绳张紧力施力端通过齿轮和转轴传递耦合到一个配重驱动块上，这样当两个前端缆绳中有一个受力较大时，该力可以分别平衡到两个后端缆绳上，故可以实现四个方向上的受力自适应平衡调整，使得整个承力体系的平衡稳定性更好，装置整体稳定性更好。

具体实施时，本自定位浮体装置的其他局部细节结构和功能可以和之前的自定位浮式设施结构一致，不在此累述。

故本发明的方案能够实现水上浮式设施不同水位、不同流速下的平面约束定位。背景技术所述申请人之前申请专利方案中，采用滑轮吊重物的方式，由于缆绳的拉力始终不变，所以浮式设施必须通过移位产生角度变化来抵消水流力，所以之前专利方案通过合理设置重物重量，仅可实现微漂移，但无法实现精确定位。而本申请方案，是通过前后端缆绳的弹性变形与内力调整来抵消水流力，所以只要两根缆绳均有缆力，浮式设施就可实现精确定位的要求。同时本发明能实现超大水位变幅下的缆绳自动收放。申请人之前申请专利方案中采用滑轮吊重物的方式，无法对缆绳进行比例缩短收放，且重物块需置于水中，增大太多不确定性。本申请方案中通过大小轴的方式，实现了缆绳的比例缩短收放，且重物块置于箱体内，方便更换与检修。

综上所述，本发明具有能够使浮式设施可以适应水位升降并能够更好地实现精确定位的优点。

附图说明

图1为实施例1中的自定位浮式设施的平面结构示意图，图中虚线部分表示缆绳呈八字形时的方式，图中箭头表示水流方向。

图2为图1的正视图，图中以实线显示浮体内部结构。

图3为图1的左视图，图中以实线显示浮体内部结构。

图4为图1中表示滑动套的结构示意图。

图5为实施例2的自自适应调节定位的浮体定位装置安装好后的平面结构示意图，图中虚线部分表示缆绳呈八字形时的方式，图中箭头表示水流方向。

图6为图5的正视图。

图7为实施例3的自定位浮体装置的平面结构示意图，图中虚线部分表示缆绳呈八字形时的方式，图中箭头表示水流方向。

图8为图7的正视图。

图9为本发明的自定位浮式设施在静水状态下的受力分析原理示意图。

图10为本发明的自定位浮式设施在水流作用状态下的受力分析原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，通过锚固用的缆绳连接浮体实现浮体的定位，其特点在于，在浮体顺水流方向的前后两侧各采用一根缆绳，将缆绳下端锚固，缆绳上端共同连接到浮体上的一个具有浮动自调节能力的施力构件，通过施力构件使两根缆绳同时张紧并实现自适应水位升降的平面约束定位调节。

这样，本方案中浮体为两端受缆绳限制，故平常状态下不会产生移动。而当浮体受水流冲击时，将导致面对作用力方向一侧的缆绳受力增大，另一侧缆绳受力减小，浮体将发生平面位移，缆绳角度及受力也会发生变化。通过施力构件的浮动自调节功能(调节浮体内部配重驱动块的质量)，使浮体平面位移满足不同工程要求的位移偏差，从而实现浮体的精确定位。本方法就能够很好地规避风浪(风流水流通常方向一致)影响而实现浮体的精确定位，而且可以根据预估风浪最大冲击力大小来设置内部配重驱动块的质量，更好地保证浮体定位不受风浪水流的影响。

其中，缆绳所施加预拉力大小为浮体受水流最大冲击力在缆绳方向的分力大小。

这样即采用了最小的预拉力最大程度保证了浮体定位效果。浮体受水流最大冲击力可以根据历史经验值或历史实际检测值确定。

本实施例中，采用图1-4所示的自定位浮式设施实现，所述自定位浮式设施，包括浮于水面的浮体1，还包括浮体自定位系统，所述浮体自定位系统包括在浮体面对水流方向一端设置的前端缆绳2和背对水流方向一端设置的后端缆绳3，前端缆绳2下端斜向前锚固在水下，后端缆绳3下端斜向后锚固在水下，浮体自定位系统还包括沿水流方向水平设置的转筒构件4，转筒构件4可转动地安装在浮体1上，转筒构件前端具有一个前端缆绳缠绕段，前端缆绳2的上端缠绕设置在前端缆绳缠绕段上，转筒构件后端具有一个后端缆绳缠绕段，后端缆绳3的上端和前端缆绳以相同方向缠绕设置在后端缆绳缠绕段上，转筒构件4中间具有一个配重吊绳缠绕段，配重吊绳缠绕段上和前端缆绳相反方向缠绕设置有一根吊绳5，吊绳5下方悬吊设置有配重驱动块6。

上述设备使用时，依靠配重驱动块的重力，通过转筒构件的力矩转换，对前后两端缆绳施加一个预拉力使其张紧并达到平衡，浮体保持不动。当浮体前端受水流冲击时，导致前端缆绳受力增大，此时由于转筒另一侧悬吊的配重驱动块产生的力矩大小和方向不变，故缆绳侧整体力矩大小不变。这样前端缆绳受力增大会导致另一端缆绳预拉力减小，这样转筒构件两侧力矩继续保持平衡，浮体保持水平位移不变(只在缆绳形变范围内做非常微小的位移)，实现了受水流冲击状态下的精确平面定位约束。同时在水位涨落时，通过转筒构件的转动实现缆绳的收放自适应调节，转筒转动时配重驱动块高度改变但力矩大小不变，故转筒构件另一侧的前后两端缆绳收放长度在对应调整但力矩仍然保持不变，浮体吃水深度不变。故更好地保证了浮体自定位系统能够根据水位变化做自适应调整并在调整过程中维持张紧受力体系平衡不变。

更加具体地说，水上浮式设施在日常运行中，浮体受到的力主要有浮体自重力、浮力、水流力及风、波浪力等。本方案中，浮体自重力由浮体排水体积产生的浮力抵消。水流力及风、波浪力由配重驱动块对艏艉缆施加预拉力，并通过缆绳内力自适应调节抵消。同时由于选用零重力高强度缆绳，缆绳在水中均为张紧伸直状态，其漂移移位主要由缆绳内力变化导致的弹性变形产生，从而实现了浮体的平面约束定位。其原理类似斜拉桥的斜拉索，桥梁荷载变化主要引起各根缆索的内力变化，但桥梁整体变形量影响较小。故本方案中缆绳预拉力由浮体内与缆绳连接的配重驱动块施加，配重驱动块的重量根据设计水流力及风、波浪力的大小和方向确定。当水位涨落时，通过浮体内部传动机构和配重驱动块的运动收放缆，使缆绳始终保持拉直状态并使浮体在设定基准位置处随水位升降，浮体用于桥墩防撞保护时，能够保持与桥墩处于非接触式状态，不增加桥墩荷载。故本发明提出了水上浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，采用自平衡原理，利用机械结构实现对称布置两根缆绳之间的自耦合锁定，实现了不同水位与流速条件下的自调节与自适应。

当然，实施时作为其他的可实施方案，可以将上述方案中的配重驱动块改为下端固定在浮体上的弹簧构件，或者直接将前端缆绳的上端和后端缆绳的上端分别连接在浮体上一个弹簧构件的两端，但这种结构受力平衡稳定性不高，同时难以很好地根据水位变化实现自适应调整。

本实施例中，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段对应的浮体下表面各安装有一个定滑轮7，前端缆绳2和后端缆绳3各自绕过对应的定滑轮后向上和转筒构件缠绕连接。

这样，通过定滑轮转向，将缆绳斜向的拉力转变为竖直方向的力，保证转筒构件受力更加平衡稳定。

其中，定滑轮7安装在一个可水平转动的定滑轮座上。

这样，方便缆绳可以张开呈一定角度，以更好地保持平衡和稳定。

其中，定滑轮7和转筒构件4之间设置有竖向的软套管8，前端缆绳2和后端缆绳3分别穿过对应软套管和转筒构件相连。

这样，可以更好地保护缆绳。

其中，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段等径设置且直径大于配重吊绳缠绕段直径。

这样可以通过转筒构件各段的直径比例变化实现缆绳的收放长度距离比例调整，减小配重驱动块所需吊绳的长度。

其中，浮体1上设置有吊舱，配重驱动块6悬吊于吊舱内。

这样，配重驱动块自身不会受水流冲击影响受力平衡，也更加方便检修维护。当然实施时，也可以将配重驱动块悬吊在浮体下方水体内，但这样容易受水流冲击影响，且不利于检修。

其中，转筒构件4通过轴承可转动地安装在支撑架9上，支撑架9固定在浮体上。

这样结构简单，方便安装。

其中，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段上依靠花键各自设置有一个可轴向滑动的滑动套10，前端缆绳和后端缆绳缠绕在对应的滑动套10上。

这样，在随水位变化自动收放缆绳的时候，可以通过滑动套的轴向滑动自动调节，保持缆绳和转筒构件接触侧边位置始终位于定滑轮的正上方位置，避免缆绳倾斜对受力平衡造成影响，更好地保证平衡受力系统的稳定性和可靠性。

其中，浮体自定位系统具有两套，两套浮体自定位系统的转筒构件水平并列间隔设置，两套浮体自定位系统中各自的前端缆绳和后端缆绳分别连接在两个转筒构件的相对一侧或相背一侧。

这样是因为单套浮体自定位系统在前端缆绳受水流冲击时，前端缆绳和后端缆绳受力大小不一样，这样转筒构件前后方向的同向侧面受力不同会产生在水平方向的转矩，导致转筒旋转，进而使得浮体产生旋转。故上述改进后，可以使得两套浮体自定位系统产生的转矩恰好可以相互抵消，更好地保证了浮体的稳定性。

其中，前端缆绳和后端缆绳下端分别固定在水底对应的锚锭11上。

这样，方便固定且方便控制收放。

实施例2：本实施例中，采用在浮体上安装浮体定位装置实现，参见图5-6，浮体定位装置包括安装在浮体上的第一转动件21，第一转动件21上缠绕设置有第一缆绳，第一缆绳具有一个向外延伸并用于锚固的锚固端，还包括和第一转动件相对地安装在浮体上的第二转动件22，第二转动件22上缠绕设置有第二缆绳，第二缆绳具有一个向外延伸并用于锚固的锚固端，还包括安装在浮体上的一个自驱动转动机构，第一转动件和第二转动件分别和自驱动转动机构传动连接并依靠自驱动转动机构施加预拉力；

所述自驱动转动机构包括一个第三转动件23，第三转动件23上缠绕有吊绳，吊绳下端悬吊设置有配重驱动块，依靠配重驱动块重力转化为转矩并施加预拉力；

本实施例中第一转动件21、第二转动件22和第三转动件23异轴设置，第一转动件21通过第一传动机构24和第三转动件23传动连接，第二传动件22通过第二传动机构25和第三转动件23传动连接，第一转动件和第二转动件带动第三转动件转动的方向相同且和吊绳缠绕方向相反。

其中第一传动机构24和和第二传动机构25用于将自驱动转动机构的驱动力传递到第一缆绳和第二缆绳，通过设定传动机构传动比，可以设定不同的驱动力、驱动速度传递系数，以适应艏艉缆的不同抛缆角度。传动结构可以为齿轮传动、链条传动、蜗杆螺杆、皮带传动等多种方式。传动机构一端与自驱动转动机构相连，另一端与艏艉缆驱动机构(对应的转动件和缆绳)相连。利用传动机构可将自驱动转动结构的驱动力传递给艏缆驱动机构(传动比设定为k1)，利用传动机构可将自驱动结构的驱动速度传递给艏缆驱动机构(传动比设定为k1’)。利用传动机构可将自驱动结构的驱动力传递给艉缆驱动机构(传动比设定为k2)，利用传动机构可将自驱动结构的驱动速度传递给艉缆驱动机构(传动比设定为k2’)。第一转动件和对应的第一缆绳以及第二转动件和对应的第二缆绳分别在缆绳下端锚固后形成艏艉缆驱动机构。用于对缆绳施加预拉力，使缆绳在水中始终均为张紧伸直状态，使浮箱(即浮体)漂移移位主要由缆绳内力变化导致的弹性变形产生，从而实现浮箱的平面约束定位。主要包括系缆盘与支座。自驱动机构的驱动力通过传动机构传递至艏艉缆驱动机构，使系缆盘具有一定的转动力矩，转动力矩形成艏艉缆的缆绳拉力。自驱动机构的驱动速度通过传动机构传递至艏艉缆驱动机构，使系缆盘按照一定的收放缆的速度进行收放缆绳。通过缆盘转动，实现艏艉缆的收放缆。

故上述装置使用时，将第一缆绳和第二缆绳的锚固端分别沿水流方向一前一后地锚固在浮体下方，通过自驱动转动机构施加预拉力，使得第一缆绳和第二缆绳处于张紧状态并形成平衡。这样浮体两端受缆绳限制，故平常状态下不会产生移动。而当浮体受水流冲击时，由于浮体顺水流前后方向上各有一根缆绳且处于预拉力施加状态，水流冲击导致面对水流方向一侧的缆绳受力增大，另一侧缆绳受力减小。但只要水流冲击作用力小于缆绳预拉力大小，缆绳均只有预拉力变化，预拉力变化导致缆绳形变的量很小，故浮体几乎不会产生水平方向的位移。同时，采用吊绳缠绕转动构件并悬吊配重驱动块的方式构成自驱动转动机构，不仅仅结构简单，而且重要的是当水位上下波动时，自驱动转动机构中可以通过第三转动件的转动改变配重驱动块的高度实现自适应调节。而且自适应调节后配重驱动块的重力并不会变化，故对缆绳施加的预拉力也不会变化。故采用这种方式能够使得缆绳张紧定位效果不会因为水位的波动变化而产生变化，极大地提高了装置的稳定性和可靠性。另外这种方式可以通过改变转动件的直径大小调整传动比，使得配重驱动块只需较小的高度空间即可适应较大的水位高度变化。当然实施时，作为其他的方案，自驱动转动机构也可以采用弹簧装置(卷簧、板簧)或液压装置等其他方式实现预拉力的施加，但这样在水位波动变化时的自我调整能力有限，整体稳定性较差。其中，所述的第一传动机构和第二传动机构可以是齿轮、齿条、链条等多种连接方式。这样，结构设置更加灵活可变，且可以通过传动机构进一步调整传动比，使得配重驱动块只需较小的高度空间即可适应较大的水位高度变化。

本实施例中其余结构和实施例1相同，不在此累述。

实施例3：本实施例和实施例1相比，区别仅仅在于具体实现的设备结构有少许不同，本实施例中采用图7-8所示的自耦合式自定位浮体装置实现，所述自耦合式自定位浮体装置，包括浮于水面的浮体1′，还包括浮体定位自调节系统，所述浮体定位自调节系统包括两个水平并列间隔设置的转筒构件4′，转筒构件4′沿水流方向设置且可转动地安装在浮体上，转筒构件前端具有一个前端缆绳缠绕段并缠绕设置前端缆绳2′，转筒构件后端具有一个后端缆绳缠绕段并缠绕设置后端缆绳3′，前端缆绳2′的下端往面对水流的方向向前下方斜向锚固在水下，后端缆绳3′的下端往背离水流的方向向后下方斜向锚固在水下；两个转筒构件各自的前端缆绳和后端缆绳缠绕连接在两个转筒构件相背离的一侧侧面，两个转筒构件的中间位置各安装有一个主动锥齿轮7′，两个主动锥齿轮7′分别和两个安装在同一转轴9′上的从动锥齿轮8′啮合，转轴9′可转动地水平安装在浮体上并垂直布置于两个转筒构件之间，转轴上还缠绕设置有一根吊绳，吊绳下方悬吊设置有配重驱动块6′。

这样和实施例1相比，基于类似的原理，本实施例中采用的自定位浮体装置，同样可以根据配重驱动块的重力，通过力矩的转换和传递，为两个转筒构件各自的前端缆绳和后端缆绳施加一个预拉力使其张紧。这样受水流冲击时只要水流冲击作用力小于缆绳预拉力大小，浮体几乎不会产生水平方向的位移。能够规避风浪的影响而实现浮体精确定位。同时水位涨落时，也可以根据转筒构件和转轴的转动传递，通过配重驱动块高度的自适应调节，实现前后端缆绳的自动收放，使其保持浮体吃水深度不变，自动适应水位涨落调节。同时本实施例比实施例1更优的地方在于，不仅仅节省了一个配重驱动块的构件，而且两个转筒构件的前后端缆绳张紧力施力端通过齿轮和转轴传递耦合到一个配重驱动块上，这样当两个前端缆绳中有一个受力较大时，该力可以分别平衡到两个后端缆绳上，故可以实现四个方向上的受力自适应平衡调整，使得整个承力体系的平衡稳定性更好，装置整体稳定性更好。

具体实施时，本自定位浮体装置的其他局部细节结构和功能可以和实施例1中自定位浮式设施结构一致，不在此累述。

下面结合上述自定位浮式设施分别在静水状态以及水流作用状态下的受力分析原理示意图(参见图9和图10)，对本发明的受力作用原理进一步阐述。

更加具体地说，本发明的自定位浮式设施，其平面约束定位原理为：

通过调节配重驱动块重量，实现水流作用下，浮体平面位移在所需要的约束定位精度范围内。浮体平面位移约束定位精度控制指标为δ_max，δ_max越小，平面约束定位精度越高。根据浮体平衡方程及约束方程，得到配重驱动块的最小重量，以使水流作用下浮体平面位移量满足要求。

具体参见图9-图10，图中以及下述公式中标号表示为G₁-浮体重力(除配重驱动块外其它构件)，G₂-配重驱动块重力，F_f-浮体浮力，F₁-水流作用力，T₁-浮体艏部缆绳拉力，T₂-浮体艉部缆绳拉力，α₁-艏部缆绳抛缆角度，α₂-艉部缆绳抛缆角度，L₁-艏部缆绳抛缆长度，L₂-艉部缆绳抛缆长度，δ-浮体水流作用下平面平移，r-第三转动件半径，R₁-第一转动件半径，R₂-第二转动件半径，δ_max-浮体平面约束定位精度。

参见图9，当无水流冲击作用力时，根据受力平衡关系可得：

F_f＝G₁+G₂+T₁cosα₁+T₂cosα₂

T₂sinα₂＝T₁sinα₁

同时，根据浮体内部配重驱动块力矩平衡方程可得：

G₂r＝T₁R₁+T₂R₂。

参见图10，当有水流作用力时，浮体顺水流方向发生δ的位移变化，同样根据受力平衡及力矩平衡可得：

F_f′＝G₁+G₂+T₁′cosα₁′+T₂′cosα₂′

F₁+T₂′sinα₂′＝T₁′sinα₁′

G₂r＝T₁′R₁+T₂′R₂

浮体平面位移量较小情况下，浮体有效排水体积没有发生较大变化，可以认为F_f＝F_f′，则：

T₁cosα₁+T₂cosα₂＝T₁′cosα₁′+T₂′cosα₂′

根据几何关系，得到水流作用前后，浮体艏部缆绳张角变化θ₁、艉部缆绳张角变化θ₂为：

θ₁＝α₁′-α₁

θ₂＝α₂-α₂′

浮体平面位移较小情况下，浮体平面位移δ、艏部缆绳张角变化θ₁、艉部缆绳张角变化θ₂均较小，则可得：

δ≈θ₁L₁＝(α₁′-α₁)L₁

δ≈θ₂L₂＝(α₂-α₂′)L₂

浮体平面约束定位精度为δ_max，即水流作用下，浮体平面位移不超过δ_max。根据上述方程，建立浮体平面约束定位精度最优化确定方程组如下：

式中r、R₁、R₂、α₁、α₂、L₁、L₂已知，水流作用力F₁可根据实测值或经验值确定，α₁′、α₂′、T₁′、T₂′未知，采用最优化方法，根据上述方程组，得到G₂ ⁰。即将配重驱动块重量设定为G₂ ⁰，可保证浮体平面位移约束变化不超过δ_max。(实际当水位不变时，艏艉缆缆绳的长度的变化是由于缆绳拉力变化引起的，而缆绳拉力变化引起的伸长量是与缆绳的刚度有关的，所以还需引入缆绳伸长量与缆绳弹性模量的等式。)

对于自定位浮式设施如何实现自适应水位升降，可通过调节第一转动件与第三转动件、第二转动件与第三转动件异径比，适应水位变幅。下面结合公式具体阐述，公式中符合表示为：r-第三转动件半径，R₁-第一转动件半径，R₂-第二转动件半径，H-水位变幅，L₁-低水位时浮体艏部缆绳抛缆长度，L₂-低水位时浮体艉部缆绳抛缆长度，L₁′-高水位时浮体艏端缆绳长度，L₂′-高水位时浮体艉端缆绳长度，根据余弦定理，得到：

得到艏端缆绳及艉端缆绳的伸长量分别为：

ΔL₁＝L₁′-L₁

ΔL₂＝L₂′-L₂

对应的浮体内部配重驱动块的位移为ΔP，由于第一、二、三转动件转动角度相等，则：

设浮体内部配重驱动块的最大位移高度为ΔP_max，则：

上式即为第一转动件与第三转动件异径比第二转动件与第三转动件异径比/>的限定条件。通过设定满足该条件的异径比，实现第三转动件小位移条件下，浮体对大水位变幅的适应能力。

另外，本发明实施时，如果是单向水流流速较小时，可采用单轴工作模式，即顺水流方向前后各只设置一根缆绳并拉紧。而当单向水流流速较大时，可设置多套单轴系统来抵御水流作用。在顺水流方向前后各设置两根或多根缆绳并拉紧。

其中单轴系统仅能适应单向流速的条件，即艏艉缆与流速方向同平面，当存在横向流或者多向流时，若仍为单轴系统，就无法抵御横向流作用，在横向流组偶用下就会发生横向移位。故为了抵御横向流作用，还可以通过设置多个独立的单轴系统，并通过缆绳外八字布置(例如图1中虚线所示缆绳)或者交叉缆布置(即图1中虚线所示缆绳可以改为交叉布置的方式)提高抵御微小横流的作用。

另外，当面对水流为多向流时，仅通过设置缆绳的布置方式已无法保持其自身稳定，即可以通过将多轴之间进行联动(即图7所示方式)，以抵御多向流作用。

故本发明的方案能够实现水上浮式设施不同水位、不同流速下的平面约束定位。背景技术所述申请人之前申请专利方案中，采用滑轮吊重物的方式，由于缆绳的拉力始终不变，所以浮式设施必须通过移位产生角度变化来抵消水流力，所以之前专利方案通过合理设置重物重量，仅可实现微漂移，但无法实现精确定位。而本申请方案，是通过前后端缆绳的弹性变形与内力调整来抵消水流力，所以只要两根缆绳均有缆力，浮式设施就可实现精确定位的要求。同时本发明能实现超大水位变幅下的缆绳自动收放。申请人之前申请专利方案中采用滑轮吊重物的方式，无法对缆绳进行比例缩短收放，且重物块需置于水中，增大太多不确定性。本申请方案中通过大小轴的方式，实现了缆绳的比例缩短收放，且重物块置于箱体内，方便更换与检修。

Claims (7)

1.一种浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，通过锚固用的缆绳连接浮体实现浮体的定位，其特征在于，在浮体顺水流方向的前后两侧各采用一根缆绳，将缆绳下端锚固，缆绳上端共同连接到浮体上的一个具有浮动自调节能力的施力构件，通过施力构件使两根缆绳同时张紧并实现自适应水位升降的平面约束定位调节；

本方法采用以下的自定位浮式设施实现，所述自定位浮式设施，包括浮于水面的浮体，还包括浮体自定位系统，所述浮体自定位系统包括在浮体面对水流方向一端设置的前端缆绳和背对水流方向一端设置的后端缆绳，前端缆绳下端斜向前锚固在水下，后端缆绳下端斜向后锚固在水下，浮体自定位系统还包括沿水流方向水平设置的转筒构件，转筒构件可转动地安装在浮体上，转筒构件前端具有一个前端缆绳缠绕段，前端缆绳的上端缠绕设置在前端缆绳缠绕段上，转筒构件后端具有一个后端缆绳缠绕段，后端缆绳的上端和前端缆绳以相同方向缠绕设置在后端缆绳缠绕段上，转筒构件中间具有一个配重吊绳缠绕段，配重吊绳缠绕段上和前端缆绳相反方向缠绕设置有一根吊绳，吊绳下方悬吊设置有配重驱动块。

2.如权利要求1所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段对应的浮体下表面各安装有一个定滑轮，前端缆绳和后端缆绳各自绕过对应的定滑轮后向上和转筒构件缠绕连接。

3.如权利要求2所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，定滑轮安装在一个可水平转动的定滑轮座上；

定滑轮和转筒构件之间设置有竖向的软套管，前端缆绳和后端缆绳分别穿过对应软套管和转筒构件相连。

4.如权利要求1所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段等径设置且直径大于配重吊绳缠绕段直径。

5.如权利要求1所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，浮体上设置有吊舱，配重驱动块悬吊于吊舱内；

转筒构件通过轴承可转动地安装在支撑架上，支撑架固定在浮体上。

6.如权利要求1所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，前端缆绳缠绕段和后端缆绳缠绕段上依靠花键各自设置有一个可轴向滑动的滑动套，前端缆绳和后端缆绳缠绕在对应的滑动套上。

7.如权利要求1所述的浮式设施自适应水位升降与平面约束定位方法，其特征在于，浮体自定位系统具有两套，两套浮体自定位系统的转筒构件水平并列间隔设置，两套浮体自定位系统中各自的前端缆绳和后端缆绳分别连接在两个转筒构件的相对一侧或相背一侧；

前端缆绳和后端缆绳下端分别固定在水底对应的锚锭上。