CN117623154B - 一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明关于水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，旨在提高水文勘测、水利作业及水文资源管理的效率和安全性。该系统由底座、回转座、转台、轴架、绳轮和绳轮电机组成。转台上方安装轴架，轴架间固定绳轮，绳轮与驱动机构相连。角度电机受控制器控制，通过回转座带动绳轮旋转。绳轮由轮柱组件和轮副组件构成，轮副组件中的动态盘和静态盘复合在一起，由驱动机构推动静态盘运转。此系统在复杂的水文环境中，提供稳定的张力控制，集成了自动张力控制和实时监测功能，增强作业的适应性、缓冲性和稳定性，同时确保了操作的高安全性和设备的长期耐用性。在水利工程和水文资源管理领域中发挥着关键作用，显著提升了水下作业的效率和安全性。

Description

一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统

技术领域

本发明属于水下绞盘张力控制技术领域，具体涉及一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统。

背景技术

水下绞盘是一种专门设计用于水下作业的机械设备，在海洋油气田勘探、深海采矿、海洋学研究、海底通信电缆铺设、打捞作业以及海上建筑物建设和维护等多个领域中扮演着关键角色。这些绞盘特别适用于水文勘测和水利作业，如在复杂的河流、湖泊和海洋环境中进行数据采集和资源评估。例如，在水文资源的勘探和管理中，水下绞盘被用于部署和回收测量水体特性的科学仪器，如流速计、水质采样器和海底地震仪。这些设备对于理解和保护水资源至关重要。

随着深海探测技术的发展，水下绞盘的技术也得到了显著的提升。现代绞盘系统通常配备有自动张力控制功能和高级传感器，以适应不断变化的水文环境和水利作业的需求。这些技术的进步，尤其是在自动张力控制和实时监测方面，为水下勘测和水文数据收集提供了更高的精度和效率。

然而，水下绞盘在极端或复杂的水下环境（如强水流、高压深海环境）中的稳定性和可靠性仍然是一个挑战。维护这些设备在高腐蚀性的水环境中尤其困难，而耐用性和长期可靠性是持续的挑战。此外，高级水下绞盘系统的高成本限制了它们的广泛应用，且系统的复杂性需要专业的操作和维护，进一步增加了运行成本。

总体来说，尽管现有的水下绞盘技术在自动张力控制方面已取得显著进步，但在适应极端环境、维护难度、成本和复杂性方面仍面临挑战。这些问题对于水文勘测和水利作业的效率和可靠性具有重要影响，需要进一步的技术创新和改进。

发明内容

针对现有同类设备在使用时存在的缺陷和问题，本发明旨在提供一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，以提高复杂且苛刻水下作业的自动张力控制和监测，以提高适应性、缓冲性、稳定性和安全性。

本发明解决其技术问题的方案是：采用一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，包括底座、回转座、转台、轴架、绳轮和绳轮电机，底座上侧中心固定有回转座，所述转台包括上部的平台和底部的回转环，回转环通过轴承或轴套与所述回转座上端口套装在一起，能够转动；在转台的平台上侧固定有轴架，两侧轴架之间安装有绳轮，绳轮的一端或两端连接有驱动机构；回转座含有容纳腔，容纳腔中固定有角度电机，角度电机的转轴通过传动机构连接角度齿轮，回转环的内壁固定设置有齿环，所述角度齿轮与所述齿环啮合，角度电机被控制器控制转动时，能够通过角度齿轮带动齿环转动，进而通过回转座驱动绳轮转动；所述绳轮包括轮柱组件和轮副组件，轮柱组件包括柱体和中心轴，轮副组件自内向外依次包括顶压在一起的端盘、驱盘、弹性体、动态盘和静态盘，其中端盘固定于主体的端部，在驱盘的中心固定有二级套，在静态盘的中心固定有三级套，所述二级套套装于中心轴外侧，三级套套装于二级套外侧端部；同时在所述动态盘的中心固定有花键套，在二级套的根部设置有花键，花键套匹配套装于花键外侧；所述二级套从三级套的外端部伸出，外露部分安装有固定件；所述中心轴从二级套的外端部伸出，外露的端部通过轴承安装于轴架的轴座内；所述动态盘和静态盘复合在一起，所述驱动机构驱动静态盘转动。

优选地，在所述回转座上侧设置有罩座和电机座，罩座上固定有罩壳，罩壳包裹于绳轮外侧。

优选地，驱动机构是在绳轮的端部固定有从动齿轮，电机座上固定有绳轮电机，绳轮电机的转轴上安装有主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合。

优选地，静态盘套固于从动齿轮中心，所述动态盘套装于静态盘内，动态盘和静态盘之间设置缓冲机构。

优选地，缓冲机构是在静态盘的内壁设置有盲环槽，盲环槽内等间隔固定有定簧座，在动态盘的外壁上等间隔固定有动簧座，当静态盘和动态盘扣合套装时，动簧座位于相邻定簧座之间区域，在各定簧座与动簧座之间套装有弧形弹簧。

优选地，固定件是在二级套的外端部套装有挡止部件，同时在二级套的端部设置有卡簧槽，其内套装有卡簧，卡簧支撑在挡止部件的外侧壁。

优选地，在轴座内设置凹槽并套装有轴压传感器，当轴承受到较大的压力时，对轴压传感器增压，控制器根据轴压传感器的信号情况，控制绳轮电机的工作状态。

优选地，所述弹性体为实体橡胶环，或充气橡胶环，为充气橡胶环时，其外侧或内侧设置有气嘴以便于充放气，在弹性体支撑作用下，驱盘与端盘挤压在一起，两者之间设置摩擦面。

优选地，充气橡胶环为环气囊，在环气囊的内壁上引出隐气管，在所述二级套内壁或外壁设置潜槽，隐气管埋于潜槽内。

优选地，在回转座的容纳腔内密封安装有主控板，位于主控板的控制器的通讯接口通过线缆与岸基监测记录仪建立通讯，控制器通过线缆远程向控制器发送控制命令。

本发明为水文勘测、水利作业和水文资源管理而特别设计的水下绞盘自动张力控制与反馈监测系统，旨在提升在复杂且苛刻水下环境下的作业适应性、缓冲性、稳定性和安全性，同时延长设备使用寿命。

其有益效果如下：

1. 增强的稳定性和可靠性：系统通过在水底基座和底座之间的牢固固定，以及回转座与转台的结构安排，为水文勘测和水利作业提供了高度稳定的操作平台。在这些常常苛刻的环境中，设备的稳定性和可靠性至关重要。

2. 精准的张力控制：集成了角度电机和角度传感器，以及相关的传动机构，使系统能够精确控制钢丝绳的张力和角度。这对于在水文资源探测等水下作业中尤为关键，因为不当的张力控制可能导致设备故障或操作失误。

3. 自动调节功能：动态盘和静态盘之间的缓冲机构，结合弹性体、驱盘和端盘，为系统提供了重要的自动调节功能。这有助于在进行水利工程作业，特别是在不平整的水底面作业时，保护系统免受突然张力变化的影响。

4. 防腐蚀和防氧化措施：系统中的结构设计和材料选择旨在减少摩擦和防止腐蚀，延长设备寿命。这对于长期在水下环境中，尤其是含有腐蚀性物质的场合，如水文资源勘探中非常重要。

5. 改进的监控和反馈机制：通过集成的传感器和控制器，系统提供实时监控和反馈，使操作员能够及时调整设备运行状态，提高了水文勘测和水利作业的操作效率和安全性。

附图说明

图1是本发明水下绞盘的立体装配关系示意图；

图2是图1中绞盘主体结构示意图；

图3是图2中回转座内部结构示意图；

图4是钢丝绳与绳轮的角度对比示意图；

图5是图4中轮副组件的装配关系图；

图6是缓冲机构的一种配合关系示意图；

图7是角度传感器安装关系示意图；

图8是环气囊充气状态示意图；

图9是本发明系统框图。

图中标号：1、底座；2、回转座；3、转台；4、固定孔；5、轴架；6、罩座；7、罩壳；8、电机座；9、绳轮电机；10、主动齿轮；11、从动齿轮；12、绳轮；13、轮柱组件；14、轮副组件；15、钢丝绳；16、横门；17、锁扣；18、电机罩；19、基座；20、容纳腔；21、角度电机；22、角度齿轮；23、齿环；24、端盘；25、中心轴；26、驱盘；27、二级套；28、花键；29、卡簧槽；30、花键套；31、动态盘；32、静态盘；33、弹性体；34、定簧座；35、动簧座；36、盲环槽；37、弧形弹簧；38、三级套；39、挡止部件；40、卡簧；41、驱杆；42、从杆；43、角度传感器；44、环气囊；45、旋转接头；46、环槽；47、显气管；48、电磁阀；49、气压传感器；50、导电环；51、储气罐。

实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，如图1所示，基座19修建于水底，或者通过锚杆固定于水底，在基座19上侧固定有底座1，底座1上侧中心固定有回转座2，底座周边缘设置固定孔4，各固定孔通过螺栓与基座上的预埋螺栓固定在一起。

转台3包括上部的平台和底部的回转环，回转环通过轴承或轴套与所述回转座上端口套装在一起，能够转动。回转环的内壁固定设置有齿环23。

如图2所示，在转台的中部上侧固定有轴架5，两侧轴架之间安装有绳轮12，绳轮的一端或两端连接有驱动机构。

如图3所示，回转座2含有容纳腔20，容纳腔中固定有角度电机21，角度电机的转轴通过传动机构连接角度齿轮22，角度齿轮与所述齿环23啮合。从而，角度电机被控制器控制转动时，能够通过角度齿轮带动齿环转动，进而通过回转座驱动绳轮转动。

如图1和图2所示，在所述回转座上侧设置有罩座6和电机座8，罩座上固定有罩壳7，罩壳包裹于绳轮外侧。图2中，驱动机构的一种形式是在绳轮的端部固定有从动齿轮11。电机座上固定有绳轮电机9，绳轮电机的转轴上安装有主动齿轮10，主动齿轮与从动齿轮啮合。

如图4所示，所述绳轮12包括轮柱组件13和轮副组件14，如图5所示，轮柱组件包括柱体和中心轴25，轮副组件包括端盘24、驱盘26、弹性体33、动态盘31和静态盘32等。在驱盘的中心固定有二级套27，在静态盘的中心固定有三级套38，所述二级套套装于中心轴外侧，三级套套装于二级套外侧端部。同时在所述动态盘的中心固定有花键套30，在二级套的根部设置有花键28，花键套30匹配套装于花键外侧。所述二级套从三级套端部伸出，外露部分安装有固定件。具体地，固定件的一种形式是在二级套的外端部套装有挡止部件39，同时在二级套的端部设置有卡簧槽29，卡簧槽内套装有卡簧40，卡簧支撑在挡止部件的外侧壁。中心轴从二级套的外端部伸出，外露的端部通过轴承安装于轴架的轴座内，如图4所示。进一步可在轴承与轴座之间安装有轴压传感器，例如在轴座内设置凹槽并套装有轴压传感器，当轴承受到较大的压力时，对轴压传感器增压，控制器根据轴压传感器的信号情况，控制绳轮电机9的工作状态（启动、停止、增速和减速等）。

所述静态盘32套固于从动齿轮11中心。所述动态盘31套装于静态盘内，动态盘和静态盘之间设置缓冲机构。

其中弹性体33可以为实体橡胶环，或充气橡胶环。为充气橡胶环时，其外侧或内侧设置有气嘴以便于充放气。在弹性体支撑作用下，驱盘26与端盘24挤压在一起，两者之间设置摩擦面。

基于上述方案，主动齿轮10带动从动齿轮11转动时，静态盘32通过缓冲机构驱动动态盘31转动，动态盘通过弹性体33定压驱盘26，驱盘与端盘24摩擦驱动，进而使得绳轮12转动。其中缓冲机构的作用是，克服被牵引的工件因水底面不平整，在移动时受阻程度不同，导致钢丝绳15张力增大或突然缩小的问题，避免由此造成工件弹动、绳轮总成震动或受损问题出现。弹性体33配合驱盘26和端盘24的摩擦驱动作用是，主要克服被牵引工件从静态变为运动态时（启动时，中途受阻时和受阻后突然释放时），各部件瞬时牵引力度过大，导致自适应调整机构（例如角度传感器43和角度电机21组合、轴压传感器与绳轮电机9组合）过度调整的问题出现。

其中，充气橡胶环为环气囊44，还可以增设充气管道，如图8所示，一种具体形式，是在环气囊的内壁上引出隐气管，隐气管在所述二级套27内壁或外壁设置潜槽，隐气管埋于潜槽内。所述固定件可以是安装在二级套端部的旋转接头45，旋转接头包括中心套装孔，套装孔内壁设置有内壁环槽46，内壁环槽的一侧设置径向孔，径向孔向外连接有显气管47，显气管串接电磁阀48后连接储气罐51的出气口，同时在显气管上安装有气压传感器49或气压表。在所述二级套的末端设置有外壁环槽，所述隐气管的外端口延伸至该外壁环槽内，二级套的外壁环槽与所述旋转接头的内壁环槽密封套接在一起。

如图6所示的一种缓冲机构，是在静态盘32的内壁设置有盲环槽36，盲环槽内等间隔固定有定簧座34，在动态盘31的外壁上等间隔固定有动簧座，当静态盘32和动态盘31扣合套装时，动簧座位于相邻定簧座之间区域，在各定簧座与动簧座之间套装有弧形弹簧37。

如图3和图7所示的一种传动机构，包括一对齿轮箱，齿轮箱内包括一对横向的主锥齿轮和竖向的从锥齿轮，主从锥齿轮啮合，从锥齿轮向上连接有驱杆41，驱杆上端连接有从杆42，驱杆和从杆之间凸凹镶嵌在一起，在凸凹镶嵌的间隙内套装有角度传感器43（膜盒式压力传感器）。从杆的末端安装有所述角度齿轮22，在从杆中部套装有导电环50，角度传感器通过导电环将信号传输至控制器。

如图9所示，在回转座2的容纳腔20内密封安装有主控板，位于主控板的控制器的通讯接口通过线缆与岸基监测记录仪建立通讯，控制器通过线缆远程向控制器发送控制命令。控制器通过角度传感器43检测钢丝绳15与绳轮12的角度，当钢丝绳角度偏向缠绕方向的后侧，如图4中a所示，则会出现钢丝绳缠绕过程相互摩擦的问题，这种摩擦会破坏钢丝绳表面的防腐层，会导致钢丝绳浸水后受到腐蚀和氧化，降低设备使用寿命，增加维护成本。控制器根据角度传感器，当钢丝绳垂直于绳轮转轴或者钢丝绳角度偏向缠绕方向前侧，如图4中b所示，则不会出现钢丝相互摩擦问题。但当b角度过大时，会出现缠绕倾斜度变大，造成相邻钢丝绳缠绕间隙问题，所以控制器根据a和b的设置阈值，通过实时控制角度电机21转动，确保钢丝绳与绳轮夹角符合上述阈值范围内。角度电机21和角度传感器43配合，还能够克服因水波动造成被牵引部件的摆动问题，做到实时调整牵引方向。

水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统的实施步骤可以按照以下顺序进行：

1. 设备安装与固定

基座安装：首先，在水底安装基座19，可以直接建造或通过锚杆固定于水底；

底座固定：在基座19上固定底座1，并通过固定孔4利用螺栓将底座和基座紧密连接。

2. 回转座和转台的组装

回转座安装：在底座1上中心位置固定回转座2；

转台组装：组装转台3，包括上部平台和底部的回转台。确保回转台通过轴承或轴套与回转座2上端口套装在一起，保证其能够顺畅转动。

3. 绳轮和驱动机构的安装

轴架设置：在转台3中部上侧固定轴架5；

绳轮安装：在两侧轴架之间安装绳轮12，并确保其一端或两端与驱动机构相连。

4. 张力控制组件的设置

角度电机和传感器安装：在回转座2的容纳腔20中固定角度电机21，并通过传动机构连接角度齿轮22，使其与齿环23啮合。

5. 罩座和电机座的设置

罩座和电机座的固定：在回转座2上侧设置罩座6和电机座8。在罩座上固定罩壳7，以包裹绳轮12。罩壳7的正面设置有开窗，开窗上安装横门16，在罩壳7上固定锁扣17，当横门关闭时，通过锁扣锁定横门。

同时，在电机座上固定绳轮电机9，并安装主动齿轮10与从动齿轮11啮合。绳轮电机9外侧设置有电机罩18，通过电机罩保护绳轮电机。

6. 绳轮组件的组装

轮柱和轮副组件的安装：组装轮柱组件13和轮副组件14，包括柱体和中心轴25，端盘24、驱盘26、弹性体33、动态盘31和静态盘32等；

缓冲机构的设置：在驱盘26的中心固定二级套27，在静态盘32的中心固定三级套38。在动态盘31中心固定花键套30，并在二级套27的根部设置花键28。

7. 缓冲机构和传动机构的安装

弹性体和缓冲机构安装：设置弹性体33和相关的缓冲机构，确保能够适应水下不平整地形带来的张力变化；

传动机构组装：安装包括齿轮箱、主锥齿轮、从锥齿轮、驱杆41、从杆42以及角度传感器43的传动机构。

8. 控制系统的安装和配置

主控板和传感器安装：在回转座2的容纳腔20内密封安装主控板，并将角度传感器43与控制器连接；

远程通讯接口设置：设置控制器的通讯接口，确保能够通过线缆与岸基监测记录仪建立通信。这样，控制器可以远程接收指令并相应地控制各个部件。

9. 系统调试和测试

角度调整和测试：测试和调整角度电机21和角度传感器43的配置，以确保钢丝绳15与绳轮12的角度得到准确监测和调整。特别关注钢丝绳在不同角度时的行为，如缠绕过程中的摩擦、腐蚀和氧化情况；

压力传感器校准：如果设置了轴压传感器，确保其正确安装并进行校准，以便在承受较大压力时提供准确的反馈。

10. 完整性和安全检查

综合检查：对整个系统进行全面的检查，确保所有组件都正确安装，无松动或错误配置；

安全测试：进行安全测试，包括检测所有电机、传感器和驱动机构在不同操作条件下的性能。

11. 实地应用和监控

现场部署：将系统部署到实际的水下环境中，进行初步的现场测试，以确保其在真实条件下的有效性和稳定性；

持续监控和调整：在实际操作过程中，持续监控系统的性能，并根据需要进行调整，以优化其效果和效率。

12. 维护和升级

定期维护：制定和执行定期维护计划，以保持系统的高效运行和延长其寿命；

系统升级：根据运行经验和技术进步，适时对系统进行升级和优化。

这些步骤确保了水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统的有效实施，增强了其在水下作业中的可靠性和效率。此外，通过精确的控制和实时反馈，系统能够适应复杂的水下环境，提高操作安全性，减少维护成本，并延长设备的使用寿命。

本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。例如上述系统在进行监控时，先进的控制算法被用于自动调整绞盘的工作状态时，以保持恒定的张力，减少由于水流、风浪等因素引起的张力波动。

Claims (2)

1.一种水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，包括底座（1）、回转座（2）、转台（3）、轴架（5）、绳轮（12）和绳轮电机（9），其特征在于，底座（1）上侧中心固定有回转座（2），所述转台（3）包括上部的平台和底部的回转环，回转环通过轴承或轴套与所述回转座（2）上端口套装在一起且能够转动；在转台（3）的平台上侧固定有轴架（5），两侧轴架（5）之间安装有绳轮（12），绳轮（12）的一端或两端连接有驱动机构；回转座（2）含有容纳腔（20），容纳腔（20）中固定有角度电机（21），角度电机（21）的转轴通过传动机构连接角度齿轮（22），回转环的内壁固定设置有齿环（23），所述角度齿轮（22）与齿环（23）啮合，角度电机（21）被控制器控制转动时，能够通过角度齿轮（22）带动齿环（23）转动，进而通过回转座（2）驱动绳轮（12）转动；所述绳轮（12）包括轮柱组件（13）和轮副组件（14），轮柱组件（13）包括柱体和中心轴（25），轮副组件（14）自内向外依次包括顶压在一起的端盘（24）、驱盘（26）、弹性体（33）、动态盘（31）和静态盘（32），其中端盘（24）固定于主体的端部，在驱盘（26）的中心固定有二级套（27），在静态盘（32）的中心固定有三级套（38），所述二级套（27）套装于中心轴（25）外侧，三级套（38）套装于二级套（27）外侧端部；同时在所述动态盘（31）的中心固定有花键套（30），在二级套（27）的根部设置有花键（28），花键套（30）匹配套装于花键（28）外侧；所述二级套（27）从三级套（38）的外端部伸出，外露部分安装有固定件；所述中心轴（25）从二级套（27）的外端部伸出，外露的端部通过轴承安装于轴架（5）的轴座内；所述动态盘（31）和静态盘（32）复合在一起，所述驱动机构驱动静态盘（32）转动；所述弹性体（33）为实体橡胶环或充气橡胶环，当弹性体为充气橡胶环时，其外侧或内侧设置有气嘴以便于充放气，在弹性体（33）支撑作用下，驱盘（26）与端盘（24）挤压在一起，两者之间设置摩擦面；所述充气橡胶环为环气囊（44），在环气囊（44）的内壁上引出隐气管，在所述二级套（27）内壁或外壁设置潜槽，隐气管埋于潜槽内；传动机构包括一对齿轮箱，齿轮箱内包括一对横向的主锥齿轮和竖向的从锥齿轮，主从锥齿轮啮合，从锥齿轮向上连接有驱杆（41），驱杆上端连接有从杆（42），驱杆和从杆之间凸凹镶嵌在一起，在凸凹镶嵌的间隙内套装有角度传感器（43），从杆的末端安装有所述角度齿轮（22），在从杆中部套装有导电环（50），角度传感器通过导电环将信号传输至控制器，在回转座（2）的容纳腔（20）内密封安装有主控板，位于主控板的控制器通讯接口通过线缆与岸基监测记录仪建立通讯，控制器通过线缆远程向控制器发送控制命令，控制器通过角度传感器（43）检测钢丝绳（15）与绳轮（12）的角度，设置钢丝绳（15）与绳轮（12）角度的阈值，通过实时控制角度电机（21）转动，确保钢丝绳与绳轮夹角在上述阈值范围内，在所述回转座（2）上侧设置有罩座（6）和电机座（8），罩座（6）上固定有罩壳（7），罩壳（7）包裹于绳轮（12）外侧，驱动机构是在绳轮（12）的端部固定有从动齿轮（11），电机座（8）上固定有绳轮电机（9），绳轮电机（9）的转轴上安装有主动齿轮（10），主动齿轮（10）与从动齿轮（11）啮合，静态盘（32）套固于从动齿轮（11）中心，所述动态盘（31）套装于静态盘（32）内，动态盘（31）和静态盘（32）之间设置缓冲机构，缓冲机构是在静态盘（32）的内壁设置有盲环槽（36），盲环槽（36）内等间隔固定有定簧座（34），在动态盘（31）的外壁上等间隔固定有动簧座，当静态盘（32）和动态盘（31）扣合套装时，动簧座位于相邻定簧座（34）之间区域，在各定簧座（34）与动簧座（35）之间套装有弧形弹簧（37）。

2.根据权利要求1所述的水下绞盘的自动张力控制与反馈监测系统，其特征在于，固定件是在二级套（27）的外端部套装有挡止部件（39），同时在二级套（27）的端部设置有卡簧槽（29），所述卡簧槽内套装有卡簧（40），卡簧（40）支撑在挡止部件（39）的外侧壁。