一种海上风电负压桶基座液压装置和控制方法与流程

1.本发明涉及海上风电安装技术领域，更具体地说，它涉及一种海上风电负压桶基座液压装置和控制方法。


背景技术：

2.风电是一种取之不尽的清洁能源，随着绿色环保和可持续发展理念的普及，我国的风电装机规模逐年增大。
3.海上风电因为其风力资源丰富，不占用土地的优点在沿海地区被普遍使用。海上风电在装机前需要在海底沉入基座，再将杆塔与底座连接，最后在杆塔顶部吊装风机。
4.传统的基座为桩式基座，将撞击立起后通过打桩机撞击多次桩基，最终将桩基安装到位，这种基座安装效率低下、耗时长且噪音大，目前正在被吸力式基座取代。
5.吸力式基座采用负压桶作为基座，将负压桶沉入海底后，通过液压装置将负压桶内的海水抽出，使其内部形成负压，通过桶体内外的压力差下压桶体，使桶体逐渐沉入海床下方，还能通过向负压桶内输送海水使其内部水压增大，实现负压桶的上浮。
6.现有的液压装置都是需要在沉入基座前将液压装置与基座锁定在一起，将液压装置的管路与基座的管路对接，再将液压装置与基座一起下放到海底，基座安装到位后，将液压装置与基座解锁，并吊起液压装置。
7.在实际的施工过程中，现场对基座的定位难免会有误差，即基座的下沉位置偏离设计的安装位置，当安装后发现偏离量较大时就需要将基座上浮并重新定位和下沉。
8.但是现有的液压装置并不具备自动下沉和对接的功能，对于海面下的基座，只能通过人工下潜和安装的方式将液压装置对海底的基座连接和对接，操作费力、难度大，有待改进。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种海上风电负压桶基座液压装置和控制方法，该液压装置能够自动下沉和自动对接，取代人工，更加简单省力。
10.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
11.一种海上风电负压桶基座液压装置，包括机架，在机架上装有双向式的抽吸泵、抽吸管、输送管和排出管，在排出管上装有第一控制阀，在输送管与抽吸泵连接的一端装有第二控制阀，所述输送管的对接端向下弯曲至竖直状态，所述输送管的对接端装有密封圈，所述输送管的对接端上设置有夹紧机构，所述夹紧机构用于将输送管与负压桶的对接管的端头夹紧固定，该液压装置还包括锁定机构，所述锁定机构用于将机架与负压桶锁定，在机架的前端还装有电磁铁，所述电磁铁的两侧水平对称地设置有一对支撑臂，所述支撑臂朝机架的前方弯曲，所述支撑臂的一端与机架转动连接，在支撑臂的前部装有纵向轮模组和周向轮模组，周向轮模组与纵向轮模组之间存在间距，所述支撑臂的后部与机架的前部之间设置弹性伸缩机构，所述弹性伸缩机构用于驱动支撑臂向前摆动，所述机架的底部装有距
离传感器，且在机架的前部装有光电传感器，该液压装置还包括控制器，所述距离传感器和光电传感器与控制器连接，所述控制器与抽吸泵、锁定机构、夹紧机构和电磁铁的驱动器装置连接，所述控制器用于控制抽吸泵、锁定机构、夹紧机构和电磁铁的动作。
12.作为优选方案：所述夹紧机构包括与输送管的端部连接的支撑板，所述支撑板的两侧水平对称地设置有一对夹臂，所述夹臂的中部与支撑板转动连接，在两组夹臂的后端之间设置有液压缸，液压缸的两端分别与两组夹臂的后端转动连接，所述夹臂的前端并位于夹臂的内侧设置有圆弧形的夹块，所述夹块与夹臂的前端转动连接，所述夹块用于夹住输送管和对接管的连接法兰。
13.作为优选方案：所述输送管的对接端的内侧同轴设置有环形的限位阶，所述密封圈设置在限位阶内，所述对接管的对接端的端面同轴设置有对接环，所述密封圈的高度小于限位阶的高度，使得密封圈的底面高于输送管的对接端的端面。
14.作为优选方案：所述密封圈的内侧部的高度大于其外侧部的高度，且其内侧部为中空的椭圆形结构。
15.作为优选方案：所述输送管的对接端的端面上同轴固定有垫圈，所述对接管的端面上同轴固定有至少两圈密接环，所述密接环位于垫圈的正下方。
16.作为优选方案：所述锁定机构包括固定在负压桶上的插接板、固定在机架侧部的套筒以及固定在套筒侧部的电磁锁，所述套筒为中空结构且其下端为开口，所述套筒用于供负压桶上的插接板插入，所述套筒的侧部开设有通孔，所述通孔用于供电磁锁的锁芯插入套筒内，所述插接板的上端开设有锁定孔，当插接板插入套筒内时，所述锁定孔与通孔对齐。
17.一种海上风电负压桶基座液压装置的控制方法，其特征是，沉入基座时：
18.s1、通过自动锁定机构将液压装置与负压桶锁定在一起，并将液压装置的输送管与负压桶的对接管完成对接，通过线缆将液压装置与船上的控制设备连接；
19.s2、打开第一控制阀并关闭第二控制阀，通过施工船上的起吊设备将负压桶起吊悬空并缓慢下放，使负压桶缓慢沉入海底，当负压桶达到海床时，其底部扣住海床，从而使负压桶内部形成密封空间，随后负压桶在其自身重力的作用下沉入海床下方一定深度，直至平稳保持在海床上，在此过程中负压桶内部的部分海水和扬起的泥沙依次通过对接管、输送管和排出管流出；
20.s3、关闭第一控制阀并打开第二控制阀，控制抽吸泵将桶体内的海水和泥沙抽出并通过抽吸管排出，使负压桶内部形成负压，在外界海水的压力下负压桶逐渐沉入海床下方，直至负压桶不能继续下沉，此时若需要负压桶上浮，则控制抽吸泵将外界海水反向输送至桶体内，使负压桶内的水压逐渐升高，利用压力差驱动负压桶上浮；
21.s4、关闭抽吸泵，断开输送管与对接管之间的连接，通过起吊设备将液压装置提升出海面；
22.在液压装置已经与桶体分离的情况下，浮起基座时：
23.a、通过起吊设备将液压装置下放至负压桶的支撑筒的外侧并调整液压装置的方位，给电磁铁通电使其产生磁力，从而使液压装置向支撑筒靠近，直至纵向轮模组与支撑筒接触，弹簧压缩，达到力的平衡状态；
24.b、控制纵向轮转动，使液压装置下沉，当液压装置与桶体的距离达到预设值时控
制纵向轮模组停止转动，使液压装置保持在当前高度位置，随后增大电磁铁的电流，使周向轮模组与支撑筒接触，控制周向轮模组转动，使液压装置绕支撑筒的周向运动，对液压装置进行周向的定位，当输送管的对接端对准对接管的对接端时减小电磁铁的电流，使纵向轮模组与支撑筒接触控制周向轮模组停止运动，接着再控制纵向轮模组转动，使液压装置继续下沉，直至插接板插入套筒内，此时对接管也与输送管对接连通，控制电磁锁将机架锁定在桶体上，并控制夹紧机构将对接处的连接法兰锁紧；
25.d、控制抽吸泵将外界海水送入桶体内，使负压桶上浮，最后控制电磁锁打开，将液压装置与负压桶分离。
26.作为优选方案，对液压装置进行周向定位的方法为：控制光电传感器的光发射器向支撑筒发出光线，反射回的光线被光电接收器接收到，并输出与反射光强度相对应的电信号，在支撑筒上贴有反光贴，控制液压装置以较快的速度正向移动，当光电传感器输出的信号发生跳变时控制液压装置逐渐减速并停止，接着控制液压装置以较慢的速度反向运动，当光电传感器输出的信号再次发生跳变时，立即控制液压装置停止运动，此时输送管刚好对准对接管。
27.与现有技术相比，本发明的优点是：该液压装置通过电磁铁和纵向、周向轮组的配合，可以将液压装置吸附在负压桶的支撑筒上，并精确控制液压装置的上下运动和绕支撑筒周向运动，实现液压装置的自动下沉和自动定位；且该液压装置带有夹紧机构，可以实现液压装置管路与负压桶管路的自动对接锁定。该液压装置可以取代人工，使用简单省力。
附图说明
28.图1为实施例一中的液压装置的整体结构示意图；
29.图2为图1中的a部放大图；
30.图3为实施例一中的负压桶基座的结构示意图；
31.图4为实施例一中的液压装置的工作状态示意图一；
32.图5为图4中的b部放大图；
33.图6为实施例一中的液压装置的工作状态示意图二；
34.图7为实施例一中的锁定机构的结构示意图；
35.图8为实施例一中的对接结构示意图；
36.图9为图8中的c部放大图；
37.图10为实施例一中的电路原理图。
38.附图标记说明:1、机架；2、抽吸泵；3、抽吸管；4、输送管；5、排出管；6、第一控制阀；7、第二控制阀；8、控制箱；9、夹紧机构；901、支撑板；902、夹臂；903、液压缸；904、夹块；10、连接座；11、支撑臂；12、纵向轮模组；13、周向轮模组；14、伸缩杆；15、弹簧；16、电磁铁；17、光电传感器；18、距离传感器；19、套筒；20、电磁锁；21、液压泵；22、浮筒；23、桶体；24、支撑筒；25、对接管；26、插接板；27、反光贴；28、通孔；29、锁定孔；30、密封圈；31、对接环；32、空腔；33、垫圈；34、密接环。
具体实施方式
39.实施例一：
40.参照图1和图2，一种海上风电负压桶基座液压装置，包括机架1，在机架1上装有双向式的抽吸泵2、抽吸管3、输送管4和排出管5。其中，抽吸管3的一端与抽吸泵2的一端连接，抽吸管3的另一端用于与负压桶外部的海水连通；输送管4的一端与抽吸泵2的另一端连接，输送管4的另一端用于与负压桶上的对接管25连接；排出管5的一端与输送管4的中段连通，排出管5的另一端用于排出负压桶内的海水。
41.在排出管5上装有第一控制阀6，第一控制阀6用于控制排出管5的通断。在输送管4与抽吸泵2连接的一端装有第二控制阀7，第二控制阀7用于控制输送管4的通断。
42.输送管4的对接端向下弯曲至竖直状态，以便于与负压桶上的对接管25对接，在输送管4的对接端上设置有夹紧机构9。夹紧机构9用于将输送管4与对接管25的端头夹紧固定。
43.如图2所示，夹紧机构9包括与输送管4的端部连接的支撑板901，在支撑板901的两侧水平对称地设置有一对夹臂902，即两组夹臂902的前端分别位于输送管4的对接端的两侧，夹臂902的中部与支撑板901转动连接，在两组夹臂902的后端之间设置有液压缸903，液压缸903的两端分别与两组夹臂902的后端转动连接。在夹臂902的前端并位于夹臂902的内侧设置有圆弧形的夹块904，夹块904与夹臂902的前端转动连接，夹块904的截面形状呈“c”形，即夹块904的内部形成夹口。在输送管4的对接端和对接管25的对接端上均设置有连接法兰，夹口用于夹住两片连接法兰。
44.液压缸903伸长时驱动两组夹臂902夹紧连接法兰，液压缸903缩短时驱动两组夹臂902远离连接法兰。在机架1上还装有用于驱动液压缸903的液压泵21。
45.参照图8和图9，本实施例中，在输送管4的对接端的内侧同轴设置有环形的限位阶，在限位阶内装有密封圈30，在对接管25的对接端的端面同轴设置有对接环31。密封圈30的高度小于限位阶的高度，使得密封圈30的底面高于输送管4的对接端的端面，以便于对接环31顺利进入输送管4内。
46.当对接环31进入输送管4内后，对接环31挤压密封圈30，再通过夹块904夹紧两块法兰，使得输送管4的端面和对接管25的端面互相挤紧，从而将密封圈30压得更紧，使得对接处具有良好的密封性。
47.本实施例中的密封圈30的内侧部的高度大于其外侧部的高度，且其内侧部为中空的椭圆形结构，即内侧部的内部带有椭圆形的空腔32，如此结构使得密封圈30的内侧部具有一定的形变空间。
48.对接时，对接环31进入输送管4内并与密封圈30的外侧部的底部抵紧，再通过夹块904扣住并夹紧两块连接法兰，实现对接处的密封。在液压装置工作的过程中，海水在输送管4内流动，此时海水的水压作用于密封圈30的内侧部，海水由内向外挤压密封圈30的内侧部，使得密封圈30的内侧部受压变瘪，密封圈30的内侧部挤压对接环31的内壁以及挤压输送管4的内壁，从而提高对接处的密封性。输送海水的流量越大，则海水水压越大，作用于密封圈30的内侧部的海水压力也就越大，即密封圈30的内侧部对对接环31和输送管4的内壁的挤压力就越大，对接处的密封性随之提高，保证对接处连接的可靠性。
49.本实施例中，还在输送管4的对接端的端面上同轴固定有垫圈33，在对接管25的端面上同轴固定有至少两圈密接环34，密接环34位于垫圈33的正下方。在对接过程中，当对接环31完全进入输送管4内后，密接环34挤压垫圈33，在夹块904的夹紧力作用下，密接环34与
垫圈33挤压得更紧，从而实现密封。
50.如此使得对接处具有三重密封结构，第一重密封结构为对接环31与密封圈30的外侧部之间的密封结构，第二重密封结构为密封圈30的内侧部与对接环31的内壁以及输送管4的内壁之间的密封结构；第三重密封结构为垫圈33与密接环34之间的密封结构。通过三重密封结构可以大大提高对接处的密封性，使得该液压装置能够适用于100米深的水下，而完全不会出现泄漏的情况。
51.在机架1的前端还装有电磁铁16，在电磁铁16的两侧水平对称地设置有一对支撑臂11，支撑臂11朝机架1的前方弯曲。支撑臂11的一端与连接座10转动连接，连接座10与机架1连接固定。在支撑臂11的前部装有电驱动的纵向轮模组12和周向轮模组13，周向轮模组13与纵向轮模组12之间存在间距。在支撑臂11与的后部与机架1的前部之间设置有伸缩杆14，伸缩杆14的两端分别与机架1的前部和支撑臂11的后部转动连接，在伸缩杆14上套有弹簧15，弹簧15用于驱动伸缩杆14伸长。
52.参照图4、图5和图6，纵向轮模组12和周向轮模组13均用于与支撑筒24的表面接触。
53.当电磁铁16通电时，其产生磁力，由于支撑筒24为钢筒，所以电磁铁16产生的磁力将机架1拉向钢筒，先是纵向轮模组12与支撑筒24接触，接触后磁力的拉拽使得支撑臂11转动一定角度，伸缩杆14缩短，弹簧15被压缩，直至达到力的平衡。此时纵向轮模组12贴紧支撑筒24的表面，而周向轮组件未与支撑筒24的表面接触，即处于悬空状态。
54.在此状态下，通过控制纵向轮模组12转动，即可驱动该液压装置沿支撑筒24的高度方向上下运动。
55.当电磁铁16通入更大的电流时，其产生更强的磁力，磁力将机架1与支撑筒24拉得更近，此时支撑臂11转动更大的角度，弹簧15被进一步压缩，支撑臂11的中部贴近支撑筒24，而支撑臂11的端部远离支撑筒24，周向轮模组13贴紧支撑筒24的表面，而纵向轮模组12远离支撑筒24而变为悬空，达到力的平衡状态。
56.在此状态下，通过控制周向轮模组13转动，可以驱动该液压装置沿支撑筒24的周长方向运动。
57.该液压装置还包括锁定机构，锁定机构用于将机架1与负压桶锁定。
58.参照图3和图7，本实施例中的锁定机构包括固定在负压桶的桶体23顶面的插接板26、固定在机架1侧部的套筒19以及固定在套筒19侧部的电磁锁20。套筒19为中空结构且其下端为开口，套筒19用于供插接板26插入。在套筒19的侧部开设有通孔28，通孔28用于供电磁锁20的锁芯插入套筒19内，在插接板26的上端开设有锁定孔29，当插接板26插入套筒19内时，锁定孔29与通孔28对齐。
59.当插接板26插入套筒19内后，通过对电磁锁20进行控制，使电磁锁20的锁芯伸出，此时锁芯穿过通孔28和锁定孔29，从而将套筒19与插接板26锁定在一起，即实现液压装置与桶体23之间的固定。控制电磁锁20的锁芯缩回即可将液压装置与桶体23解锁。
60.该液压装置适用于图7所示的负压桶基座。该基座包括桶体23和支撑筒24，支撑筒24的下端与桶体23的顶部连接固定。桶体23的顶部和侧部为密封结构，桶体23的下部的开口结构。本实施例中，还在支撑筒24上固定有反光贴27。
61.如图1所示，在机架1的底部装有距离传感器18，在机架1的前部装有光电传感器
17，光电传感器17集成有光发射器和光电接收器。
62.在机架1上还装有防水的控制箱8，控制箱8内装有控制器。
63.参照图10，控制器包括主控模块，还包括与主控模块连接的抽吸泵2驱动模块、电磁锁20驱动模块、纵向轮驱动模块、周向轮驱动模块、液压泵21驱动模块、电磁铁16驱动模块、第一阀门驱动模块、第二阀门驱动模块和通信模块；抽吸泵2驱动模块与抽吸泵2连接，用于驱动抽吸泵2；电磁锁20驱动模块与电磁锁20连接，用于驱动电磁锁20；纵向轮驱动模块与纵向轮模组12连接，用于驱动纵向轮模组12；周向轮驱动模块与周向轮模组13连接，用于驱动周向轮模组13；液压泵21驱动模块与液压泵21连接，用于驱动液压泵21；电磁铁16驱动模块与电磁铁16连接，用于驱动电磁铁16；第一阀门驱动模块与第一控制阀6连接，用于驱动第一控制阀6；第二阀门驱动模块与第二控制阀7连接，用于驱动第二控制阀7；通信模块与主控模块的通信串口连接，用于实现控制器与外部设备之间的通信。
64.距离传感器18和光电传感器17的信号输出端分别与主控模块的信号采样端连接。上述驱动模块的控制信号输入端与主控模块的控制信号输出端连接，上述驱动模块的控制信号输出端与各自的执行器的控制端连接。上述的各个传感器和模块需要连接各自的工作电源。
65.该液压装置通过线缆与船上的设备连接，线缆集成有电力电缆、通信线缆以及承力缆绳。
66.本实施例中，还在机架1的四角装有浮筒22，以起到抵消液压装置重力的以及平衡液压装置的作用。
67.实施例二：
68.一种海上风电负压桶基座液压装置的控制方法，具体为，沉入基座时：
69.s1、通过自动锁定机构将液压装置与负压桶锁定在一起，并将液压装置的输送管与负压桶的对接管完成对接，通过线缆将液压装置与船上的控制设备连接；
70.s2、打开第一控制阀并关闭第二控制阀，通过施工船上的起吊设备将负压桶起吊悬空并缓慢下放，使负压桶缓慢沉入海底，当负压桶达到海床时，其底部扣住海床，从而使负压桶内部形成密封空间，随后负压桶在其自身重力的作用下沉入海床下方一定深度，直至平稳保持在海床上，在此过程中负压桶内部的部分海水和扬起的泥沙通过依次通过对接管、输送管和排出管流出；
71.s3、关闭第一控制阀并打开第二控制阀，控制抽吸泵将桶体内的海水和泥沙抽出并通过抽吸管排出，使负压桶内部形成负压，在外界海水的压力下负压桶逐渐沉入海床下方，直至负压桶不能继续下沉，此时若需要负压桶上浮，则控制抽吸泵将外界海水反向输送至桶体内，使负压桶内的水压逐渐升高，利用压力差驱动负压桶上浮；
72.s4、关闭抽吸泵，断开输送管与对接管之间的连接，通过起吊设备将液压装置提升出海面；
73.在液压装置已经与桶体分离的情况下，浮起基座时：
74.a、通过起吊设备将液压装置下放至负压桶的支撑筒的外侧并调整液压装置的方位，给电磁铁通电使其产生磁力，从而使液压装置向支撑筒靠近，直至纵向轮模组与支撑筒接触，弹簧压缩，达到力的平衡状态；
75.b、控制纵向轮转动，使液压装置下沉，通过距离传感器实时检测液压装置距桶体
的距离，并将距离检测结果反馈给控制器，当距离达到预设值时控制纵向轮模组停止转动，使液压装置保持在当前高度位置，随后增大电磁铁的电流，使周向轮模组与支撑筒接触，控制周向轮模组转动，使液压装置绕支撑筒的周向运动，对液压装置进行周向的定位，当输送管的对接端对准对接管的对接端时(此时套筒也刚好位于插接板的正上方)减小电磁铁的电流，使纵向轮模组与支撑筒接触控制周向轮模组停止运动，接着再控制纵向轮模组转动，使液压装置继续下沉，直至插接板插入套筒内，此时对接管也与输送管对接连通，控制电磁锁将机架锁定在桶体上，并控制夹紧机构将对接处的连接法兰锁紧；
76.d、控制抽吸泵将外界海水送入桶体内，使负压桶上浮，最后控制电磁锁打开，将液压装置与负压桶分离。
77.本实施例中，对液压装置进行周向定位的方法为：控制周向轮模组正向转动，即液压装置绕支撑筒正向运动，在运动过程中控制光电传感器的光发射器向支撑筒发出光线，反射回的光线被光电接收器接收到，并输出与反射光强度相对应的电信号。由于在支撑筒上贴有反光贴，光线照射到反光贴和支撑筒外表面时反射回来的光的强度是有显著区别的，光电接收器产生的电信号也是有显著区别的。纵向轮模组和周向轮模组均采用步进电机驱动，通过向步进电机发送脉冲信号可以实现对纵向轮模组和周向轮模组的转动角度的精准控制。
78.控制液压装置以较快的速度正向移动，当光电传感器输出的信号发生跳变时控制液压装置逐渐减速并停止，接着控制液压装置以较慢的速度反向运动，当光电传感器输出的信号再次发生跳变时，立即控制液压装置停止运动，此时输送管刚好对准对接管。为保证定位精度，反光贴的宽度不宜过大。
79.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。