一种具有波浪补偿功能的海洋绞车及补偿方法
阅读说明：本技术 一种具有波浪补偿功能的海洋绞车及补偿方法 (Ocean winch with wave compensation function and compensation method ) 是由 顾阳 刘硕 覃方阳 李照雄 徐可欣 王健 梁承豪 朱鹏程 赵忠 于 2021-02-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有波浪补偿功能的海洋绞车及补偿方法,涉及绞车技术领域,第一减速电机连接左绞盘,第二减速电机连接右绞盘,第三减速电机连接储缆卷筒,第四减速电机连接排缆器；负载端缆绳收缩时通过导缆器进入导向轮,水平通过右绞盘下部第一个绳槽,半圈缠绕在左绞盘第一个绳槽,再从左绞盘第一个绳槽上部回到右绞盘第二个绳槽上部,以此类推,每个绳槽均缠绕缆绳,最后从左绞盘最后一个绳槽下部出缆,经排缆器垂直进入储缆卷筒并固定；左、右绞盘采用水平卧式安装；缆绳在左、右绞盘上进出时采用下进下出的方式。本发明有益效果为：收、放缆过程中,系统根据张力变化自动调整速度,有效保护缆绳,可适应大容量缆绳的收放,可靠性高。(The invention discloses an ocean winch with a wave compensation function and a compensation method, and relates to the technical field of winches, wherein a first speed reducing motor is connected with a left winch, a second speed reducing motor is connected with a right winch, a third speed reducing motor is connected with a cable storage drum, and a fourth speed reducing motor is connected with a cable arranger; when the cable at the load end is contracted, the cable enters the guide wheel through the cable guide device, horizontally passes through the first rope groove at the lower part of the right winch, is wound in the first rope groove of the left winch in a half circle, returns to the upper part of the second rope groove of the right winch from the upper part of the first rope groove of the left winch, and so on, each rope groove is wound with the cable, and finally, the cable is discharged from the lower part of the last rope groove of the left winch, vertically enters the cable storage drum through the cable arranger and is fixed; the left winch and the right winch are horizontally installed; and when the cable goes in and out on the left winch and the right winch, a downward-in and downward-out mode is adopted. The invention has the beneficial effects that: in the process of cable winding and unwinding, the system automatically adjusts the speed according to the tension change, effectively protects the cable, is suitable for winding and unwinding the large-capacity cable, and has high reliability.)
技术领域
本发明涉及绞车技术领域，尤其涉及一种具有波浪补偿功能的海洋绞车及其控制装置与波浪补偿方法。
背景技术
海洋绞车可应用于无动力探测器、潜水器等深海作业任务设备的水中系留、下放及回收。在海洋绞车作业过程中，由于船舶姿态受到的波浪作用而造成升沉运动，导致海洋绞车在作业过程中缆绳所受到的张力在不停地发生变化。这种现象易造成缆绳疲劳，影响其使用寿命，并且大幅度剧烈变化的张力会造成缆绳断裂现象的发生，极易损伤设备，对操作人员的生命安全也构成威胁。
现有的波浪补偿技术一般应用在海洋吊机上，深海作业的海洋绞车与一般的海洋吊机相比，其最显著的特点是缆绳比较长，动则几千米，甚至上万米，而海洋吊机由于缆绳短，可通过一个卷筒承担起吊和储缆的目的，因此海洋绞车的机械部分构成与海洋吊机有较大区别；目前常用的波浪补偿方式基本是滞后的，无运动预测功能，属于被动式波浪补偿，在船舶剧烈深沉时断绳的可能性较大。
由于深海作业任务设备往往价格高，科研价值大，因此海洋绞车的安全性设计就显得尤为重要。如何在大容量缆绳收放的情况下，使得其同时具有波浪补偿能力是海洋绞车设计所面临的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有存在的技术问题和不足之处，提供一种具有波浪补偿功能的海洋绞车及补偿方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有波浪补偿功能的海洋绞车，第一减速电机连接左绞盘，第二减速电机连接右绞盘，第三减速电机连接储缆卷筒，第四减速电机连接排缆器；负载端缆绳收缩时通过导缆器进入导向轮，水平通过右绞盘下部第一个绳槽，半圈缠绕在左绞盘第一个绳槽，再从左绞盘第一个绳槽上部回到右绞盘第二个绳槽上部，以此类推，每个绳槽均缠绕缆绳，最后从左绞盘最后一个绳槽下部出缆，经排缆器垂直进入储缆卷筒并固定；左、右绞盘采用水平卧式安装；缆绳在左、右绞盘上进出时采用下进下出的方式。
优选的，所述导缆器包括排缆丝杆和排缆导轮，第四减速电机带动排缆丝杆旋转，排缆丝杆上固定有滑块，滑块上可转动的安装有排缆导轮。
优选的，还包括操作单元、销轴力传感器、位移传感器、MRU传感器、控制单元、交换机、变频器、编码器和制动电阻，所述操作单元、销轴力传感器和位移传感器的输出端分别与控制单元连接；所述控制单元与交换机连接；所述交换机分别与第一至第四变频器、MRU传感器连接；所述第一至第四变频器分别对应连接第一至第四编码器；所述第一至第三变频器还分别对应连接第一至第三制动电阻；MRU传感器安装于导向轮处船舶甲板上，位移传感器与导向轮同轴安装，销轴力传感器安装于导向轮轴。
优选的，所述控制单元具有直流24V开关量输入模块、0~20mA电流量输入模块以及通讯模块；所述操作单元以直流24V开关量信号输出；所述销轴力传感器和位移传感器均以0~20mA电流量信号输出；所述第一至第四变频器均内置网关卡和编码器卡。
优选的，所述MRU传感器以通讯信号输出船舶横摇、纵摇、速度和加速度信息。
优选的，第一减速电机对应的第一变频器设置成速度伺服模式，第二减速电机对应的第二变频器设置成力矩伺服模式，使得右绞盘在缆绳的作用下始终跟随左绞盘旋转，保持二者的线速度同步；第三减速电机对应的第三变频器设置成力矩伺服模式，并且力矩始终设置成收缆的运动方向，且力矩大小远远小于第一减速电机和第二减速电机的综合力矩；第四减速电机对应的第四变频器设置成速度伺服模式，确保在储缆卷筒转动一圈时排缆丝杆带动的排缆导轮移动一个缆绳直径的距离，同时控制单元通过与第四变频器的通讯获取第四编码器的信号，实时计算排缆导轮移动的位移，并在排缆丝杆端部进行自动换向。
一种具有波浪补偿功能的海洋绞车的补偿方法，当绞车带载悬停时：控制单元通过MRU传感器连续多次采集船舶摇摆周期数据，经过平均后解算成船舶横摇、纵摇幅度、速度、加速度等信息，并根据当前船舶姿态数据折算成绞车系统需要的补偿位移量以及补偿加速度，当船舶姿态总体处于上升期时，绞车系统以预测的补偿加速度释放缆绳，补偿位移量为前次周期解算的补偿量，位移反馈值由位移传感器检测；当船舶姿态总体处于下降期时，绞车系统以预测的补偿加速度收取缆绳，补偿位移量为前次周期解算的补偿量，位移反馈值由位移传感器检测；
当绞车收缆时：当缆绳实际线速度小于设定速度但实际张力大于最大设定张力时，则控制缆绳减速；若线速度减小到某非0值时实际张力等于最大设定张力，则保持该线速度运行；若线速度减小到0实际张力仍然大于最大设定张力，则报警，由人工操作；当线速度小于设定速度且实际张力小于最小设定张力，则加速；若线速度增大到某值但未超过设定速度，实际张力大于最小设定张力但小于最大设定张力时，线速度继续增大；若线速度增大到某值但小于等于设定速度，实际张力等于最大设定张力时，保持该线速度运行；若线速度增大到大于设定速度，则报警，由人工操作；
当绞车放缆时：当缆绳实际线速度小于设定速度但实际张力大于最大设定张力，则加速；若线速度增大到某值但未超过设定速度，实际张力等于最大设定张力，则保持该线速度运行；若线速度增大到设定速度时，实际张力仍然大于最大设定张力，则报警，由人工操作；当线速度小于设定速度且实际张力小于最小设定张力，则减速；若线速度减小到某非0值时实际张力等于最小设定张力时，保持该线速度运行；若线速度减小到0时实际张力小于最小设定张力，则报警，由人工操作
本发明的有益效果是：
（1）系统采用拖曳负载和存储缆绳功能相分离，可适应大容量缆绳的收放；
（2）绞盘采用双驱动冗余设计，可靠性高；
（3）带载悬停时，系统具有船舶深沉运动预测功能，提前进行波浪补偿；
（4）收、放缆过程中，系统根据张力变化自动调整速度，有效保护缆绳。
附图说明
图1是本发明的一种具有波浪补偿功能的海洋绞车构成示意图；
图2是本发明的一种具有波浪补偿功能的海洋绞车的控制装置构成示意图。
其中：1-第三减速电机、2-储缆卷筒、3-第四减速电机、4-排缆导轮、5-排缆丝杆、6-第一减速电机、7-左绞盘、8-第二减速电机、9-右绞盘、10-缆绳、11-导向轮、12-导缆器、13-操作单元、14-销轴力传感器、15-位移传感器、16-控制单元、16-1-开关量输入模块、16-2-电流量输入模块、16-3-通讯模块、17-MRU传感器、18-交换机、19-第一变频器、20-第一编码器、21-第一制动电阻、22-第二变频器、23-第二编码器、24-第二制动电阻、25-第三变频器、26-第三编码器、27-第三制动电阻、28-第四变频器、29-第四编码器。
具体实施方式
下面通过本发明用于某升空回收装置的张力衰减绞车为实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
如图1所示一种具有波浪补偿功能的海洋绞车，由第一减速电机6、第二减速电机8、第三减速电机1、第四减速电机3、左绞盘7、右绞盘9、储缆卷筒2、排缆丝杆5、排缆导轮4、导向轮11、导缆器12和缆绳10组成，其中第一减速电机6连接左绞盘7，第二减速电机8连接右绞盘9，第三减速电机1连接储缆卷筒2，第四减速电机3连接排缆丝杆5，排缆丝杆5上固定有滑块，滑块上可转动的安装有排缆导轮4。负载端缆绳10通过导缆器12进入导向轮11，水平通过右绞盘9下部第一个绳槽，半圈缠绕在左绞盘7第一个绳槽，再从左绞盘7第一个绳槽上部回到右绞盘9第二个绳槽上部，以此类推，每个绳槽均缠绕缆绳10，最后从左绞盘7最后一个绳槽下部出缆经排缆导轮4垂直进入储缆卷筒2并固定。缆绳10经导缆器12后进出导向轮11的夹角为90度；左绞盘7和右绞盘9采用水平卧式安装；缆绳10在左绞盘7和右绞盘9上进出时采用下进下出方式。
如图2所示是一种具有波浪补偿功能的海洋绞车的控制装置构成图，包括操作单元13、销轴力传感器14、位移传感器15、控制单元16、MRU传感器17、交换机18、第一至第四变频器19、22、25、28、第一至第四编码器20、23、26、29、第一至第三制动电阻21、24、27。所述操作单元13、销轴力传感器14和位移传感器15的输出端分别与控制单元16连接；所述控制单元16与交换机18连接；所述交换机18分别与第一至第四变频器19、22、25、28、MRU传感器17连接；所述第一至第四变频器19、22、25、28分别对应连接第一至第四编码器20、23、26、29；所述第一至第三变频器19、22、25还分别对应连接第一至第三制动电阻21、24、27，MRU传感器17安装于导向轮11处船舶甲板上，位移传感器15与导向轮11同轴安装，销轴力传感器14安装于导向轮11的轴上。MRU传感器17能输出船舶横摇、纵摇、速度、加速度等信息。
所述控制单元16具有直流24V开关量输入模块16-1、0~20mA电流量输入模块16-2以及通讯模块16-3；所述操作单元13以直流24V开关量信号输出；所述销轴力传感器14和位移传感器15均以0~20mA电流量信号输出；所述第一至第四变频器19、22、25、28均内置网关卡和编码器卡，第一至第四变频器19、22、25、28分别对应连接第一减速电机6至第四减速电机3；所述第一减速电机6至第四减速电机3分别对应第一至第四编码器20、23、26、29；所述MRU传感器17以通讯信号输出。
上述系统有三种波浪补偿模式，分别是带载悬停、收缆和放缆。
带载悬停时：控制单元16通过MRU传感器17连续5次采样船舶摇摆周期数据，经过平均后解算成船舶横摇、纵摇幅度、速度、加速度等信息，并根据当前船舶姿态数据折算成绞车系统需要以多大加速度来补偿位移量。当船舶姿态总体处于上升期时，绞车系统以预测的加速度释放缆绳，位移量为前次周期解算的补偿量，位移反馈值由位移传感器15检测；当船舶姿态总体处于下降期时，绞车系统以预测的加速度收取缆绳，位移量为前次周期解算的补偿量，位移反馈值由位移传感器15检测。
收缆时：当缆绳10实际线速度小于设定速度但实际张力大于最大设定张力时，则减速；若线速度减小到某非0值时实际张力等于最大设定张力，则保持该线速度运行；若线速度减小到0实际张力仍然大于最大设定张力，则报警，由人工操作。当线速度小于设定速度且实际张力小于最小设定张力，则加速；若线速度增大到某值但未超过设定速度，实际张力大于最小设定张力但小于最大设定张力时，线速度继续增大；若线速度增大到某值但小于等于设定速度，实际张力等于最大设定张力时，保持该线速度运行；若线速度增大到大于设定速度，则报警，由人工操作。
放缆时：当缆绳10实际线速度小于设定速度但实际张力大于最大设定张力，则加速；若线速度增大到某值但未超过设定速度，实际张力等于最大设定张力，则保持该线速度运行；若线速度增大到设定速度时，实际张力仍然大于最大设定张力，则报警，由人工操作。当线速度小于设定速度且实际张力小于最小设定张力，则减速；若线速度减小到某非0值时实际张力等于最小设定张力时，保持该线速度运行；若线速度减小到0时实际张力小于最小设定张力，则报警，由人工操作。
第一减速电机6对应的第一变频器19设置成速度伺服模式，第二减速电机8对应的第二变频器22设置成力矩伺服模式，使得右绞盘9在缆绳的作用下始终跟随左绞盘7旋转，保持二者的线速度同步；第三减速电机1对应的第三变频器25设置成力矩伺服模式，并且力矩始终设置成收缆的运动方向，且力矩大小远远小于第一减速电机6和第二减速电机8的综合力矩；第四减速电机3对应的第四变频器22设置成速度伺服模式，确保在储缆卷筒2转动一圈时排缆丝杆5带动的排缆导轮4移动一个缆绳直径的距离，同时控制单元16通过与第四变频器28的通讯获取第四编码器29的信号，实时计算排缆导轮4移动的位移，并在排缆丝杆5端部进行自动换向。
收缆时，左绞盘7和右绞盘9在第一减速电机6和第二减速电机8驱动下共同出力，一起通过缆绳10拖动负载。放缆时，当负载较小时，左绞盘7和右绞盘9主动放缆，而储缆卷筒2则被倒拖，第三减速电机1处于发电状态，能量通过第三制动电阻27释放；当负载较大时，左绞盘7和右绞盘9在负载拖动下被动放缆，储缆卷筒2同样被倒拖，此时第一减速电机6至第三减速电机1都处于发电状态，能量分别通过第一制动电阻21至第三制动电阻27释放。
销轴力传感器14测力方向与导向轮11进出缆的角平分线一致，为45度，故其所测力大小是缆绳10实际张力的倍。位移传感器15与导向轮11同轴安装，所测位移为导向轮11的转动圈数与其缠绕缆绳10后等效周长的乘积。销轴力传感器14和位移传感器15均采用电流信号输出，可提高信号传输距离以及抗干扰性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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