一种极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统及方法

本发明属于波浪补偿，尤其涉及一种极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、对海上作业时负载上下往复运动进行适当的补偿，能够保证海上工作的顺利进行。升沉补偿技术是一种补偿因海面波浪引起作业装置上下起伏的技术，由于波浪的影响，负载随波浪的相对运动可能会导致负载物资撞向船体或增加海上作业困难，因此升沉补偿技术对于海洋资源勘探开采设备、海上货物补给和吊运作业的安全与稳定起着重中之重的作用。

3、目前，升沉补偿，又可称为波浪补偿，主要有被动补偿、主动补偿和半主动补偿三种方式，其中：

4、被动升沉补偿系统可以看作是一种隔振器，利用液压缸和气囊式储能器缓冲母船升沉运动对荷载的影响，无需能量输入，依靠载荷自重和海浪的波动力压缩蓄能器中的气体，以实现升沉补偿。但其补偿精度低、响应滞后性大、补偿效果较差，面对恶劣海况时该装置无法满足补偿要求。

5、在主动升沉补偿系统中大多采用液压系统和气压系统作为补偿动力装置，需要为其提供动力，使液压缸作为完成直线运动的执行元件，完成补偿任务，补偿精度较高，抗干扰能力较强。但其所需设备庞大、管线复杂、效率低、工作性能易受温度变化的影响，且随补偿精度的增加，所需要的能量越大。另外，主动升沉补偿装置存在液压油泄漏的风险，并且液压缸的大小限制了系统对波浪补偿的能力。

6、半主动式升沉补偿系统虽集合了被动和主动升沉补偿方式的优点，但其需要增设专门的气液转换装置，结构变得更为复杂,制造和维护成本变高。近年来，直线电机在直线驱动领域的快速发展，采用直线电机代替液压系统，可以很好地解决液压系统给升沉补偿装置带来的不足。目前，一些基于直线电驱动的半主动式升沉补偿系统可用于母船甲板空间大(大型船只)、吊载重物体积大、重量大、易随海面和海底波浪起伏、远海深海等海面状况恶劣的工作场合。但是，仍存在系统成本较高、甲板利用率低、鲁棒性差、在极端恶劣环境下运行能力有限等问题，因此，设计一款新型的极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统改善上述问题成为本领域亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统及方法，其利用模块化的直线开关磁阻电机作为传动机构完成往复的直线运动，对称放置于动滑轮两侧，提供主动升沉补偿的能量，利用液压补偿系统提供被动补偿的能量，使得该补偿系统具有结构简单、控制效果好、重量体积小节省甲板空间、稳定性和补偿精度高、能耗低的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供了一种极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统。

4、一种极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统，包括：

5、主动升沉补偿单元、被动升沉补偿单元和滑轮组，所述主动升沉补偿单元、被动升沉补偿单元和滑轮组均布设在母船上；

6、所述滑轮组包括动滑轮、连接块和定滑轮；所述动滑轮安装在连接块上，所述连接块可在主动升沉补偿单元和被动升沉补偿单元中任一者的驱动下作直线运动；所述动滑轮和定滑轮上绕设有缆绳，所述缆绳一端与绞车系统相连，另一端与吊装载荷相连；

7、所述被动升沉补偿单元用于根据吊装载荷的变化来提供被动补偿的能量，以被动驱动连接块带动动滑轮运动，从而控制缆绳的回缩与释放；

8、所述主动升沉补偿单元包括模块化电机及控制器；所述模块化电机对称放置于动滑轮两侧；所述控制器用于根据母船的升沉运动来驱动所述模块化电机产生与母船升沉方向相反的直线运动控制信号，以主动驱动连接块带动动滑轮运动，来控制缆绳的回缩与释放，最终实现吊装载荷的平稳回收与下放。

9、作为一种实施方式，所述模块化电机为直线开关磁阻电机，其呈中心对称结构。

10、作为一种实施方式，所述直线开关磁阻电机包括一次侧模块化定子、二次侧模块化动子及缠绕于定子槽的电枢绕组；

11、所述一次侧定子由宽窄相间、连续排列的电枢齿沿动子运行方向依次间隔排列而成，通过位于定子铁芯中轴线处的轭部相连，且一个定子宽齿和一个该宽齿紧邻的窄齿作为一个定子基本单元；

12、所述二次侧模块化动子由大小相同且横截面为梯形，相互独立的导磁块以相等间隔水平排列而成。

13、作为一种实施方式，所述二次侧模块化动子上安装有动子位置传感器，用于检测二次侧模块化动子的位置，并反馈至控制器。

14、作为一种实施方式，所述模块化直线电机由驱动电路控制，所述驱动电路为不对称半桥电路，通过开关管与各相绕组相连，控制各相绕组通断，使动子运动补偿负载的升沉运动，从而控制启动和关闭主动升沉补偿，使得系统可以在主动升沉补偿和半主动升沉补偿之间切换。

15、作为一种实施方式，所述模块化直线电机的定子固定于基座上，动子嵌于非导磁材料外壳，通过滑块和导轨安装于两侧长挡板，进而固定在母船甲板上；

16、作为一种实施方式，所述模块化直线电机布置在由长挡板和短挡板组合形成的长方形结构中间；所述长方形结构底端与所述模块化直线电机的定子一同固定在基座上。

17、作为一种实施方式，所述被动升沉补偿单元为液压补偿系统。

18、作为一种实施方式，所述液压补偿系统包括液压缸、油气分离缸、气压控制单元和储气瓶，所述油气分离缸、气压控制单元和储气瓶共同构成气囊式储能器；

19、所述液压缸由缸筒和活塞组成，所述缸筒包括有杆腔和无杆腔，无杆腔即充油腔，用于提供被动补偿的推力；有杆腔通过油路与油箱连接；无杆腔底部的油孔通过油路与气囊式储能器相连。

20、本发明的第二个方面提供了一种采用如上述半主动升沉补偿载荷吊装装置的工作方法。

21、一种采用如上述所述的极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统的工作方法，具有三种工作模式：准备工作、被动升沉补偿模式和主动升沉补偿模式；

22、当工作模式处于准备模式下时，使得被动升沉补偿单元处于预设初始状态；

23、当工作模式为被动升沉补偿模式时，主动升沉补偿单元处于预设初始状态，且仅被动升沉补偿单元工作；被动升沉补偿单元根据吊装载荷的变化来提供被动补偿的能量，以被动驱动连接块带动动滑轮运动，从而控制缆绳的回缩与释放；

24、当工作模式转换为半主动补偿模式时，主动升沉补偿单元和被动升沉补偿单元同时动作，主动升沉补偿单元中的控制器根据母船的升沉运动来驱动模块化电机产生与母船升沉方向相反的直线运动控制信号，以主动驱动连接块带动动滑轮运动，来控制缆绳的回缩与释放，最终实现连续升沉补偿。

25、本发明的第三个方面提供了一种吊装系统。

26、一种吊装系统，其包括母船、装载在母船上的补偿绞车系统、缠绕在补偿绞车系统上的缆绳、吊装于缆绳末端的载荷、滑轮组和承载缆绳吊装载荷的滑轮组吊放门架系统，所述滑轮组包括动滑轮和定滑轮，其中，所述半主动升沉补偿载荷吊装系统还包括如上述所述的极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统。

27、本发明的有益效果是：

28、(1)本发明的极端海洋环境下长行程低成本波浪补偿系统，结合了主动补偿和被动补偿两种方式的优点，当海面波浪小时，单独使用被动补偿单元无需能量输入；当海面波浪大时，启动主动补偿单元减小船舶升沉运动带来的影响，能以相对小的能耗实现满意的补偿精度，可以实现被动补偿和半主动补偿之间的切换；而且将被动补偿单元位于整个升沉补偿装置的中心，模块化电机对称放置于动滑轮两侧，提供主动升沉补偿的能量，利用被动补偿单元提供被动补偿的能量，使得该补偿系统具有结构简单、控制效果好、重量体积小节省甲板空间、稳定性和补偿精度高、能耗低的优点。

29、(2)本发明采用了直线开关磁阻电机代替传统升沉补偿装置中的液压系统作为主动升沉补偿装置的核心驱动部件，带动动滑轮提供补偿所需位移，重量、体积小，结构简单，动定子无接触，无磨损，减少了中间传动机构摩擦带来的能量损耗，提高补偿效率，省去原有液压管线，没有液压油泄露风险并且便于设备的维护保养；本发明直线电机系统中取消了液压系统中的中间传动和丝杠等机械机构，提高了补偿的响应速度和精度；具有抗高温、耐腐蚀、抗振动等特性，能工作与较恶劣环境，使用寿命长，设备可靠性高。

30、(3)本发明中的模块化直线电机采用直线开关磁阻电机，它的每个定子槽中仅包含一相电枢绕组，使得其制造工艺更简单、成本更低廉；其定子窄电枢齿可同时作为其左右两侧电枢绕组的共同磁通路径，改善了磁通路径，提高了电机导磁材料的利用率；模块化的定子结构可以根据工程需求合理设计本发明电机定子基本单元数，理论上补偿行程可无限延长，可以满足不同补偿位移的要求，模块化后可将定子方便的嵌于甲板基座上，易于安装；该定子结构突破了传统直线开关磁阻电机设计中定子齿宽和定子齿距比不能大于0.5的限制，提升了直线开关磁阻电机的槽满率，使得铁芯利用率和功率密度增加，改善了电机的有效载荷比和运行效率；本发明中电机二次侧动子也为模块化结构，由相互独立的导磁块构成，易于加工和安装，进一步降低了制造成本，无轭部，实现磁隔离，各动子块磁通得到了充分利用，提高了材料利用率，减小了电机动子结构部分的体积和质量，有效实现了电机的功率密度以及推力密度的提升。

31、(4)在本发明的被动补偿单元中，采用液压缸加蓄能器组合提供被动补偿力，使其单独作用时仍能满足一定的补偿要求，并且在主动升沉补偿失效时依然可以使用被动补偿，提高了装置的可靠性。

32、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。