本发明涉及海上机械设备技术领域，具体涉及一种用于海上人员转移作业的波浪补偿舷梯装置及控制方法。
背景技术：
21世纪是海洋经济可持续发展的时代，海洋是自然资源的宝库。越来越多的船舶和海上作业平台被投入使用。如海上大型石油、天然气开发平台，风电场与海上变电站，浮式码头与海上生活平台等。然而海上环境恶劣、可进入性差。深海作业船舶受到深海风浪和海浪的影响，不可避免地产生显著的升沉、摇摆、平移运动，对船舶到离岸设施人员与设备转移带来了巨大挑战。
国内目前对这方面的研究比较少，从业人员对深海离岸设施的维护通常采用直升机转运的方式。然而，直升机转机的可行性和安全性总是存在争议，采用直升机作为离岸设施登入方式只转移有限的工作人员和设备，并且其操作成本高，每个离岸设施都需要一个起重平台。安全的飞行可能会受到有限的能见度和高风速的阻碍。如果发生事故，造成人员伤亡的可能性很高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于用于海上人员转移作业的波浪补偿舷梯装置及控制方法，该装置用于通过控制系统、机械系统和液压系统这三个子系统进行波浪补偿，以使连接在船舶与离岸设施之间的舷梯尽量保持稳定以使工作人员平稳安全的进行转移作业。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种用于海上人员转移作业的波浪补偿舷梯装置，其特征在于：它包括补偿底座部分、主架部分和伸缩舷梯、回转装置，其中，补偿底座部分包括基板、支撑万向节、第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和门座，所述回转装置包括上法兰、转盘齿轮、驱动齿轮、马达和下法兰，所述基板的顶面中部与门座底面中部之间设置支撑万向节，基板的顶面一侧和门座的底面一侧之间设置第一补偿液压缸，基板的顶面另一侧和门座的底面另一侧之间设置第二补偿液压缸，门座的顶部固定下法兰，主架部分的底面固定上法兰，转盘齿轮同轴固定在上法兰上，转盘齿轮通过轴承连接下法兰，马达安装在门座上，马达的转轴安装驱动齿轮，驱动齿轮与转盘齿轮啮合；
主架部分上部设置有传送甲板，传送甲板与伸缩舷梯固定端的底部交接，主架部分的顶部分别铰接第一俯仰液压缸和第二俯仰液压缸的缸体，伸缩舷梯固定端的顶部分别铰接第一俯仰液压缸和第二俯仰液压缸的活塞杆；
所述主架部分上安装有牵引式齿条电梯，牵引式齿条电梯能通向传送甲板。
液压系统通过电液伺服阀控制液压回转马达带动所述驱动齿轮正反转动，以使主架进行360°的回转运动。驱动齿轮与齿轮转盘啮合，齿轮转盘通过螺栓连接所述上法兰与主架，外部由所述齿轮罩保护，内部由所述轴承与下法兰提供润滑。下法兰通过螺栓连接所述门座。
一种上述装置的控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：主控制器通过姿态测量系统采集动力定位船舶的六自由度姿态数值，获取动力定位船舶的实时运动状态数据，为了抵消船舶受外界波浪产生的不规则运动的影响，将实时的船舶六自由度的姿态参数与初始设定的理想横摇纵摇姿态参数进行对比，在波浪补偿控制器中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一补偿液压缸、第二补偿液压缸的波浪补偿值，主控制器通过控制补偿液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一补偿液压缸、第二补偿液压缸活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想横摇纵摇状态，以实时的使船舶横摇、纵摇得到主动的补偿；
步骤2：主控制器通过姿态测量系统采集动力定位船舶的实时升沉参数并与初始设定的理想升沉姿态参数进行对比，在主控制器中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一俯仰液压缸和第二俯仰液压缸的波浪补偿值，主控制器通过控制俯仰液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一俯仰液压缸和第二俯仰液压缸活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想升沉状态，以实时的使船舶升沉得到主动的补偿；
步骤3：主控制器控制液压伸缩马达转动，液压伸缩马达通过齿轮啮合可伸出部分底部舷梯齿条导轨来驱动伸缩舷梯可伸出架向前伸出至登靠目标对接，在波浪补偿时，伸缩舷梯可伸出架受到齿轮啮合力的推动只可不断向外推，即伸缩舷梯可伸出架首端在结构上引入了一个恒定力量，如果动力定位船舶受波浪的作用移开，伸缩舷梯可伸出架将在这个力的作用下自动延伸，伸缩舷梯可伸出架的首端与登离设施始终保持接触。
步骤4：待伸缩舷梯平稳补偿船舶的不规则运动后，进行登入操作，进行登入时，工作人员经船甲板进入轿厢，通过控制电梯，升至传送甲板后经电梯门进入传送甲板，在传送甲板观察伸缩舷梯工作正常后，步行通过伸缩舷梯进入离岸设施，登离操作时动作相反。
本发明用于放置带有动力定位的船舶上，基于带有动力定位的船舶已经能对船舶的横荡、纵荡及艏摇进行补偿，由此本发明仅对横摇、纵摇和升沉三个自由度进行主动补偿。本发明主要包含补偿底座、主架与伸缩舷梯三大部分。在波浪补偿模式下，通过补偿底座两液压缸的作用及舷梯的可伸出部分向内和向外平移，可以进行横摇和纵摇补偿；通过两个补偿俯仰液压缸的运动使伸缩式通行舷梯向上和向下运动，可以进行升沉补偿。以使连接在船舶与离岸设施之间的舷梯尽量保持稳定以使工作人员平稳安全的进行转移作业。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的补偿底座示意图；
图3为本发明的主架部分示意图；
图4为本发明的伸缩舷梯部分示意图；
图5为本发明的控制结构图；
图6为本发明的工作示意图。
其中，1—补偿底座部分、1.1—基板、1.2—支撑万向节、1.3—第一补偿液压缸、1.4—第二补偿液压缸、1.5—门座、1.6—齿轮罩、1.7—上法兰、1.8—转盘齿轮、1.9—驱动齿轮、1.10—马达、1.11—下法兰、2—主架部分、2.1—牵引式齿条电梯、2.2—第一俯仰液压缸、2.3—第二俯仰液压缸、2.4—传送甲板、3—伸缩舷梯、3.1—伸缩舷梯固定架、3.2—舷梯齿条导轨、3.3—伸缩动力单元、3.4—伸缩舷梯可伸出架、4—主控制器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种用于海上人员转移作业的波浪补偿舷梯装置，如图1～6，它包括补偿底座部分1、主架部分2和伸缩舷梯3、回转装置，其中，补偿底座部分1包括基板1.1、支撑万向节1.2、第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4和门座1.5，所述回转装置包括上法兰1.7、转盘齿轮1.8、驱动齿轮1.9、马达1.10和下法兰1.11，所述基板1.1的顶面中部与门座1.5底面中部之间设置支撑万向节1.2，基板1.1的顶面一侧和门座1.5的底面一侧之间设置第一补偿液压缸1.3，基板1.1的顶面另一侧和门座1.5的底面另一侧之间设置第二补偿液压缸1.4，门座1.5的顶部固定下法兰1.11，主架部分2的底面固定上法兰1.7，转盘齿轮1.8同轴固定在上法兰1.7上，转盘齿轮1.8通过轴承连接下法兰1.11，马达1.10安装在门座1.5上，马达1.10的转轴安装驱动齿轮1.9，驱动齿轮1.9与转盘齿轮1.8啮合；
主架部分2上部设置有传送甲板2.4，传送甲板2.4与伸缩舷梯3固定端的底部交接，主架部分2的顶部分别铰接第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3的缸体，伸缩舷梯3固定端的顶部分别铰接第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3的活塞杆；
所述主架部分2上安装有牵引式齿条电梯2.1(德国alimakhek公司alimakse2000fc型号的牵引式齿条电梯)，牵引式齿条电梯2.1能通向传送甲板2.4。
上述技术方案中，转盘齿轮1.8的外部由所述齿轮罩1.6保护。
上述技术方案中，所述伸缩舷梯部分3包括伸缩舷梯固定架3.1、舷梯齿条导轨3.2、伸缩动力单元3.3和伸缩舷梯可伸出架3.4，伸缩舷梯可伸出架3.4通过滑轮设置在伸缩舷梯固定架3.1的内部，伸缩舷梯可伸出架3.4的底部安装舷梯齿条导轨3.2，伸缩动力单元3.3安装与伸缩舷梯固定架3.1的首端，伸缩动力单元3.3的动力输出轴上安装有齿轮，齿轮与所述舷梯齿条导轨3.2中的齿条啮合。
上述技术方案中，所述伸缩动力单元3.3包括液压伸缩马达、液压系统和电液伺服阀，液压系统通过电液伺服阀调节液压伸缩马达动作，液压伸缩马达的动力输出轴上安装有齿轮，通过齿轮与齿条导轨啮合运动带动所述伸缩舷梯可伸出架3.4通过滑轮在伸缩舷梯固定架3.1的内部平移。
上述技术方案中，所述基板1.1的底面用于固定在动力定位船舶的甲板上。
上述技术方案中，所述第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3驱动伸缩舷梯3进行俯仰运动，俯仰运动的角度范围在-40°～30°。
上述技术方案中，它还包括主控制器4，所述主控制器4用于接收动力定位船舶的姿态测量系统输送的姿态信号，并对第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4、马达1.10、第一俯仰液压缸2.2、第二俯仰液压缸2.3和液压伸缩马达进行控制。
上述技术方案中，主控制器4通过姿态测量系统采集动力定位船舶的六自由度姿态数值，获取动力定位船舶的实时运动状态数据，为了抵消船舶受外界波浪产生的不规则运动的影响，将实时的船舶六自由度的姿态参数与初始设定的理想横摇纵摇姿态参数进行对比，在波浪补偿控制器中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4的波浪补偿值，主控制器4通过控制补偿液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想横摇纵摇状态，以实时的使船舶横摇、纵摇得到主动的补偿。
上述技术方案中，主控制器4通过姿态测量系统采集动力定位船舶的实时升沉参数并与初始设定的理想升沉姿态参数进行对比，在主控制器4中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3的波浪补偿值，主控制器4通过控制俯仰液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想升沉状态，以实时的使船舶升沉得到主动的补偿。
上述技术方案中，主控制器4通过控制舷梯部分电液伺服阀的流量、方向与压力控制液压伸缩马达转动，液压伸缩马达通过齿轮啮合可伸出部分底部舷梯齿条导轨来驱动伸缩舷梯可伸出架3.4向前伸出至登靠目标对接，在波浪补偿时，伸缩舷梯可伸出架3.4收到齿轮啮合力的推动只可不断向外推，即伸缩舷梯可伸出架3.4首端在结构上引入了一个恒定力量，如果动力定位船舶受波浪的作用缓慢的移开，伸缩舷梯可伸出架3.4将在这个力的作用下自动延伸，伸缩舷梯可伸出架3.4的首端与登离设施始终保持接触。当船舶受波浪的作用向结构移动时，伸缩舷梯可伸出架3.4收到的力大于外推的力，溢流阀开启，伸缩舷梯可伸出架3.4将被推入，然后允许伸缩舷梯自动回缩。
上述技术方案中，所述伸缩舷梯可伸出架3.4的首端可登靠离岸设施的登入口。所述舷梯固定部分长20m，所述可伸出部分长20m，所述伸缩舷梯整体工作范围在20m～36m，超过36m控制系统则会报警。
本发明伸缩式通行舷梯被设计为三个运动方式：伸缩，俯仰和回转，通过这三个运动方式来补偿船舶由于波浪运动而产生的升沉、横摇与纵摇这三个自由度的运动。本发明进行登入操作前，首先作业船舶通过动力定位技术，使其固定于离岸设施周围的某一目标位置，然后各装置通过船舶电站供电，启动波浪补偿舷梯装置，舷梯的姿态测量系统通过陀螺仪、位移传感器、加速度传感器等采集船舶六自由度的姿态数值，进行放大滤波后通过姿态处理器传送给波浪补偿控制器，在波浪补偿控制器内判断当前海浪是否需要进行主动波浪补偿。当符合作业要求时，工作人员在工作船船桥控制端发出控制命令，启动主动波浪补偿功能，主控制器进行动作。
舷梯开始动作，通过回转马达带动转盘齿轮正反转动，使主架与伸缩舷梯部分转动。然后通过俯仰液压缸进行俯仰运动，使伸缩舷梯首端与离岸设施的登入口处于同一水平面上。此时，装置切换到波浪补偿模式。
波浪补偿控制器具有前馈与反馈功能，通过姿态测量单元采集船舶的运动参数，获取船舶高精度、高准确的实时运动状态数据。所述姿态测量单元以牛顿力学定律为基础，采用多组陀螺仪和加速度传感器。陀螺仪能输出反映船舶运动角度信息，经过姿态解算便可得到船舶的纵摇和横摇的数据。加速度传感器测得船舶瞬时加速度，再对加速度进行两次积分得到船舶升沉的位移数据。
在波浪补偿模式下，通过补偿底座两液压缸的作用及舷梯的可伸出部分向内和向外平移，可以进行横摇和纵摇补偿；通过两个补偿俯仰液压缸的运动使伸缩式通行舷梯向上和向下运动，可以进行升沉补偿。
一种上述装置的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：主控制器4通过姿态测量系统采集动力定位船舶的六自由度姿态数值，获取动力定位船舶的实时运动状态数据，为了抵消船舶受外界波浪产生的不规则运动的影响，将实时的船舶六自由度的姿态参数与初始设定的理想横摇纵摇姿态参数进行对比，在波浪补偿控制器中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4的波浪补偿值，主控制器4通过控制补偿液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一补偿液压缸1.3、第二补偿液压缸1.4活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想横摇纵摇状态，以实时的使船舶横摇、纵摇得到主动的补偿；
步骤2：主控制器4通过姿态测量系统采集动力定位船舶的实时升沉参数并与初始设定的理想升沉姿态参数进行对比，在主控制器4中进行姿态计算及运动学反解，计算出第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3的波浪补偿值，主控制器4通过控制俯仰液压缸管路上电液伺服阀的流量、方向与压力，使第一俯仰液压缸2.2和第二俯仰液压缸2.3活塞运动到波浪补偿值的位移，达到理想升沉状态，以实时的使船舶升沉得到主动的补偿；
步骤3：主控制器4通过控制舷梯部分电液伺服阀的流量、方向与压力控制液压伸缩马达转动，液压伸缩马达通过齿轮啮合可伸出部分底部舷梯齿条导轨来驱动伸缩舷梯可伸出架3.4向前伸出至登靠目标对接，在波浪补偿时，伸缩舷梯可伸出架3.4收到齿轮啮合力的推动只可不断向外推，即伸缩舷梯可伸出架3.4首端在结构上引入了一个恒定力量，如果动力定位船舶受波浪的作用缓慢的移开，伸缩舷梯可伸出架3.4将在这个力的作用下自动延伸，伸缩舷梯可伸出架3.4的首端与登离设施始终保持接触；
步骤4：待伸缩舷梯平稳补偿船舶的不规则运动后，进行登入操作，进行登入时，工作人员经船甲板进入轿厢，通过控制电梯，升至传送甲板后经电梯门进入传送甲板2.4，在传送甲板2.4观察伸缩舷梯工作正常后，步行通过伸缩舷梯进入离岸设施，登离操作时动作相反。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。