有效负载控制设备、方法和应用
【专利说明】
【背景技术】
技术领域
[0001]本发明的实施例大体上是在控制和/或定位不稳定介质(例如，空气、水)中的物理有效负载的领域中，且更特别地，涉及用于控制和/或定位不稳定介质中的有效负载和补偿由所述介质引起的起伏或其它不受控运动(例如，海浪动作)的方法和设备及其应用。
[0002]相关技术
[0003]起伏补偿大体上涉及调整或以其它方式补偿水面船只在船外悬挂于水体中、提升或下降通过水体和/或着陆于海底、水面平台或船坞或另一船舶上的设备的运动的系统。在所有这些情况中，由作用于水面船只上的波浪动作引起的所述水面船只的运动基本传递到，或者在一些情况下放大且传递到从所述船只通过绳索(rope)、缆绳(cable)、链条、皮带或者柔性或刚性的类似连接介质悬挂的有效负载。
[0004]图1和2所示为起伏补偿系统用于解决的问题的实例。具有甲板10的水面船只I在由水线2指示的水体的表面上浮动。甲板10架高于水线2上方，且有机器附加到甲板10。配置有起重机40或类似的提升机构，以便能够在船外提升有效负载60并通过绳索或缆绳30升高或降低所述有效负载60，所述绳索或缆绳30 —端连接到有效负载60，另一端连接到绞盘20。缆绳30经过船外滑轮50，在此处缆绳30的方向从接近水平改变为垂直。当停置时，缆绳30中的张力标称地等于有效负载60的重量加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。
[0005]在图2中，船只I因波浪动作而升高高于参考线100，船只I先前低于所述参考线100，如图1所示。这在有限的时段内发生，其中，船只1、且更特别地，船外滑轮50向上加速。船只I由于停在较接近甲板的由水线2指示的水中较深处而抵抗此加速。由于作用于有效负载60自身质量的重力加上在运动时作用于有效负载60上的水的迎面阻力，有效负载60也抵抗此加速。因此缆绳30中的张力增加，直到有效负载60的垂直速度等于或超过船外滑轮50的速度为止。缆绳30中的增加的张力可为极大值，且在系统的所有组件上引入负载，包括在甲板10、绞盘20、起重机40、船外滑轮50以及有效负载60上。整个系统必须经过工程设计，以在界定安全操作窗口的特定海洋状态的前提下承受将作用于系统上的力；否则，一个或另一个系统组件将发生故障，危及任务、设备、人员和/或有效负载。
[0006]当船只I的向上运动减速且随后开始下落回到或通过其起始位置时，所有的力和张力都减小，但机械故障的危险没有消失，只是被延迟直到所述运动停止为止。与重力一起作用以抵抗有效负载60向上移动也阻止有效负载60像仅有重力作用那样快地下落的相同的拖曳力将导致有效负载60下落。事实上，可能的是船外滑轮50可能比有效负载60更快地下落。这将允许缆绳30中的张力下降到零且松弛以在缆绳30的一或多个部分中积累。在此情况下，有效负载60向下加速，仅受其在水中的阻力抵抗而没有缆绳30的先前从上方支撑有效负载60的任何张力。当船外滑轮50的向下运动结束且随后反转时，缆绳30将在“突发载荷”情况中变为拉紧。突发载荷能够轻易地超过缆绳30的断裂强度和/或系统的其它机械组件的额定操作能力。缆绳30断裂和/或系统的其它组件的损坏可导致有效负载60的损失、时间和金钱的损失以及造成伤害或死亡。
[0007]可将起伏定义为船舶上由波浪动作引起的船外滑轮50的垂直运动，且采用起伏补偿系统使上述影响最小，从而加宽船舶及其机器在执行任务时的安全操作窗口。
[0008]图3所示为完全基于弹簧的无源起伏补偿系统的常规实例。所述系统是无源的，因为一旦开动，除了由船只和有效负载自身的运动引入到系统中的能量之外，所述系统不需要额外的能量。甲板10、绞盘20、缆绳30、船外滑轮50和有效负载60如之前附图中所示。船外滑轮50与前述一样由起重机40 (未图示)支撑。两个滑轮块70和80通过弹簧90彼此分离。滑轮块70固定在适当位置，且可称为“固定滑轮块”，而滑轮块80是可移动的，且可称为“飞行滑轮块(flying sheave-block) ”。飞行滑轮块80可选地在支撑结构(未图示)内垂直移动，所述支撑结构使飞行滑轮块80在固定滑轮块70上方稳定地处于中心。如所说明，弹簧90基本垂直定向，滑轮块70、80中的一个在另一个上方对齐，但水平布置也是可能的和常见的。在之前的图中从绞盘20传递直接经过船外滑轮50的缆绳30在此改为首先围绕固定滑轮块70和飞行滑轮块80两者形成一完整路径，然后取道经过船外滑轮50。说明了围绕滑轮块70、80两者的一个完整路径，但是也经常采用多遍路径，通常为2遍(机械上有利的为4遍)，以便飞行滑轮块80的较短游程能够以较强的弹簧为代价适应较长的起伏游程。其它滑轮布置也是可能的，且本领域的技术人员很容易理解。
[0009]图3A所示为图2中的机器对向上起伏情况的反应。向上起伏A增加缆绳30上的张力且使弹簧压缩，减小了滑轮块之间的距离B，且使缆绳30在滑轮块周围经过的某个部分释放，如图所示。在图3B中所示的向下起伏情况A期间，缆绳30上减小的张力将允许弹簧伸展，增大滑轮块之间的距离B，这又收紧绳索30中原本可能松弛的部分。可见，弹簧常数必须与负载匹配，所述负载包含有效负载60加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。如果忽略摩擦力，那么刚才描述的无源系统非常类似于插入在船外滑轮50与有效负载之间的绳索30中的弹簧70，如图4所示。
[0010]实际上，基于正在处置的负载的质量改变螺旋弹簧是不实际的。所述无源起伏系统中的弹簧改为“气体弹簧”，且典型的组件如图5中所示。气体弹簧200包括在活塞外壳220内自由移动的活塞210以及底部密封件230。活塞具有密封件211，防止气体在活塞210与活塞外壳220之间通过。活塞外壳220底部处存在管道，所述管道允许气体在活塞组合件239与蓄压器240之间自由通过。活塞外壳220内在活塞密封件211下方的体积连同蓄压器240内的体积一起构成一压力容器。通过一系列气瓶250中的管道，所述压力容器的体积进一步增大。所述气体通常为氮气或空气，但也可利用其它气体。随着活塞210推进到活塞外壳220中，密封件211下方的气体移位且因此在构成所述压力容器的所有组件内均匀地被压缩。忽略关于温度和非理想气体的众所周知的细节，根据波义耳定律(Boyles Law),压力P乘以体积V为常数，通过改变气体弹簧200的气体填充部分内的压力调整系统的弹簧常数。图5中的完全气动弹簧表示无源起伏弹簧，但出于一些对此处的讨论不重要的原因，通常使用组合式气体-流体弹簧(gas-over-fluid spring)，如图6中所示。在此类弹簧中，活塞外壳220在活塞密封件211下方填充有流体241，蓄压器242的实质部分以及连接活塞外壳220和蓄压器242的管道235也填充有所述流体241。当活塞210推进到活塞外壳220中时，其将液压流体移位到蓄压器的底部中，而不是直接压缩气体。气体-流体界面243在蓄压器240内。随着蓄压器240中的流体液位增加，流体以恰与图5的全气动版本中活塞自身相同的方式压缩蓄压器240的上部部分以及压力容器的其余部分中的气体。
[0011]通过改变压力容器中的压力很容易调整气体弹簧中的弹簧常数。
[0012]图7所示为所讨论的无源起伏补偿系统中的气体弹簧的主要组件。以上在此说明和讨论的系统具有单个气动或液压活塞，但在飞行滑轮块80与固定滑轮块70之间可以存在一个以上活塞(经常是两个)，它们馈通(feed)到同一个蓄压器240。
[0013]基于气体弹簧的无源起伏补偿系统广泛使用、简单，且在将缆绳30隔绝于张力的极端波动方面非常有效。然而，所述弹簧仅响应于在船外滑轮50处的绳