一种用于海浪补偿的混联机构的制作方法

本发明属于海洋工程装备技术领域，具体涉及一种用于海浪补偿的混联机构。

背景技术：

海洋资源蕴藏丰富，不但包含大量传统能源诸如石油天然气，还包含丰富的可再生新能源。风力发电是新能源领域中技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的发电方式之一，各国纷纷视其为新能源战略中最重要的组成部分。我国海上风能资源丰富，近海5到25米水深线以内区域可装机容量约2亿千瓦，远海还有更为丰富的风资源。国家高度关注海上风电发展，陆续出行了一些指导文件和规定，以促进海上风电稳步发展。

但是，大力发展海上风力资源的同时也遇到了一些问题。其中缺乏专业的安装船舶资源大大限制了海上风机的发展，海上施工成本高、风险大。液压运动系统具有以下难点：与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场，常用的是固定式基础结构形式，风机轮毂高度80m～110m。风机平台经常需要维修和维护，然而海上风浪原因，人员从船上到平台上具有很大的危险性，非常需要海上补偿平台将人员和设备安全从船上运送到风机平台上。

目前关于混联机构的海浪主动补偿系统的研究在国外已经较为成熟，但并不能完全适用于国内状况。基于国内海浪补偿发展状况，对国内研究进展列举如下：国内初步研究波浪补偿技术的为华东石油学院的方华灿，他从七十年代开始对波浪补偿运用各种方式进行研究，主要包括海洋依船体为载体波浪补偿、大钩和钢丝绳等附属件的强度分析、海上游车以及附属载体上的波浪补偿结构设计和技术原理分析等，取得了一定的技术成果。济南大学的马汝建对波浪补偿结构进行动力学分析和补偿结构优化，利用频谱与数学分析的方法，计算出波浪补偿系统的动态响应特性和动态响应曲线，推算出大钩和钻井装置的动态载荷的计算公式，并对装置的疲劳强度和寿命进行理论性计算。我国的广东工业大学和中南大学在上述研究的基础上，提出了主动、被动波浪补偿系统，而且对上述系统进行仿真和试验研究。主动补偿是靠液压缸的活塞运动抵消波浪升沉，该装置控制精度较高，但是消耗能量较大。半主动补偿是靠平台随着波浪上升压缩蓄能器存储能量抵消波浪升沉，该装置控制精度不高，能源消耗量较小。中国石油大学的张彦廷在位移补偿上做了研究，主要把位移的动态变化作为控制信号，利用泵和阀联合控制的方式，该系统主要是液压缸的无杆腔承受外负载力，控制部分主要是对无杆腔的液体压力进行控制。该系统运用了液压泵和蓄能器联合作用与补偿液压缸，两液压补偿缸承并联形式，蓄能器在平台上升时储存的能量主要对补偿缸的无杆腔进行供油而液压泵主要是对补偿缸的有杆腔进行供油。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于海浪补偿的混联机构，该机构能够通过组合运动实现由于船舶动力定位无法精确补偿的水面位置误差(水平圆半径3m)、垂向位置误差(垂向2m)、三维姿态角误差(各项角度正负30°)，进而能够保障风电运维人员安全顺利走到风机平台(海油工人安全顺利走到石油平台)，也能够实现一定体积和重量的设备和物资运送到海上平台或舰船之间物资传送。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于海浪补偿的混联机构包括六自由度并联机构、三自由度串联机构、安装底；六自由度并联机构与三自由度串联机构之间通过铰支座连接；所述的六自由度并联机构包括上平台、铰支座、伺服油缸、下平台；伺服油缸以对称的空间几何结构分布在上平台下；伺服油缸两端通过十字轴承和铰支座与上、下平台固联；伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，上铰支座与运动平台下表面固连；伺服油缸缸底与下铰支座铰接，下铰支座与下平台上表面固连；下平台通过地脚螺栓与甲板固连；所述的三自由度串联机构自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩机构；回转机构方位旋转角度为360°，以液压马达作为执行元件；回转机构包括输出轴和回转平台；输出轴上装有小齿轮，回转平台与回转大齿轮固定在一起，小齿轮与回转大齿轮相啮合；伸缩机构包括绞车、钢丝绳、舷梯，绞车通过钢丝绳与舷梯连接；俯仰机构包括液压缸，液压缸一端连接回转平台，另一端与舷梯连接。

所述的六自由度并联机构的基本构件为型材和钢板焊接的箱体结构。

所述的伺服油缸为单出杆非对称缸，全行程同轴安装内置式位移传感器，通过伺服阀控制。

所述的六自由度并联机构通过十字轴承铰接，十字轴承的大、小轴均为两端铰支受力；每一副十字轴上安装有四套圆锥滚子轴承。

所述的液压缸伸出和缩回的最大速度为6m/min，舷梯俯仰的角度极限为上仰极限20°、下俯极限-20°。

所述的回转机构最快每分钟回转一圈，回转平台最大横倾角度为5°，最大纵倾角度为5°。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明能够提供高海况条件下(4级海况、8级海风)的海浪补偿能力，保证恶劣天气下的海上平台的运维工作的正常进行；

(2)本发明的位置和姿态的主动补偿范围较大，可实现水面位置误差(水平圆半径3m)、垂向位置误差(垂向2m)、三维姿态角误差(各项角度正负30°)的补偿范围；

(3)本发明的补偿精度高，混联机构末端与海上平台是非固连式的接触连接方式，可实现位置和姿态无误差方式的可靠式补偿；

(4)本发明混联机构的廊桥部分采用全铝合金材料，通过动载荷校核计算，保证系统在满足工作任务负载条件下，具有重量轻，整机功率小的特点。

附图说明

图1为混联机构的海浪主动补偿系统图；

图2为六自由度并联液压结构图；

图3为六自由度并联液压平台包络图；

图4为三自由度串联机构组成图；

图5为三自由度串联机构工作空间示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明涉及海洋工程装备技术领域，具体设计一种用于海浪补偿的混联机构，该混联机构能够根据检测到的运维船受海浪影响后的姿态和位移，通过控制混联机构的执行机构实现相应的姿态和位置补偿，进而保障维修人员携带设备安全平稳到海上平台。本发明借鉴其他学者的研究经验，针对我国风力发电发展现状，设计一种可以应对高海况恶劣天气并且能够高精度补偿较大范围扰动的轻型混联机构，应用于登乘海上平台的海浪补偿系统。针对现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种大范围姿态和位置的海浪主动补偿机构。本发明根据海上平台(如石油平台和风机平台)维修的需要，设计一种用于海浪补偿的混联机构。该混联机构主要由六自由度并联机构、三自由度串联机构、安装底座：六自由度并联机构由六个伺服油缸和上平台组成，主要补偿运维船受海浪影响的三维姿态(俯仰、横滚、航向)；三自由度串联机构由回转机构、俯仰机构和伸缩机构组成，能够补偿运维船受海浪影响的三维方向位移；安装底座用于将混联机构固定在运维船甲板上。本发明为海上平台的安全维修和稳定运行提供了解决方案。

实施1：如附图1所示，该混联机构主要由六自由度并联机构、三自由度串联机构、安装底座：六自由度并联机构由六个伺服油缸和上平台组成，主要补偿运维船受海浪影响的三维姿态(俯仰、横滚、航向)；三自由度串联机构由回转机构、俯仰机构和伸缩机构组成，能够补偿运维船受海浪影响的三维方向位移；安装底座用于将混联机构固定在运维船甲板上。三自由度串联机构与六自由度并联机构之间通过铰支座组成。

实施2：附图2中编号说明：1.上平台，2.上铰支座，3.伺服油缸，4.下铰支座，5.地脚螺栓，6.下平台。

六自由度并联平台由六台铰支座与六台伺服油缸构成。如附图2所示，六自由度并联机构主要执行机构为六台伺服油缸，在计算机控制下，六台伺服油缸协调同步的运动，驱动平台实现海浪主动补偿，并实时的进行故障检测与安全保护，实时的进行运动参数的测试与传输。六自由度运动平台的基本构件为型材和钢板焊接的箱体结构，以确保足够的刚度和强度，六台伺服油缸以对称的空间几何结构支撑着运动平台，油缸两端通过十字轴承、铰支座与上、下平台固联。六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，上铰支座与运动平台下表面固连，伺服油缸缸底与下铰支座铰接，下铰支座与下平台上表面固连。下平台通过地脚螺栓与甲板固连，为运动补偿提供安全可靠的支撑。伺服油缸是单出杆非对称缸，全行程同轴安装内置式位移传感器，由伺服阀控制实现要求的运动。

六自由度并联平台使用的十字轴承铰接方式。十字轴承的大、小轴均为两端铰支受力状况好，承载能力强，相对运动时产生滚动摩擦，摩擦阻力小。在每一副十字轴上安装四套的圆锥滚子轴承来保证运动副的动态性能。该六自由度并联平台运动包络图如附图3所示。

实施3：如附图4所示，三自由度串联机构自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥。上平台主要用于上平台与海上平台的对接，能够补偿较大海浪和海平面在不同季节情况下六自由度并联平台无法补偿的空间位移和航向角度。回转机构具有360°全方位旋转角度，补偿廊桥在航向角度上偏差，以液压马达作为执行元件；俯仰机构能够补偿廊桥在俯仰角度上的偏差，采用双液压缸作为执行元件；伸缩功能的廊桥能补偿空间位移上的偏差，采用直流无刷电机加双向缆绳方式控制廊桥的伸缩。

回转机构由2台液压马达驱动2个装在回转机构输出轴上的小齿轮转动，2个小齿轮与回转大齿轮相啮合，从而带动与回转大齿轮固定在一起的回转平台绕中心轴转动。回转平台最快每1分钟回转一圈，机构的回转能力按照回转平台最大横倾角度5°，最大纵倾角度5°计算。一次性最大可以同时容纳5人站立。

俯仰机构由两个液压缸组成。液压缸的伸出和缩回分别引起固定舷梯和伸缩舷梯的上仰和下俯，液压缸伸出和缩回的最大速度为6m/min，舷梯俯仰的角度极限为上仰极限20°、下俯极限-20°。

伸缩机构主要包含绞车、钢丝绳、滑轮组、定位、缓冲装置等。由绞车通过钢丝绳的牵引来实现伸缩舷梯的往复移动。该三自由度串联机构的工作空间如附图5所示。