一种海上作业用布放回收系统的制作方法

本发明涉及海上作业领域，尤其涉及一种海上作业布放回收系统。

背景技术：

海洋面积占据地球总面积的70％，其蕴含有丰富的渔业、油气及矿藏资源。为了有效开发海底资源，人类的作业范围逐渐向不同海域延伸，各种作业功能、性能的水下机器人、水下平台相继开发。

而海上作业用布放回收系统可实现水下作业设备的布放和回收，其在海上作业领域应用广泛。布放回收系统安装在工作母船上，通常情况下，绞车驱动件直接驱动绞盘和轴共同旋转或是直接驱动绞盘旋转，并通过改变绞盘旋转的方向实现水下作业设备的布放和回收，绞车驱动件和绞盘之间采用刚性连接结构。然而由于海洋作业环境的特殊性，海上作业平台受风浪和洋流影响会产生不规则的摇荡、升沉运动，如果海浪过于强烈，会带动水下设备上下运动，此时与水下设备连接的拉索会产生大的动载荷，容易导致作业失败，造成昂贵的水下作业设备的损毁或丢失。

由于绞车驱动件和绞盘之间采用刚性连接结构，现有的方式是在绞盘驱动件上设计相应的波浪补偿控制算法实现布放回收系统波浪补偿。但由于绞盘转动惯量大，使得绞盘驱动件所需容量大，因此，对应的补偿控制系统的延时大，造成控制系统复杂(需增加大量传感器、船体姿态解算，预测等)，波浪补偿效果差；同时，若波浪补偿控制算法设计不合理，不但无法起到波浪补偿效果，甚至会加剧波浪对布放回收系统的破坏。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作方便、波浪补偿效果好，且占用空间小、系统安全可靠性高的海上作业布放回收系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种海上作业用布放回收系统，包括牵引组件和波浪补偿装置，所述牵引组件包括绞盘、设于绞盘内的绞盘转轴，以及与绞盘转轴驱动连接的绞盘驱动件，所述绞盘转轴可转动的安装于所述绞盘上，所述波浪补偿装置包括控制器、用于检测绞盘与绞盘转轴相对转动角度的检测组件、用于将绞盘转轴的驱动力矩传递至绞盘的传动齿轮，以及用于调整绞盘与绞盘转轴相对转动角度的补偿齿轮，所述控制器根据检测组件的检测信号发生控制指令给补偿齿轮，以调节补偿齿轮的输出力矩；所述传动齿轮及补偿齿轮设于所述绞盘内，并与所述绞盘啮合传动。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述波浪补偿装置还包括液压马达和限位组件，所述液压马达的转轴与传动齿轮连接，所述限位组件包括保证绞盘转轴的输出力矩与绞盘的转动力矩相等的第一限位件、以及用于在系统稳定状态时与第一限位件限位配合的移动配合块，所述移动配合块螺接于所述液压马达转轴上，所述液压马达及第一限位件与绞盘转轴固定连接。

所述限位组件还包括用于限制绞盘与绞盘转轴最大角度差的第二限位件，所述第二限位件在绞盘到达预设最大转动行程时与移动配合块限位配合，所述第二限位件与绞盘转轴固定连接。

所述液压马达连接有用于控制马达输出力矩的可控压力源、以及用于保证液压马达两端压力恒定的保压阀组，所述保压阀组设于所述液压马达的两端，所述可控压力源通过保压阀组连接于液压马达的一端。

所述保压阀组包括两个液压换向阀，两所述液压换向阀为三位四通换向阀。

所述检测组件包括位置传感器，所述位置传感器设于所述液压马达转轴外侧，并与移动配合块感应配合；所述补偿齿轮连接有控制电机，所述控制器根据位置传感器的检测信号发生控制指令给控制电机，以调节补偿齿轮的输出力矩。

所述液压马达及控制电机均通过安装组件安装于所述绞盘转轴上，所述安装组件包括安装支架及支架轴承，所述液压马达及控制电机的两端通过支架轴承安装于安装支架上，所述安装支架套设于所述绞盘转轴上。

一种海上作业用布放回收系统还包括工作船体、吊臂及拉索，所述吊臂的一端铰接于工作船体上，另一端设有牵引定滑轮，所述拉索的一端绕设于绞盘上，所述拉索的另一端绕过牵引定滑轮与水下作业设备连接。

一种海上作业用布放回收系统还包括拉动吊臂沿铰接点转动变幅的驱动杆，所述驱动杆的两端分别与工作船体及吊臂铰接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的绞盘转轴可转动的安装于绞盘上，绞盘和中心轴之间通过传动齿轮将绞盘转轴的驱动力矩传递至绞盘，且控制器根据绞盘与绞盘转轴相对转动角度的检测信号发出控制指令给补偿齿轮，以调节补偿齿轮的输出力矩，进而调整绞盘与绞盘转轴之间的相对角速度和角速度位移起到柔性传动的作用，从而实现波浪补偿功能，其操作方便，且避免了绞车驱动件与绞盘刚性连接时采用波浪补偿控制算法波浪补偿效果差的问题，其补偿控制系统效率高，波浪补偿效果好。同时，传动齿轮及补偿齿轮设置于绞盘内，使得增加的传动结构无需占用额外的安装空间，其占用空间小、结构简单紧凑，且传动结构无需和外部工作环境接触，系统安全可靠性高。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明绞盘的内部结构示意图。

图3是本发明液压马达的安装示意图。

图4是本发明液压传动机构的结构示意图。

图5是本发明液压传动机构的受力情况示意图

图6是本发明液压系统的工作原理图。

图7是本发明液压马达在无外力矩作用时的工作原理图。

图8是本发明液压马达在有外力矩作用时的工作原理图。

图9是本发明移动配合块的位置与控制电机的关系示意图。

图中各标号表示：

1、牵引组件；11、绞盘；12、绞盘转轴；13、绞盘驱动件；14、吊臂；15、拉索；16、牵引定滑轮；17、驱动杆；2、波浪补偿装置；21、传动齿轮；22、补偿齿轮；23、液压马达；24、限位组件；241、第一限位件；242、移动配合块；243、第二限位件；244、配合螺纹；25、可控压力源；26、液压换向阀；3、位置传感器；4、安装组件；41、安装支架；42、支架轴承；5、工作船体；6、水下作业设备。

具体实施方式

下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本实施例的海上作业用布放回收系统，包括牵引组件1和波浪补偿装置2。其中，牵引组件1用于带动水下作业设备6升降以进行布放回收作业；波浪补偿装置2安装在工作船体5的甲板上，用于进行水下作业设备6的波浪补偿，以削弱波浪对水下设备破坏；水下作业设备6包括水下有缆机器人、水下无缆机器人等水下作业机器人。本实施例中，牵引组件1包括绞盘11、绞盘转轴12及绞盘驱动件13，其中，绞盘驱动件13与绞盘转轴12驱动连接，绞盘转轴12通过轴承可转动的安装于绞盘11上。波浪补偿装置2包括控制器、检测组件、传动齿轮21及补偿齿轮22。其中，检测组件设于绞盘11内检测绞盘11与绞盘转轴12之间的相对转动角度；传动齿轮21及补偿齿轮22设于绞盘内，且传动齿轮21及补偿齿轮22与绞盘11啮合传动，传动齿轮21用于将绞盘转轴12的驱动力矩传递至绞盘11，以提供绞盘11正常工作所需力矩，补偿齿轮22用于调整绞盘11与绞盘转轴12的相对转动角度，进行绞盘11动态力矩补偿；控制器根据检测组件的检测信号发生控制指令给补偿齿轮22，以调节补偿齿轮22的输出力矩。

本发明的绞盘转轴12可转动的安装于绞盘11上，绞盘11和绞盘转轴12之间通过传动齿轮21将绞盘转轴12的驱动力矩传递至绞盘11，且控制器根据绞盘11与绞盘转轴12相对转动角度的检测信号发出控制指令给补偿齿轮22，以调节补偿齿轮22的输出力矩，进而调整绞盘11与绞盘转轴12之间的相对角速度和角速度位移起到柔性传动的作用，从而实现波浪补偿功能，其操作方便，且避免了绞盘驱动件13与绞盘11刚性连接时采用波浪补偿控制算法波浪补偿效果差的问题，其补偿控制系统效率高，波浪补偿效果好。同时，传动齿轮21及补偿齿轮22设置于绞盘11内，使得增加的传动结构无需占用额外的安装空间，其结构简单紧凑，且传动结构无需和外部工作环境接触，系统安全可靠性高。

本实施例中，液压马达23和补偿齿轮22的控制电机的数量可以根据现场情况进行调整，具体需考虑的因素包括液压马达23和控制电机的输出力矩、绞盘11正常工作所需的最大力矩、绞盘尺寸等因素。其中，传动齿轮21负责将绞盘转轴12力矩传送至绞盘11上，只要绞盘转轴12提供的力矩小于液压马达23能够提供的最大力矩，传动齿轮21和绞盘11之间不会产生相对转动，绞盘转轴12力矩直接通过液压马达23、传动齿轮21传递至绞盘11上。如果绞盘转轴12提供的力矩大于液压马达23能够提供的最大力矩，液压马达23受到液压阀组控制，会始终输出恒定力矩给绞盘11，此时绞盘11和传动齿轮21之间会产生相对转动，通过补偿齿轮22的控制电机的力矩输出，实现布放回收系统的波浪补偿。

如图3、图4所示，本实施例中，波浪补偿装置2还包括液压马达23和限位组件24，其中，液压马达23的转轴与传动齿轮21连接；限位组件24包括保第一限位件241及移动配合块242，液压马达23及第一限位件241与绞盘转轴12固定连接，以保证液压马达23及第一限位件241的力矩可传递至绞盘转轴12。本实施例中，液压马达23的转轴上设有配合螺纹244，移动配合块242螺接于配合螺纹244上，在系统稳定状态时，移动配合块242沿液压马达23转轴的轴向移动，并与第一限位件241限位配合，其有效保证了绞盘转轴12的输出力矩与绞盘的转动力矩在系统稳定状态时相等。

本实施例中，限位组件24还包括第二限位件243，第二限位件243与绞盘转轴12固定连接，以保证第二限位件243的力矩可传递至绞盘转轴12。第二限位件243在绞盘11到达预设最大转动行程时与移动配合块242限位配合，使得液压马达23只能在一定角度范围内工作，用于限制绞盘11与绞盘转轴12间的最大角度差，防止由于波浪补偿过于灵敏阻碍布放回收系统正常工作的现象发生。本实施例中，第一限位件241及第二限位件243为限位栓。

具体的，如图5所示，t1为液压马达23输出给液压马达23的转轴的力矩，t1'为液压马达23的转轴反作用给液压马达23的力矩，t1'＝t1，t1与t1'为作用力与反作用力的关系。t2为限位栓给液压马达23的转轴的力矩，t2'液压马达23的转轴反作用给限位栓的力矩，t2'＝t2，t2与t2'为作用力与反作用力的关系。t3为传动齿轮21作用在液压马达23的转轴上的力矩，t3'为液压马达23通过传动齿轮21输出至绞盘11的力矩，t3'＝t3，t3与t3'为作用力与反作用力的关系。t负载表示拉索15作用在绞盘11的力矩，稳定状态下：t负载＝t3'，即作用在绞盘11上的和力矩为零。t转轴表示绞盘转轴12的输出力矩。

本实施例中，当布放回收系统处于稳定时：t1＝t2+t3，t1'＝t2'+t转轴，因此有t转轴＝t3，即传动齿轮21输出的力矩等于绞盘转轴12输入的力矩。即当t负载小于t1时，t3'＜t1，则t3＜t1，此时液压马达23会驱动液压马达23的转轴旋转，推动移动配合块242向左移动，直至移动至第一限位件241限位配合，此时，第一限位件241会给液压马达23的转轴作用力t2，并且达到平衡状态：t1＝t2+t3，而此时作用在绞盘转轴12的力矩分别是t转轴、t1'和t2'。如果t转轴小于t负载，绞盘11会按照与t转轴方向相反的方向旋转，相当于此时绞盘11处于放缆状态；如果t转轴大于t负载，绞盘11会按照与t转轴方向相同的方向旋转，相当于此时绞盘11处于回收状态。但无论是哪种状态，此时移动配合块242会始终和第一限位件241限位配合，忽略齿轮，绞盘转轴12等机构的传动惯量的影响，方程式t1＝t2+t3和t1'＝t2'+t转轴近似成立，所以t转轴＝t3近似成立，绞盘11旋转角加速度由t负载和t转轴大小决定。

本实施例中，如果负载力矩t负载大于液压马达23提供的力矩t1时，t3'和t3也会大于t1，移动配合块242在移动到第二限位件243之前，液压马达23的转轴只受到t3和t1力矩，此时液压马达23的转轴会沿着t3旋转，直至移动配合块242到达第二限位件243位置，此时达到一种新的平衡状态，限制绞盘11与绞盘转轴12之间的最大角度差。

本实施例中，液压马达23连接有可控压力源25及保压阀组。其中，保压阀组设于液压马达23的两端，用于保证液压马达23两端压力恒定；可控压力源25通过保压阀组连接于液压马达23的一端，用于控制液压马达23的输出力矩。本实施例中，保压阀组需要根据绞车大小、拉索长度、水下作业设备重量调节可控压力，保证液压马达23输出力矩既要大于布放回收系统正常工作需求，同时要小于拉索15在满足安全系数情况下的最大力矩需求。

如图6所示，本实施例中，保压阀组包括两个液压换向阀26，两个液压换向阀26设于液压马达23两端的油路上，两液压换向阀26为三位四通换向阀。具体的，在液压马达23无外力矩作用时，如图7(a)所示，假设可控压力为零，液压马达23上承受的负载力矩为零，在弹簧预压力1和预压力2的作用下，油液从a口流入液压马达23的两端，并在两端建立压力；当液压马达23两端压力达到预压力值时，液压马达23两端的液压换向阀26向右端移动至平衡状态。此时液压马达23两端所产生的压力相同，并且处于静止状态。如图7(b)所示，假设可控压力为零，液压马达23上承受了使液压马达23顺时针旋转力矩，液压马达23右端压力有上升的趋势，而左端会有下降的趋势，使得液压马达23右端的液压换向阀26向右边移动，左端的液压换向阀26向左边移动，在不影响液压马达23顺时针旋转的前提下保持左右两端油液压力为预压力值。如图7(c)所示，假设可控压力为零，液压马达23上受到了使液压马达23逆时针旋转的力矩时，液压马达23右端压力有下降趋势，使得右端的液压换向阀26向左滑动，液压马达23左端油液压力有上升趋势，使得左端的液压换向阀26向右移动，最终液压马达23逆时针旋转的同时保持液压马达23左右两端油液压力为预压力值。

本实施例中，在液压马达23有外力矩作用时，如图8(a)所示，假设液压马达23上承受的负载力矩为零，可控压力从零开始增加，液压马达23右端的液压换向阀26向左移动，油液从a端流入液压马达23右端，保持液压马达23右端液压始终等于预压力2和可控压力之和；由于液压马达23右端压力升高，产生逆时针方向力矩t1，液压马达23开始逆时针方向旋转，从而促使其左端油液压力升高，推动液压马达23左端的液压换向阀26向右移动，并保持液压马达23左端压力始终为预压力值。如图8(b)所示，可控压力保持固定，并在液压马达23上施加顺时针方向旋转力矩t2，并且t2小于t1。根据液压换向阀26的特性，作用在液压马达23两端的油液压力保持不变，即液压马达23的输出力矩t1保持不变，此时液压马达23仍然保持逆时针方向旋转。如图8(c)所示，可控压力保持固定，增加作用在液压马达23上得顺时针力矩t2，使得t2大于t1。液压马达23顺时针方向旋转，并且使得液压马达23右端压力有上升的趋势从而推动液压马达23右端的液压换向阀26向右移动，液压马达23左端压力有下降趋势，从而推动液压马达23左端的液压换向阀26向左移动，并且保持液压马达23两端压力恒定，液压马达23输出力矩恒定。从上述受力和运动分析可以看出，在两液压换向阀26的作用下，液压马达23右端压力始终等于预压力加上可控压力，左端压力始终等于预压力值，从而使液压马达23产生恒定的力矩输出，液压马达23恒定输出力矩与液压马达23受力外力矩及转动方向无关。

本实施例中，检测组件包括位置传感器3，位置传感器3设于液压马达23的转轴的外侧，并与移动配合块242感应配合，位置传感器3用于记录液压马达23的旋转位置；补偿齿轮22连接有控制电机，控制器根据位置传感器3的检测信号发生控制指令给控制电机，以调节补偿齿轮22的输出力矩，进而调整绞盘11与绞盘转轴12之间的相对角速度和角速度位移起到柔性传动的作用。如图9所示，控制电机根据移动配合块242的移动位置调整输出力矩，即移动配合块242向第二限位件243移动时控制电机的输出力矩相应增加。

本实施例中，液压马达23及控制电机均通过安装组件4安装于绞盘转轴12上，安装组件4包括安装支架41及支架轴承42，液压马达23及控制电机的两端通过支架轴承42安装于安装支架41上，安装支架41套设于绞盘转轴12上，其安装结构简单。

本实施例中，海上作业用布放回收系统还包括工作船体5、吊臂14及拉索15。其中，吊臂14的一端铰接于工作船体5上，吊臂14的另一端设有牵引定滑轮16；拉索15的一端绕设于绞盘11上，拉索15的另一端绕过牵引定滑轮16与水下作业设备6连接，通过绞盘11的正反向转动带动拉索15升降即可实现水下作业设备6的布放回收。当工作水域发生波浪时，工作船体5通常会发生摇晃，包括纵摇、艏摇、横摇三个自由度的旋转运动，安装的布放回收系统容易受到工作船体5横摇的影响，横摇会带动吊臂14摇动，进而带动牵引的水下作业设备6上下振动。通常拉索15能够承受的最大拉力和设计载荷物的重量有关，当工作船体5发生横摇时，水下作业设备6上下振动产生的作用力使得拉索15的拉力会发生周期性动态变化，通常称之为动态载荷。在系统设计之初，往往考虑了动态载荷对拉索15的影响，因此，拉索15和整个布放回收通常能够承受一定波浪等级。但当摇晃严重时，动态载荷会随之增加，如果不做波浪补偿，可能会损坏布放回收系统，造成水下作业设备6的丢失。

在优选实施例中，海上作业用布放回收系统还包括驱动杆17，驱动杆17的两端分别与工作船体5及吊臂14铰接，拉动吊臂14沿铰接点转动变幅。本实施例中，绞盘驱动件13为液压马达23，在其他实施例中，也可为电机。

本实施例中，当拉索15作用在绞盘11上的力矩小于绞盘11内部通过液压阀组限制的最大力矩时，布放回收系统不会产生波浪补偿效果，绞盘转轴12与绞盘11没有相对转动，绞盘11的旋转完全受绞盘驱动件13控制，即通过绞盘驱动件13带动绞盘11顺时针或者逆时针转动即可实现对水下作业设备6的布放和回收，本发明绞车的工作过程与常规绞车相同，为刚性传动关系。当波浪带动船身晃动，作用在拉索15上的瞬时载荷动态变化，对应在绞盘11上产生的载荷力矩也会随之发生变化，如果某一时刻作用在绞盘11对应的载荷力矩超出液压阀组限制的最大力矩时，即作用在绞盘11的力矩超过波浪补偿系统允许的最大力矩时，绞盘驱动件13提供的力矩不足以驱动绞盘11和绞盘转轴12同步旋转，此时，绞盘驱动件13和绞盘11之间不再是刚性传动关系，绞盘11和绞盘转轴12会产生相对角速度和角速度位移，通过位置传感器3校测绞盘11和绞盘转轴12之间的相对角速度和角速度位移，并将该检测信号传送给控制器控制补偿齿轮22的控制电机，从而调节绞盘11和绞盘转轴12之间的相对角速度和角速度位移，实现绞盘11和绞盘驱动件13柔性传动效果，其有效减小了作用在拉索15上的载荷变化程度，从而缓解了水下作业设备6的振动程度，降低了波浪对布放回收系统的影响。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。