有效負載控制設備、方法和應用
【專利說明】
【背景技術】
技術領域
[0001]本發明的實施例大體上是在控制和/或定位不穩定介質(例如，空氣、水)中的物理有效負載的領域中，且更特別地，涉及用于控制和/或定位不穩定介質中的有效負載和補償由所述介質引起的起伏或其它不受控運動(例如，海浪動作)的方法和設備及其應用。
[0002]相關技術
[0003]起伏補償大體上涉及調整或以其它方式補償水面船只在船外懸掛于水體中、提升或下降通過水體和/或著陸于海底、水面平臺或船塢或另一船舶上的設備的運動的系統。在所有這些情況中，由作用于水面船只上的波浪動作引起的所述水面船只的運動基本傳遞到，或者在一些情況下放大且傳遞到從所述船只通過繩索(rope)、纜繩(cable)、鏈條、皮帶或者柔性或剛性的類似連接介質懸掛的有效負載。
[0004]圖1和2所示為起伏補償系統用于解決的問題的實例。具有甲板10的水面船只I在由水線2指示的水體的表面上浮動。甲板10架高于水線2上方，且有機器附加到甲板10。配置有起重機40或類似的提升機構，以便能夠在船外提升有效負載60并通過繩索或纜繩30升高或降低所述有效負載60，所述繩索或纜繩30 —端連接到有效負載60，另一端連接到絞盤20。纜繩30經過船外滑輪50，在此處纜繩30的方向從接近水平改變為垂直。當停置時，纜繩30中的張力標稱地等于有效負載60的重量加上纜繩30在船外滑輪50與有效負載60之間的重量。
[0005]在圖2中，船只I因波浪動作而升高高于參考線100，船只I先前低于所述參考線100，如圖1所示。這在有限的時段內發生，其中，船只1、且更特別地，船外滑輪50向上加速。船只I由于停在較接近甲板的由水線2指示的水中較深處而抵抗此加速。由于作用于有效負載60自身質量的重力加上在運動時作用于有效負載60上的水的迎面阻力，有效負載60也抵抗此加速。因此纜繩30中的張力增加，直到有效負載60的垂直速度等于或超過船外滑輪50的速度為止。纜繩30中的增加的張力可為極大值，且在系統的所有組件上引入負載，包括在甲板10、絞盤20、起重機40、船外滑輪50以及有效負載60上。整個系統必須經過工程設計，以在界定安全操作窗口的特定海洋狀態的前提下承受將作用于系統上的力；否則，一個或另一個系統組件將發生故障，危及任務、設備、人員和/或有效負載。
[0006]當船只I的向上運動減速且隨后開始下落回到或通過其起始位置時，所有的力和張力都減小，但機械故障的危險沒有消失，只是被延遲直到所述運動停止為止。與重力一起作用以抵抗有效負載60向上移動也阻止有效負載60像僅有重力作用那樣快地下落的相同的拖曳力將導致有效負載60下落。事實上，可能的是船外滑輪50可能比有效負載60更快地下落。這將允許纜繩30中的張力下降到零且松弛以在纜繩30的一或多個部分中積累。在此情況下，有效負載60向下加速，僅受其在水中的阻力抵抗而沒有纜繩30的先前從上方支撐有效負載60的任何張力。當船外滑輪50的向下運動結束且隨后反轉時，纜繩30將在“突發載荷”情況中變為拉緊。突發載荷能夠輕易地超過纜繩30的斷裂強度和/或系統的其它機械組件的額定操作能力。纜繩30斷裂和/或系統的其它組件的損壞可導致有效負載60的損失、時間和金錢的損失以及造成傷害或死亡。
[0007]可將起伏定義為船舶上由波浪動作引起的船外滑輪50的垂直運動，且采用起伏補償系統使上述影響最小，從而加寬船舶及其機器在執行任務時的安全操作窗口。
[0008]圖3所示為完全基于彈簧的無源起伏補償系統的常規實例。所述系統是無源的，因為一旦開動，除了由船只和有效負載自身的運動引入到系統中的能量之外，所述系統不需要額外的能量。甲板10、絞盤20、纜繩30、船外滑輪50和有效負載60如之前附圖中所示。船外滑輪50與前述一樣由起重機40 (未圖示)支撐。兩個滑輪塊70和80通過彈簧90彼此分離。滑輪塊70固定在適當位置，且可稱為“固定滑輪塊”，而滑輪塊80是可移動的，且可稱為“飛行滑輪塊(flying sheave-block) ”。飛行滑輪塊80可選地在支撐結構(未圖示)內垂直移動，所述支撐結構使飛行滑輪塊80在固定滑輪塊70上方穩定地處于中心。如所說明，彈簧90基本垂直定向，滑輪塊70、80中的一個在另一個上方對齊，但水平布置也是可能的和常見的。在之前的圖中從絞盤20傳遞直接經過船外滑輪50的纜繩30在此改為首先圍繞固定滑輪塊70和飛行滑輪塊80兩者形成一完整路徑，然后取道經過船外滑輪50。說明了圍繞滑輪塊70、80兩者的一個完整路徑，但是也經常采用多遍路徑，通常為2遍(機械上有利的為4遍)，以便飛行滑輪塊80的較短游程能夠以較強的彈簧為代價適應較長的起伏游程。其它滑輪布置也是可能的，且本領域的技術人員很容易理解。
[0009]圖3A所示為圖2中的機器對向上起伏情況的反應。向上起伏A增加纜繩30上的張力且使彈簧壓縮，減小了滑輪塊之間的距離B，且使纜繩30在滑輪塊周圍經過的某個部分釋放，如圖所示。在圖3B中所示的向下起伏情況A期間，纜繩30上減小的張力將允許彈簧伸展，增大滑輪塊之間的距離B，這又收緊繩索30中原本可能松弛的部分。可見，彈簧常數必須與負載匹配，所述負載包含有效負載60加上纜繩30在船外滑輪50與有效負載60之間的重量。如果忽略摩擦力，那么剛才描述的無源系統非常類似于插入在船外滑輪50與有效負載之間的繩索30中的彈簧70，如圖4所示。
[0010]實際上，基于正在處置的負載的質量改變螺旋彈簧是不實際的。所述無源起伏系統中的彈簧改為“氣體彈簧”，且典型的組件如圖5中所示。氣體彈簧200包括在活塞外殼220內自由移動的活塞210以及底部密封件230。活塞具有密封件211，防止氣體在活塞210與活塞外殼220之間通過。活塞外殼220底部處存在管道，所述管道允許氣體在活塞組合件239與蓄壓器240之間自由通過。活塞外殼220內在活塞密封件211下方的體積連同蓄壓器240內的體積一起構成一壓力容器。通過一系列氣瓶250中的管道，所述壓力容器的體積進一步增大。所述氣體通常為氮氣或空氣，但也可利用其它氣體。隨著活塞210推進到活塞外殼220中，密封件211下方的氣體移位且因此在構成所述壓力容器的所有組件內均勻地被壓縮。忽略關于溫度和非理想氣體的眾所周知的細節，根據波義耳定律(Boyles Law),壓力P乘以體積V為常數，通過改變氣體彈簧200的氣體填充部分內的壓力調整系統的彈簧常數。圖5中的完全氣動彈簧表示無源起伏彈簧，但出于一些對此處的討論不重要的原因，通常使用組合式氣體-流體彈簧(gas-over-fluid spring)，如圖6中所示。在此類彈簧中，活塞外殼220在活塞密封件211下方填充有流體241，蓄壓器242的實質部分以及連接活塞外殼220和蓄壓器242的管道235也填充有所述流體241。當活塞210推進到活塞外殼220中時，其將液壓流體移位到蓄壓器的底部中，而不是直接壓縮氣體。氣體-流體界面243在蓄壓器240內。隨著蓄壓器240中的流體液位增加，流體以恰與圖5的全氣動版本中活塞自身相同的方式壓縮蓄壓器240的上部部分以及壓力容器的其余部分中的氣體。
[0011]通過改變壓力容器中的壓力很容易調整氣體彈簧中的彈簧常數。
[0012]圖7所示為所討論的無源起伏補償系統中的氣體彈簧的主要組件。以上在此說明和討論的系統具有單個氣動或液壓活塞，但在飛行滑輪塊80與固定滑輪塊70之間可以存在一個以上活塞(經常是兩個)，它們饋通(feed)到同一個蓄壓器240。
[0013]基于氣體彈簧的無源起伏補償系統廣泛使用、簡單，且在將纜繩30隔絕于張力的極端波動方面非常有效。然而，所述彈簧僅響應于在船外滑輪50處的繩