一种四绳电动升沉补偿系统的制作方法

本发明涉及海工装备领域，尤其涉及针对水下作业平台的升沉补偿的电动系统。

背景技术：

升沉补偿系统是为了减小海上环境恶劣对船舶等海上运输和水下作业平台在海上会受到风、浪、流、涌等的影响，提高其工作的安全性、稳定性和效率。在海浪等的影响下，通常船舶在X、Y、Z三轴上有6个自由度。本发明专利主要考虑其中升沉自由度的影响。水下作业平台在某一深度的海中作业，由于海浪等对船的作用，影响水下作业平台的不能稳定在海中某一位置，这明显影响作业效率、精度和稳定性。

因此在海中作业的设备通常需要安装升沉补偿系统。被动补偿是靠机械结构来实现升沉的补偿，具有补偿精度低，性能不稳定的特点。而传统的升沉补偿采用液压控制，具有效率低、能量回收效率低。由于同步困难只能使用一根钢丝绳时给系统带来的转动惯量大、系统造价高、使用成本高。为此急需一种升沉补偿的系统，来改善现有技术中存在的缺陷。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述技术问题，本发明提供了一种四绳电动升沉补偿系统，用于减弱海上运输和水下作业平台受到风、浪、流、涌等的影响，具有操作控制简单、补偿精度高、节能效果好、工作效率高、成本低、响应快的特点。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种四绳电动升沉补偿系统，由同步使用的四套单绳电动升沉补偿系统组成，该四套单绳电动升沉补偿系统分布在支撑于母船上的转盘上，其中每一套单绳电动升沉补偿系统均包括钢丝绳、折线卷筒、摩擦卷筒、驱动齿轮、齿条、动滑轮、定滑轮、补偿工况电机、收放工况电机、补偿工况行星减速器、收放工况行星减速器，钢丝绳穿过转盘，钢丝绳的下端接有水下作业平台，钢丝绳分别绕过定滑轮、动滑轮、摩擦卷筒、折线卷筒，动滑轮的端部与齿条固定连接，补偿工况电机的输出轴与补偿工况行星减速器的输入轴相连，收放工况电机的输出轴与收放工况行星减速器的输入轴相连，驱动齿轮安装在补偿工况行星减速器的输出轴上，齿条与驱动齿轮啮合，摩擦卷筒在收放工况电机以及收放工况行星减速器的驱动下实现水下作业平台的收放，折线卷筒与摩擦卷筒的运动相协调；

四绳电动升沉补偿系统还包括加速度传感器、压力传感器、主动补偿电机轴旋转编码器、PLC控制单元和主动补偿电机变频驱动系统，其中安装在母船上的加速度传感器用于检测船体升沉位移信号，安装于钢丝绳上的压力传感器用于检测钢丝绳张力信号，同时主动补偿电机轴旋转编码器将旋转角位移信号传递给PLC控制单元，PLC控制单元在收到船体升沉位移信号与主动补偿电机轴旋转的旋转角位移信号后，向主动补偿电机变频驱动系统发出信号，控制补偿工况行星减速器的输入轴正反向转动，使得齿条与动滑轮移动，进而带动钢丝绳按照与母船升沉相反的方向运动，以维持水下作业平台的绝对位置不变，实现升沉补偿功能。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，该四套单绳电动升沉补偿系统均匀分布在转盘上，任意组合使用，且通过转盘下设置的环形轨道的旋转释放水下作业平台在水中回转而引起钢丝绳之间的相互缠绕。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，升沉补偿工况与收放工况分开工作，升沉补偿工况的传动路线为补偿工况电机—补偿工况行星减速器—驱动齿轮—齿条—动滑轮，收放工况的传动路线为收放工况电机—收放工况行星减速器—摩擦卷筒。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，补偿工况通过驱动齿轮、齿条和动滑轮执行最终的操作，收放工况通过摩擦卷筒执行最终的操作。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，补偿工况时仅有齿条左右移动且摩擦卷筒锁死，收放工况时仅有摩擦卷筒工作。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，补偿工况行星减速器和收放工况行星减速器为三级行星齿轮减速器。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，补偿工况行星减速器输出的扭矩最大为10780Nm，传动比为102.75。

根据本发明的四绳电动升沉补偿系统的一实施例，每一套单绳电动升沉补偿系统还包括超级电容器。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的四绳电动升沉补偿系统由四套单绳电动升沉补偿系统布置在转盘上而同步使用，通过将以前单绳补偿系统完成的工作分配给四套系统共同完成。四套单绳工作原理完全相同，可以任意组合使用。这样可有效减小钢丝绳的尺寸，进而减小配套件的尺寸及转动惯量，提高了响应速度，具有动作快、灵敏度高的特点。

本发明的升沉补偿系统较之传统的液压设备，由于使用了齿轮啮合及齿轮齿条啮合传动方式，使得系统具有结构简单、工作效率高、零部件易实现国产化、成本低的特点。

传动部分使用大的减速比的行星减速器，减少中间传动的零部件，使传动部件结构简单，结构更加紧凑。

通过PID控制系统，机械结构实现同步，故由传统液压驱动中的单绳改变为四根钢丝绳，配套件转动惯量小，绳的刚性小，动作快，灵敏度高，占地也小。

而且，本发明的主动补偿的机制的原理是检测母船的运动，将母船信号传递给PLC控制单元，PLC控制单元驱动电机，电机通过行星减速器驱动相应的执行机构，从而改变钢丝绳在水中的长度，实现母船位移的补偿，具有适应性好，补偿精度高，补偿性能稳定的特点。

附图说明

图1示出了本发明的四绳电动升沉补偿系统的较佳实施例的原理图。

图2示出了本发明的四绳电动升沉补偿系统的俯视示意图。

图3示出了本发明的单绳电动升沉补偿系统的原理图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的四绳电动升沉补偿系统的较佳实施例的原理，图2是其俯视示意图，而图3示出了其中的一套单绳电动升沉补偿系统的原理。请结合图1至图3，下面是对本实施的四绳电动升沉补偿系统的原理的详细描述。

本发明的四绳电动升沉补偿系统适合于水下作业平台11的升沉补偿，由四套单绳电动升沉补偿系统并行工作而成，通过将以前单绳补偿系统完成的工作分配给这四套系统共同完成。这四套单绳工作原理相同，可以任意组合使用。

四套单绳升沉补偿系统分置于母船9的转盘14上并行工作，较佳的是均匀分布在转盘14上，可任意组合使用，且通过转盘14下设置的环形轨道的旋转可有效释放水下作业平台11在水中的回转引起钢丝绳之间的相互缠绕。

每一套单绳电动升沉补偿系统包括钢丝绳10、折线卷筒1、摩擦卷筒3、驱动齿轮6、齿条13、动滑轮7、定滑轮8、补偿工况电机、收放工况电机、补偿工况行星减速器5、收放工况行星减速器4。

高强度钢丝绳10穿过转盘14，下端接有水下作业平台11，分别绕过定滑轮8、动滑轮7、摩擦卷筒3、折线卷筒1。

动滑轮7的端部与齿条13固接，补偿工况电机的输出轴与补偿工况行星减速器5的输入轴相连，收放工况电机的输出轴与收放工况行星减速器4的输入轴相连。驱动齿轮6安装在补充工况行星减速器4的输出轴上。齿条13与驱动齿轮6啮合。摩擦卷筒3在收放工况电机以及收放工况行星减速器4的驱动下实现水下作业平台11的收放。折线卷筒1与摩擦卷筒3的运动相协调。

较佳的，补偿工况行星减速器5和收放工况行星减速器4为三级行星齿轮减速器，补偿工况行星减速器5输出的扭矩最大为10780Nm，传动比为102.75，具有传动比大的特点，这样可以减少中间减速器的使用，减少系统的质量。

此外，每一套单绳电动升沉补偿系统还包括超级电容器，超级电容器的储存能量效率高(瓦时效率可达95％)，与传统的液压系统的蓄能器相比节能效果明显，储能效率大幅提高。

四套单绳升沉补偿系统还包括加速度传感器、压力传感器、主动补偿电机轴旋转编码器、PLC控制单元和主动补偿电机变频驱动系统。

安装在母船9上的加速度传感器检测母船升沉信号，通过压力传感器检测钢丝绳张力信号，同时主动补偿电机轴旋转编码器的旋转角位移信号也传递给PLC控制单元。PLC控制单元收到船体升沉位移与主动补偿电机轴旋转角位移电信号后，依据制定好的控制策略向主动补偿电机变频驱动系统发出信号，控制补偿工况行星减速器5的输入轴正反向转动，使得齿条13与动滑轮7移动，进而带动钢丝绳10按照与母船升沉相反的方向运动，以维持水下作业平台11绝对位置不变，实现升沉补偿工况。对于水下作业平台11的收放工况，收放工况电机经大减速比的收放工况行星减速器4驱动摩擦卷筒3，进而实现水下作业平台11的收放工况，折线卷筒1与摩擦卷筒3的运动相一致。

四绳升沉补偿系统由四套单绳升沉补偿系统同步并行工作，四套单绳升沉补偿系统分置于转盘14上，同步完成水下作业平台11的收放和升沉补偿功能。对于水下作业平台11的收放工况，保持补偿工况的执行机构即齿轮齿条机构(包括驱动齿轮6、齿条13和动滑轮7处于恒定的位置而不动，收放工况电机通过高减速比的收放工况行星减速器4驱动摩擦卷筒3带动钢丝绳10运动，进而实现水下作业平台11的收放。升沉工况与收放工况分开工作，其中升沉补偿工况的传动路线为补充工况电机—补偿工况行星减速器5—驱动齿轮6—齿条13—动滑轮7，而收放工况的传动路线为收放工况电机—收放工况行星减速器4—摩擦卷筒3。补偿工况通过驱动齿轮6、齿条13和动滑轮7执行最终操作，仅有齿条13左右移动，此时摩擦卷筒3锁死。收放工况通过摩擦卷筒3执行最终操作，此时仅有摩擦卷筒3工作。

对于作业平台的收放工况，整个系统只有储缆绞车及其驱动部分、钢丝绳10、摩擦卷筒3及其驱动部分、动滑轮7、定滑轮8、钢丝绳10、水下工作平台工作。其中，动滑轮7和定滑轮8只绕自身轴的旋转，动滑轮7本身没有移动。当到达指定深度后，整个系统停止并使水下作业平台11停留在该位置。

对于该系统的主要工况，升沉补偿母船受海浪的影响作用。母船9随海浪上升、下沉时，水下作业平台11随之上升、下降。电动齿轮齿条升沉补偿系统通过安装在母船9上的加速度传感器检测母船升沉信号，通过压力传感器检测钢丝绳张力信号，同时主动补偿电机轴旋转编码器的旋转角位移信号也传递给PLC控制单元。PLC控制单元收到船体升沉位移与主动补偿电机轴旋转角位移电信号后，依据制定好的控制策略向主动补偿电机变频驱动系统发出信号，控制补偿工况行星减速箱5输入轴正反向转动，使得钢丝绳10按照与船体升沉相反的方向运动，以维持水下作业平台11绝对位置不变。

升沉补偿的特点是：此时升沉补偿部分工作而用于水下工作平台收放系统不工作，即摩擦卷筒3及储缆绞车不工作，与动滑轮7连接的齿条13及齿条的驱动部分工作。整个系统最终是通过转盘14与母船9连接，母船9在水的浮力下传递自重及水下工作平台的自重。当母船9受到外界扰动时，势必会通过钢丝绳10将该扰动传递到水下工作平台上，由此水下工作平台便有了位移、速度、加速度，这显然是我们所不愿看到的。当母船9有一个上升运动时，由于3000米钢丝绳作用而有一个滞后，此时水下工作平台也有一个滞后的向上运动的趋势。动滑轮7在升沉补偿电机的驱动下，与齿条13沿着滑轮导轨有一个向右的线位移，进而相当于放了一部分钢丝绳，这一部分的钢丝绳便用来平衡母船9向上运动带来的影响。反之，当母船9有一个向下的位移时，水下工作平台也有一个滞后的向下运动的趋势。动滑轮7在升沉补偿电机的驱动下，与齿条13沿着滑轮导轨有一个向右的线位移，进而相当于收了一部分钢丝绳，这一部分的钢丝绳便用来平衡母船9向下运动带来的影响。

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