[发明专利]基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法

说明书

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，属于海洋工程技术及装备技术领域，包括实验台架、母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸、储缆绞车、四象限马达、被动马达、负载、定滑轮组机构、弹簧机构、控制器和泵站系统；储缆绞车的缆绳穿过定滑轮组机构、末端连接拉力传感器，拉力传感器下端经弹簧机构连接负载；MRU姿态传感器、拉力传感器、拉线位移传感器、泵站系统均与控制器信号连接。本发明在升沉补偿技术方面结合了主被动升沉补偿方式，在更高补偿精度的前提下减少了能耗，提高了系统效率及可靠性，适用的海况范围更广，占用工作空间小，便于安装及维护，可移植性强，极大地降低了使用、维护成本，有更好的综合性能。

技术领域

本发明涉及一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，属于海洋工程技术及装备技术领域。

背景技术

随着世界海洋资源的不断开发以及各国对海洋技术与装备的高度重视，对海洋工程系统及装备的需求量日益增加。诸如海洋油气开采、深海探测、海上风电安装及海上物资运输等重大海洋工程作业中，皆需由船舶起重机执行设备布放和吊装等作业。然而受海上风浪影响，母船在海上作业中会产生横摇、横荡、纵摇、纵荡、艏摇、垂荡六个自由度的运动，带动起吊负载随母船运动，对起吊作业的安全产生很大威胁。

升沉补偿技术就是抵消海洋装备上述六自由度运动中升沉方向运动的补偿校正技术。利用此技术可以避免负载大幅运动且位置不准、钢丝绳断裂、工作效率低下、威胁工作人员人身安全等一系列问题，从而大幅增强海洋作业的效率及安全性。升沉补偿系统按照补偿形式分为被动补偿、主动补偿和主被动补偿。在负载发生变化之后，被动补偿系统利用蓄能器缓冲的原理，通过压力的变化驱动补偿装置动作，此种升沉补偿方式存在着精度低、滞后严重、补偿效率低、无法适应恶劣海况等诸多短板。主动式升沉补偿系统依靠系统本身的能源动力，通过检测元件和控制器的共同作用，使负载几乎与海上作业设备同时、反向运动，改进了被动补偿系统的缺点和不足，但是主动升沉补偿系统存在着造价及能耗较高的问题。主被动补偿器是主动补偿和被动补偿的结合，应用较为广泛，但仍存在能量损失，结构复杂，且无法解决穿越浪溅区时缆绳断裂或脱缆等问题。因此，无论是被动补偿、主动补偿还是主被动补偿装备的研制都需要做大量实验确保有效性才能投入实际使用。

升沉补偿系统实海况测试成本巨大，且遇恶劣天气时，施工工期拖延导致耽误研制进度，而现有的升沉补偿实验台大多功能单一，系统参数大多为设计好的，难以根据所需更改，实验台适应性较差，且一般不能模拟负载实际工况的功能，例如，中国专利文献CN114279737A提出了一种升沉补偿实验台架，采用动滑轮式机械结构进行海浪模拟，油缸结合蓄能器式结构用于补偿的形式，虽较好地模拟了海浪上升下降，但忽略了真实工况下负载与水之间的相互作用关系；中国专利文献CN 101032996A提出了一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统，采用蓄能器和比例溢流阀建立了液压马达两端恒定的压差实现被动补偿，虽相较于传统被动补偿提高了精度，但因被动补偿方式自身的滞后性和单一性，其相较于主动式或半主动式仍有较大差距，且其液压回路较为复杂，增加了成本；中国专利文献CN 104851354A提出了一种船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，采用双电机作为补偿驱动器，可伸缩杆带动平台模拟船舶运动，水槽模拟负载入水，实验条件较为完备，但与实际使用情况较为偏离，电机作为驱动器不能很好地模拟大多数实际工程使用的液压驱动方式，含虎克铰的可伸缩杆其长度经计算机逆运动学方程计算后可能产生较大偏差，作为反馈信号可能不够精确，水槽仅底部放置不同材质材料模拟不同海底状况，忽略了水面波浪及水流流动才是对升沉补偿系统造成影响的主要因素。

为此有必要建立能灵活根据所需更改系统参数且能进行模拟海况测试的实验台，更好地验证所研制升沉补偿控制系统的有效性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，在升沉补偿技术方面结合了主被动升沉补偿方式，在更高补偿精度的前提下减少了能耗，提高了系统效率及可靠性，适用的海况范围更广，占用工作空间小，便于安装及维护，可移植性强，极大地降低了使用、维护成本，有更好的综合性能。