CN208617269U - 一种rov用升沉补偿*** - Google Patents

一种rov用升沉补偿*** Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种ROV用升沉补偿***，包括吊放门架，储缆绞车、牵引绞车和张力补偿***，吊放门架上设有脐带绞车，脐带绞车上设有脐带缆，张力补偿***包括升沉补偿器和调压增压装置，升沉补偿器包括动滑轮组、定滑轮组、蓄能器、储气罐和显示盒，动滑轮组两侧分别设有第一油缸和第二油缸，显示盒上设有油压表、气压表和张力检测显示器，调压增压装置包括增压泵和气瓶；本实用新型防止母船在波浪作用下产生升沉运动通过主脐带传递到吊放的ROV等水下设备，减小升沉耦合运动传导、吸收加速度动力、减少脐带松弛和平滑动张力峰值，以改善ROV运动控制条件、防止脐带缆破坏、提高***作业安全性，形成专用和可推广的通用技术成果。

Description

一种ROV用升沉补偿***
技术领域
本实用新型涉及一种ROV用升沉补偿***，属于水下机器人领域。
背景技术
海洋探查和资源开发利用、深海观测和研究计划的开展，需要大量的深海设备线缆布放、检测和维护作业，这极大地依赖在水下工作时间长、作业能力强、负载能力大的无人遥控潜水器，即ROV水下机器人，其中，“4000米级深海作业***”的主要装备成果是4000m无人遥控潜水器，是我国自主研发的第一套大深度ROV***，最大工作水深4000m，主要作业功能是进行海底探测、取样以及其他水下作业。ROV在水下作业时，母船在海面波浪作用下不可避免地存在升沉运动，而这大大降低了***的效率和安全性，同时，升沉运动的加速度导致缆绳张力增大，可能超出脐带缆的许用工作载荷或导致疲劳破坏，亟待改善。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种ROV用升沉补偿***，防止母船在波浪作用下产生升沉运动通过主脐带传递到吊放的ROV等水下设备，减小升沉耦合运动传导、吸收加速度动力、减少脐带松弛和平滑动张力峰值，以改善ROV运动控制条件、防止脐带缆破坏、提高***作业安全性，形成专用和可推广的通用技术成果。
本实用新型是通过如下的技术方案予以实现的：
一种ROV用升沉补偿***，包括吊放门架，储缆绞车、牵引绞车和张力补偿***，其中，所述吊放门架上设有脐带绞车，所述脐带绞车上设有脐带缆，所述张力补偿***包括升沉补偿器和调压增压装置，所述升沉补偿器包括动滑轮组、定滑轮组、蓄能器、储气罐和显示盒，所述脐带缆首端依次绕于储缆绞车、牵引绞车、动滑轮组和定滑轮组；
所述动滑轮组两侧分别设有第一油缸和第二油缸，所述第一油缸和第二油缸上均设有活塞杆，所述活塞杆底部设有活塞，且顶部与动滑轮组固定相连，所述第一油缸和第二油缸之间设有油管，所述油管连接有油压管，所述蓄能器的数目为两个，两个蓄能器一端分别与第一油缸和第二油缸之间设有第一管道，另一端与储气罐之间设有第二管道，所述第一管道上设有液阀，所述第二管道上设有第一气阀，且连接有气压管，所述储气罐连接有第三管道，所述第三管道上设有第一充气阀；
所述显示盒上设有油压表、气压表和张力检测显示器，所述油压表和气压表分别连接有油接口和气接口，所述油接口和气接口分别与油压管和气压管配合连接，所述调压增压装置包括增压泵和气瓶，所述增压泵上设有第四管道，且与气瓶之间设有第五管道，所述第四管道端部与第三管道端部配合使用。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述脐带缆连接有止荡器。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述储气罐的数目为两个，两个储气罐相互连通，所述第二管道上设有第一压力表。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述油压管包括第一支管和快接软管，所述第一支管上设有液表阀，所述快接软管与第一支管之间均设有连接器，所述油管上设有第二充气阀，所述油管端部设有液压油快充接头。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述气压管上设有气表阀，所述气接口连接有放气管，所述放气管上设有放气阀。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述显示盒连接有计算机终端，所述计算机终端连接有报警器。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述增压泵包括增压泵本体、第六管道和第七管道，所述增压泵本体上设有进气阀、上排气阀和下排气阀，所述增压泵本体与第七管道之间第二支管和第三支管，所述三支管与第五管道相连，所述第五管道连接有第四支管，所述第六管道和第七管道一端相互连通并与第四管道相连，所述第六管道另一端与增压泵本体连接，所述第六管道、第七管道、第三支管和第四支管上均设有阀门，所述第七管道上的阀门数目为两个，且分别位于第二支管两侧。
上述一种ROV用升沉补偿***，其中，所述气瓶的数目为若干个，若干气瓶相互连通，所述第五管道上设有第二气阀和第二压力表。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型结构紧凑、设计合理、拆装使用灵活方便，将脐带缆终端与ROV等水下设备连接，首端最终连接在母船上，当母船在波浪作用下产生升沉运动影响脐带缆张力时，通过张力补偿***被动式使第一油缸和第二油缸上下运动，释放或回收脐带缆，调压增压装置保证油缸基本处于中位上下运动，减小脐带缆张力峰值，并通过显示盒和计算机终端实时监测显示脐带缆张力，进行预警，从而①减小升沉运动传导，改善ROV运动控制条件；②吸收加速度动力，提高***吊放安全性；③弥补大深度重力缆安全系数低缺陷，平滑动张力峰值；④减少脐带松弛，防止扭转破坏，提高***作业安全性，形成专用和可推广的通用技术成果。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型升沉补偿器结构原理图。
图3为本实用新型调压增压装置结构原理图。
图4为本实用新型升沉补偿器的受力分析示意图。
图5为本实用新型实验时张力补偿***连接图。
图6为本实用新型实验时脐带缆与动滑轮组和定滑轮组的缠绕方式示意图。
图7为本实用新型实验时压力与张力曲线图。
(图中，母船1，水下设备2，吊放门架3，储缆绞车4、牵引绞车5和张力补偿***6，脐带绞车7，脐带缆8，止荡器9，升沉补偿器10和调压增压装置11，动滑轮组12、定滑轮组13、蓄能器14、储气罐15和显示盒16，第一油缸17和第二油缸18，活塞杆19，活塞20，油管21，油压管22，第一支管23和快接软管24，液表阀25，连接器26，第二充气阀27，液压油快充接头28，第一管道29，第二管道30，液阀31，第一气阀32，第一压力表33，气压管34，气表阀35，放气管36，放气阀37，第三管道38，第一充气阀39，油压表40、气压表41和张力检测显示器42，油接口43和气接口44，计算机终端45，报警器46，增压泵47，气瓶48，增压泵本体49、第六管道50，第七管道51，进气阀52、上排气阀53和下排气阀54，第二支管55和第三支管56，第四支管57，阀门58，第四管道59，第五管道60，第二气阀61，第二压力表62，动滑轮63，定滑轮64)。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
一种ROV用升沉补偿***，包括吊放门架，储缆绞车、牵引绞车和张力补偿***，其中，所述吊放门架上设有脐带绞车，所述脐带绞车上设有脐带缆，所述脐带缆连接有止荡器，所述张力补偿***包括升沉补偿器和调压增压装置，所述升沉补偿器包括动滑轮组、定滑轮组、蓄能器、储气罐和显示盒，所述脐带缆首端依次绕于储缆绞车、牵引绞车、动滑轮组和定滑轮组；
所述动滑轮组两侧分别设有第一油缸和第二油缸，所述第一油缸和第二油缸上均设有活塞杆，所述活塞杆底部设有活塞，且顶部与动滑轮组固定相连，所述第一油缸和第二油缸之间设有油管，所述油管连接有油压管；
所述油压管包括第一支管和快接软管，所述第一支管上设有液表阀，所述快接软管与第一支管之间均设有连接器，所述油管上设有第二充气阀，所述油管端部设有液压油快充接头；
所述蓄能器的数目为两个，两个蓄能器一端分别与第一油缸和第二油缸之间设有第一管道，另一端与储气罐之间设有第二管道，所述第一管道上设有液阀，所述第二管道上设有第一气阀和第一压力表，且连接有气压管，所述气压管上设有气表阀，所述储气罐连接有第三管道，所述第三管道上设有第一充气阀，所述储气罐的数目为两个，两个储气罐相互连通；
所述显示盒上设有油压表、气压表和张力检测显示器，所述油压表和气压表分别连接有油接口和气接口，所述油接口和气接口分别与油压管和气压管配合连接，所述气接口连接有放气管，所述放气管上设有放气阀，所述显示盒连接有计算机终端，所述显示盒和计算机终端通过电连接或无线传输连接，所述计算机终端连接有报警器；
所述调压增压装置包括增压泵和气瓶，所述增压泵包括增压泵本体、第六管道和第七管道，所述增压泵本体上设有进气阀、上排气阀和下排气阀，所述增压泵本体与第七管道之间第二支管和第三支管，所述三支管与第五管道相连，所述第五管道连接有第四支管，所述第六管道和第七管道一端相互连通并与第四管道相连，所述第六管道另一端与增压泵本体连接，所述第六管道、第七管道、第三支管和第四支管上均设有阀门，所述第七管道上的阀门数目为两个，且分别位于第二支管两侧；
所述增压泵上设有第四管道，且与气瓶之间设有第五管道，所述第四管道端部与第三管道端部配合使用，所述气瓶的数目为若干个，若干气瓶相互连通，所述第五管道上设有第二气阀和第二压力表；
所述油管、第二管道为硬管DN25，所述第一管道为硬管DN40，所述液阀为DN40等径球阀，所述油压管和气压管均为软管，软管直径为6mm，所述第三管道为硬管DN6。
本实用新型的工作方式和原理为：
将脐带缆终端串联在包括4000米ROV等水下设备连接，止荡器防止吊装时产生振荡，脐带缆首端最终连接在母船上，采用第一油缸和第二油缸这种双油缸支撑、驱动动滑轮组，第一油缸和第二油缸的缸体和定滑轮固定在母船甲板上，将第四管道端部与第三管道端部配合连接，经理论分析，该***为非线性弹性***，具有初始张力和***变形弹性可调的特性。
在静止状态下，由液压油快充接头注入，使第一油缸和第二油缸内充满一定量的液压油，蓄能器和储气罐中储存一定压力的氮气，通过切换阀门调节增压泵，采用独特的增压泵结构，增压泵本体与第六管道和第七管道切换调节，可实现气瓶与蓄能器之间氮气压力调节，当二者的压力平衡时，可以通过增压泵分别实现气瓶和蓄能器的增压，以满足蓄能器的需求；
调压增压装置根据放出脐带缆的长度即负载，调整蓄能器的氮气压力，使升沉补偿器的活塞处于油缸行程中点，油缸推力与水下设备重量或拉力平衡，以保证油缸基本处于中位上下运动；
显示盒通过油压表、气压表和张力检测显示器分别显示油压、气压和脐带缆张力，并将数据传输至计算机终端，监视记录实时数据，通过报警器预警，便于与母船操纵控制台连用。
在工作状态下，当母船上升运动造成脐带缆拉力增大时，控制第一油缸和第二油缸同步向下运动压缩氮气，释放脐带缆；当母船下降运动造成脐带缆拉力减小时，控制第一油缸和第二油缸同步向上运动扩大氮气，回收脐带缆，吸收加速度动力、减少脐带松弛和平滑动张力峰值，减小升沉耦合运动传导、达到改善ROV运动控制条件、保护脐带缆的目的。
本实用新型的受力分析如下：
将整个***建立模型，第一油缸、第二油缸和定滑轮固定在母船甲板上，活塞、活塞杆和定滑轮是其运动部分，升沉补偿器的总质量为Mc约300kg，位移用Zc表示，初始位置仍定为油缸的中位，与lx一致，但Zc方向以向上为正，则升沉补偿器的受力情况为：第一油缸、第二油缸内液压油推力Tc＝PcS，活塞、活塞杆和动滑轮自重Mcg，由脐带缆张力形成的对活塞的压力大小为2T，如附图4所示；
根据已知设计参数：
最大有效补偿负载：约12吨；
最大升沉补偿幅度：大于4米；
最大张力波动：小于30％；
***重量：约7－8吨；
主尺度：约1.8x 1.5x 4.5(3.5)m；
设计升沉运动周期8秒；
***总体的受力计算按公式：
P0V0/(V0+Ls/2)≤Px≤0V0/(V0-Ls/2)
按照气瓶选型计算取V0为62升，得活塞极限位置lx＝L/2和lx＝－L/2时气体压力：
PL/2＝120x62000/(62000-25120/2)＝150.5kgf/cm2；
P-L/2＝120x62000/(62000+25120/2)＝99.8kgf/cm2；
得活塞极限位置lx＝L/2和lx＝－L/2时活塞推力：
TL/2＝PL/2x s＝150.5x 200.96＝30245kgf＝30t；
T-L/2＝P－L/2x s＝99.8x 200.96＝20056kgf＝20t；
得活塞极限位置lx＝L/2和lx＝－L/2时脐带张力：
WL/2＝PL/2x s/2＝150.5x 200.96/2＝15122kgf＝15t；
W-L/2＝P－L/2x s/2＝99.8x 200.96/2＝10028kgf＝10t；
得lx＝L/2时脐带最大张力增加率为：
(WL/2－WL0)/WL0＝25％。
为了进一步确定升沉补偿***压力与脐带缆的张力之间的关系，以及验证最大张力情况下***的安全性，对本实用新型进行压力与张力测试实验如下：
如图5所示，将第四管道端部与放气管连接，并将脐带缆如图7所示将依次交叉缠绕在分别包括两个动滑轮和两个定滑轮的动滑轮组和定滑轮组上，端头连接张力检测显示器，油缸中位时闭环钢丝绳总长度为19.5米。
为减少用气量，关闭第六管道和第七管道位于第二支管一侧的阀门、充气阀、第二油缸连接的第一管道上的液阀，气表阀、液表阀；为保证安全，充油阀始终关闭，微量开启第一油缸连接的第一管道上的液阀。
通过升压、降压分别获得实验数据如下表1和表2：
表1升压时张力与压力传感器电流关系的测试
序 启动气压bar 油压bar 压力传感器电流mA 张力kg
1 10 4 45 155
号2 15 12 482 685
3 20 16 515 1110
4 25 22 547 1494
5 30 26 579 1940
6 35 32 611 2395
7 40 36 644 2850
8 45 42 676 3330
9 50 47 708 3795
10 55 53 74 4305
11 60 57 772 4750
12 63 60 792 5055
表2降压时张力与压力传感器电流关系的复核
序号 启动气压bar 油压 压力传感器电流mA 张力kg
1 63 bar60 7.92 5055
2 60 57 7.72 5000
3 55 53 7.4 4935
4 50 48 7.08 4840
5 45 44 6.76 4530
6 40 38 6.44 3960
7 35 33 6.12 3395
8 30 27 5.8 2835
9 25 23 5.48 2285
10 20 18 5.16 1715
11 15 12 4.84 1150
12 10 6 4.52 560
绘制得压力与张力曲线如附图7所示，曲线x表示实验测试点(用空心圆圈o表示)绘制的升压曲线，曲线y表示实验测试点(用加号+表示)绘制的降压曲线。
根据图7所示压力和张力的曲线图分析，可看出：在升压测试开始时，当脐带缆上的张力为零时，***内对活塞向上的压力和***动滑轮自重与向下的静摩擦力已经达到了平衡，在以后继续升压的过程中，脐带缆上的张力随着压力的增加而线性增加；
当***气压上升到63bar时，开始进行降压测试，由于开始降压的时，静摩擦力的方向要从向下慢慢到零再到向上，所以图7中降压时的曲线开始会出现一段非线性的变化过程，等***内对活塞向上的压力与向上的静摩擦力和***动滑轮的自重再次达到平衡后，线缆上的张力随着压力的降低而线性降低；因为压力和压力传感器电流之间也是线性关系，所以压力传感器电流和升降压时线缆上的张力的线性变化部分也是线性关系。
升沉补偿***是整个ROV吊放***中较为关键的技术部分，对升沉补偿***的研究不仅关系到ROV在水下的正常工作，张力补偿***作为本实用新型的核心装置，对其进行压力与张力特性分析是设计计算升沉补偿***必不可少的重要步骤，通过建立模型、理论分析以及实验测定的方式，获得了油缸活塞上的压力以及脐带缆上张力之间的线性关系，这对于保障升沉补偿***安全工作、进一步掌握升沉补偿***工作原理、了解海浪对于ROV工作的影响规律都有极其重要的意义。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种ROV用升沉补偿***，包括吊放门架，储缆绞车、牵引绞车和张力补偿***，其特征为，所述吊放门架上设有脐带绞车，所述脐带绞车上设有脐带缆，所述张力补偿***包括升沉补偿器和调压增压装置，所述升沉补偿器包括动滑轮组、定滑轮组、蓄能器、储气罐和显示盒，所述脐带缆首端依次绕于储缆绞车、牵引绞车、动滑轮组和定滑轮组；
所述动滑轮组两侧分别设有第一油缸和第二油缸，所述第一油缸和第二油缸上均设有活塞杆，所述活塞杆底部设有活塞，且顶部与动滑轮组固定相连，所述第一油缸和第二油缸之间设有油管，所述油管连接有油压管，所述蓄能器的数目为两个，两个蓄能器一端分别与第一油缸和第二油缸之间设有第一管道，另一端与储气罐之间设有第二管道，所述第一管道上设有液阀，所述第二管道上设有第一气阀，且连接有气压管，所述储气罐连接有第三管道，所述第三管道上设有第一充气阀；
所述显示盒上设有油压表、气压表和张力检测显示器，所述油压表和气压表分别连接有油接口和气接口，所述油接口和气接口分别与油压管和气压管配合连接，所述调压增压装置包括增压泵和气瓶，所述增压泵上设有第四管道，且与气瓶之间设有第五管道，所述第四管道端部与第三管道端部配合使用。
2.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述脐带缆连接有止荡器。
3.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述储气罐的数目为两个，两个储气罐相互连通，所述第二管道上设有第一压力表。
4.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述油压管包括第一支管和快接软管，所述第一支管上设有液表阀，所述快接软管与第一支管之间均设有连接器，所述油管上设有第二充气阀，所述油管端部设有液压油快充接头。
5.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述气压管上设有气表阀，所述气接口连接有放气管，所述放气管上设有放气阀。
6.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述显示盒连接有计算机终端，所述计算机终端连接有报警器。
7.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述增压泵包括增压泵本体、第六管道和第七管道，所述增压泵本体上设有进气阀、上排气阀和下排气阀，所述增压泵本体与第七管道之间设有第二支管和第三支管，所述三支管与第五管道相连，所述第五管道连接有第四支管，所述第六管道和第七管道一端相互连通并与第四管道相连，所述第六管道另一端与增压泵本体连接，所述第六管道、第七管道、第三支管和第四支管上均设有阀门，所述第七管道上的阀门数目为两个，且分别位于第二支管两侧。
8.如权利要求1所述的一种ROV用升沉补偿***，其特征为，所述气瓶的数目为若干个，若干气瓶相互连通，所述第五管道上设有第二气阀和第二压力表。
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