专利名称：缆索水阻尼测试系统变速驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋工程结构，尤其涉及一种大型海洋工程结构物缆索力学性能研究系统。
背景技术：
伴随着人类社会的不断发张，人类对资源的需求逐渐增大，大量的开采和挖掘已经使陆地资源濒临枯竭，于是人类开始将接触角伸向海洋，向海洋要资源。海洋是巨大的资源宝库。就能源资源而言，海洋中蕴藏着丰富的石油、天然气和天然气水合物等能源资源。 尽管过去由于技术不成熟人们对海洋望而却步，但自“深海钻进平台”出现后，人类就开始向几百甚至几千米海洋深处“进军”。海洋油气勘探需要高新技术的支撑，因此海洋油气勘探晚于陆地近一个世纪，而深海的油气勘探又晚于浅海近30年。随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步，深水的概念和范围不断扩大。90年代末，水深超过300m的海域为深水区。目前，以大于500m为深水，大于1500m为超深水。研究和勘探实践表明，深水区油气资源潜力大，勘探前景良好。据估计，世界海上44%的油气资源位于300m以下的水域，其中墨西哥湾深水油气资源量高达 400亿-500亿桶油当量，约占墨西哥湾大陆架油气资源量的40%以上，而巴西东部海域深水油气比例高达90%左右。随着改革开放以来20多年的经济高速发展，我国很快从一个石油出口国转变为石油进口国，其需求逐年上升，陆地上有限的资源已开发殆�。⒏挥星绷Φ纳詈Ｗ试闯晌欢恼铰匝≡瘛５怯捎诩际跎系恼习夜荒茉诮！⑶澈？ⅲ挥新跸蛏詈２拍芊裼诠椅蠢吹姆⒄�。在深海(300米以上的水深)开发能源，涉及到开采、储存、运输、护卫等诸多环节， 深�？傻慕峁刮锿ǔＪ浅笮偷模缒壳暗腇PS0(浮式生产储油卸油船)和SPAR(单立柱平台)，如何让如此庞大的结构物在海上定位并能够正常工作，其系揽和系泊系统就成为关键问题。深海多种条件的复合作用，使得系泊系统的设计困难和复杂。对于FPSO、SPAR这类巨型海上结构物，其系泊系统的设计非常复杂，尤其是随着油气资源的开发越来越转往深水和超深水，深水系泊技术的研究也越来越具有挑战性。在上千米甚至数千米水深的条件下，传统的系泊技术遇到技术上和经济上难以逾越的障碍。 老式的用钢链和钢缆组成的悬链式系泊系统通常只适用于1千米内的水深，当水深超过1 千米后，不仅造价极高，而且带给结构物额外的巨大重量，由于系统提供的回复刚度随水深的增大而降低，致使结构物在极端气象条件下产生较大的水平偏离。近年来，新型系泊方法、新型材料的系缆和新型系泊基础的开发等成为国际范围深水系泊技术研究的焦点和热点。在新材料系缆的研发方面，主要集中在高性能人工合成纤维材料，包括聚酯、芬芳聚酰胺、高模量聚乙烯、尼龙等，研究它们在不同编制结构下的力学和化学性能。近年来国际海洋工程界非常推崇一种新型的绷紧索系泊系统，由于使用新型的聚酯系缆，具有重量轻、回复刚度大、容易操作、系泊基础占用的海床面积小等优点，在深水和超深水条件下的优越性和经济性非常明显。目前有多种用于浮体结构定位的系泊系统，如悬链线系泊、悬链线锚腿系泊、单锚腿系泊、张力腿系泊、系缆桩缓冲系泊等。一般来说，系泊方式是根据系泊力的大小、水深、 系索长度、是否配置中间浮体或沉箱、地形和海床条件来确定。对不同的超大型结构物，其用途不同，因而系泊方式也不同。通常，在收集超大型结构物的设置海域气象海象等环境数据后，对各种系泊方式进行模型试验和数值模拟，最后确定一种合适的系泊方式。目前的新型系泊系统是一种使用纤维缆绳为载体的系泊结构。纤维缆凭借重量轻，刚度大，造价低和安全隐患小等突出优点赢得了诸多青睐。这种结构的系泊系统正广泛应用于深海资源开采。作为新型系泊系统的主要部件，纤维系缆占据着整个系统中至关重要的位置，它是系统受力的主要部分[16]。目前用于纤维系缆的纤维类型主要有聚乙烯，芬芳纤维，高模聚乙烯，以及尼龙。 一般市面上可以买到的主要有锦纶系列、丙纶系列、涤纶系列、涤纶/丙纶混合、芳纶纤维、高分子聚乙烯纤维、防静电纤维绳等。每种纤维缆绳一般都有不同的尺寸和编制结构， 当然也存在很多其他类型的缆绳。系泊结构中一般可以用到3种缆绳结构，即平行扭转绳、平行编制绳、36股绳(钢丝绳结构)。不同的编制结构所拥有的性能不一样，多丝的、多股的、带绳芯的组合再加上适当的外部编制层均能够在不同程度上提高绳索的力学性能。在选用系泊缆绳时，虽然制造商可以提供一定的绳索力学参数，但往往与实际情况有所差距，在使用到复杂的工程设计中时此数据还远远不足以取信。对于这些问题的深入研究在国内外还并不多见，但随着深海工程的逐渐深入，系泊系缆的静力破断特性、蠕变特性、疲劳特性等将逐渐受到关注。由于技术及实验空间的限制，模拟海洋环境不同流速的海水流动难度太大，不易实现。因此考虑在静止流体中模拟系缆运动情况，即在静止的水环境中通过控制系缆运动速度来实现不同流动速度的模拟。因速度是相对的，海水相对与缆绳的流动即缆绳相对于海水的流动，因此该设备通过控制缆绳相对于水的速度来实现海洋环境不同流速的海水流动对缆绳力学性质的影响；且在缆绳在水中运动的过程中记录下缆绳所受到的阻尼力。对研究系缆在海洋中的力学特性提供依据。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，带有本发明变速驱动装置的缆索水阻尼测试系统，可模拟系缆在不同流速下的受到的洋流冲击的力学模型，从而实现系缆在水环境中所受的阻尼力的测量。为了解决上述技术问题，本发明缆索水阻尼测试系统变速驱动装置予以实现的技术方案是包括机架、动力单元、传动机构和测速单元；所述动力单元包括变频电机和变频器；所述机架上方设有轨道，所述轨道包括水平段和下坡段；所述传动机构采用链轮/链条传动机构；所述测速单元包括一轮绳传动结构、一光电编码器、一数据采集系统电路板和一计算机；所述轮绳传动结构包括设置在机架上的多个传动滑轮；所述光电编码器的输入端由两个转动轮构成，所述两个转动轮与所述轮绳传动结构中的一个传动滑轮形成一中间轮绳传动结构；所述光电编码器与所述数据采集系统电路板连接，所述数据采集系统电路板与所述计算机连接。本发明缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，其中，所述链轮/链条传动机构设有链条张紧结构，所述链条张紧结构由底座和固定在从动链轮轮轴上的张紧器构成，所述底座固定在机架上，所述张紧器由设置在从动链轮轮轴上的轴承支座及与所述轴承支座连接的反向螺纹杆构成，通过旋转螺纹杆调节链轮/链条传动机构中两个链轮的中心距。所述轮绳传动结构中的传动滑轮的个数为六个，所述六个传动滑轮均布置在机架的同一侧面。 所述轮绳传动结构与所述中间轮绳传动结构之间包括一共用传动滑轮。与现有技术相比，本发明的有益效果是由于本发明中的电机采用变频电机，因此，可进行连续调速，以实现实验中缆绳由静止到勻速的勻速起速过程，避免由于速度突变给实验结果带来的影响。本发明中设有链条张紧结构，用于链条的预紧，以尽量减小由于链条较长所产生的挠度弯曲。
图1是本发明缆索水阻尼测试系统变速驱动装置的主视图；图2是图1所示变速驱动装置的俯视图；图3是图1中所示链轮张紧结构示意图；图4是图1所示变速驱动装置左部分左上视角的立体结构示意图；图5是带有夹持结构的变速驱动装置的左部分左上视角的立体结构示意图；图6是与本发明配合的缆索承载车收纳格固定的弹起块的结构示意图。图中10——机架20——传动机构 30——变频机构41——轮绳传动结构 42——光电编码器 43——中间轮绳传动结构411——传动滑轮50——轨道
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图1和图2所示，本发明一种缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，包括机架10、 动力单元30、传动机构20和测速单元，所述动力单元30包括变频电机和变频器；所述机架 10上方设有轨道50，所述轨道50包括水平段和下坡段；所述传动机构20采用链轮/链条传动机构，所述链轮/链条传动机构设有链条张紧结构21，所述链条张紧结构21由底座和固定在从动链轮轮轴上的张紧器(如图3所示)构成，所述底座固定在机架10上，所述张紧器由设置在从动链轮轮轴上的轴承支座及与所述轴承支座连接的反向螺纹杆构成，通过旋转螺纹杆调节链轮/链条传动机构中两个链轮的中心距，如图4所示。如图1所示，所述测速单元40包括一轮绳传动结构41、一光电编码器42、一数据采集系统电路板(图中未画出)和一计算机(图中未画出)；所述轮绳传动结构41包括设置在机架10上的多个传动滑轮411，所述轮绳传动结构41中的传动滑轮411的个数为六个，所述六个传动滑轮411均布置在机架10的同一侧面，之所以设置有多个传动滑轮411是因为如果是两个的话，则在缆索承载车运动过程中，其震动会比较大，对速度采集影响较大，而采用多个滑轮，可起到张紧作用，以有效的防止传动绳下垂，由于传动绳的下垂会直接导致传动绳与滑轮之间打滑，从而会产生较大的测试误差。所述光电编码器42的输入端由两个转动轮构成，所述两个转动轮与所述轮绳传动结构41中的一个传动滑轮411形成一中间轮绳传动结构43，所述轮绳传动结构41与所述中间轮绳传动结构43之中包括一共用传动滑轮；所述光电编码器42与所述数据采集系统电路板连接，所述数据采集系统电路板与所述计算机连接。本发明用于缆索水阻尼测试系统中的中主要功能的实现是机架主要起到整体的支撑作用，机架上焊接有系缆承载车的运行轨道，整个系统的动力来自于变频电机，利用变频电机及变频器实现系缆不同的运动速度的改变，从而得出系缆在不同流速下的阻尼力。采用链轮/链条传动机构以实现高速链条的运动，通过高速链条的运动带动系缆承载车的运动，进而实现系缆的运动，另外，在链轮/链条传动机构中设有链条张紧结构，由于链条属于柔性件，长链条易发生弯曲，产生弯曲挠度，不利于链条的稳定运行，因此，利用该链条张紧结构可以起到链条预紧调节的作用，本发明中的链条张紧结构通过调节预紧调节从动链轮轮轴的水平位置，实现链条的预紧，该链条张紧结构包括底座和固定在从动链轮轮轴上的张紧器构成，底座与机架焊接，所述张紧器由设置在从动链轮轮轴上的轴承支座及与所述轴承支座连接的反向螺纹杆构成，通过旋转螺纹杆， 可调节轴承支座的水平位置，从而加大或缩小两个链轮的中心距。本发明中利用轮绳传动结构、光电编码器和数据采集系统电路板配合计算机系统实时跟踪测量系缆在水环境中的实际运动速度。如图5所示，利用本发明带动缆索承载车进行缆索水阻尼测试时，为了使链条可以带动设置在轨道上的缆索承载车100，在缆索承载车100和链条上分别配置有弹起块101 和撞块202，即在缆索承载车100上焊接有可以手动拨起的弹起块101，弹起块101是通过销轴与焊接在缆索承载车100上的一固定板连接，弹起块101可以绕销轴转动竖起，在固定板与弹起块之间设有一拉簧，借助外力拉簧将竖起的弹起块101拉起。在链条的外周上固定一撞块202，在撞块202和弹起块101的碰撞面上均粘贴橡胶以达到减震效果。图6所示是弹起块101还未竖起的状态。链条转动过程中，固定其上的撞块202同步移动，当撞块 202与竖起的弹起块101碰撞后，链条将动力传递给缆索承载车，缆索承载车沿轨道50移动，经过轨道50上的水平(实验)段后，弹起块101和撞块202脱离。测试完成后，可手动拨动转动块，使转动块绕销轴逆时针转动后，层叠到底板上方，手动将缆索承载车100推回起点位置，等待进行下一次的测试。带有本发明变速驱动装置的缆索水阻尼测试系统的动力传递的过程是将缆索承载车安装到轨道上，并在链条上装配撞块；通过调节链条张紧结构使得链条预紧，以尽量减小链条弯曲。启动变频电机，当链条起速至勻速后，手动将缆索承载车上的弹起块弹起，链条继续运行，当链条上的撞块与弹起块碰撞接触后，撞块推动缆索承载车100 —起勻速运动。经过水平的实验段后，缆索承载车100进入轨道的下坡端，弹起块101与撞块202分离， 缆索承载车100进入减速阶段，最终�？烤仓乖诠斓老缕露蔚木⊥�。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，包括机架(10)、动力单元(30)和传动机构 (20)，其特征在于所述动力单元(30)包括变频电机和变频器；还包括测速单元；所述机架(10)上方设有轨道(50)，所述轨道(50)包括水平段和下坡段；所述传动机构00)采用链轮/链条传动机构；所述测速单元包括一轮绳传动结构(41)、一光电编码器(42)、一数据采集系统电路板和一计算机；所述轮绳传动结构Gl)包括设置在机架(10)上的多个传动滑轮Gll)；所述光电编码器0 的输入端由两个转动轮构成，所述两个转动轮与所述轮绳传动结构Gl) 中的一个传动滑轮Gll)形成一中间轮绳传动结构；所述光电编码器0 与所述数据采集系统电路板连接，所述数据采集系统电路板与所述计算机连接。
2.根据权利要求1所述的缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，其特征在于所述链轮 /链条传动机构设有链条张紧结构(21)，所述链条张紧结构由底座和固定在从动链轮轮轴上的张紧器构成，所述底座固定在机架(10)上，所述张紧器由设置在从动链轮轮轴上的轴承支座及与所述轴承支座连接的反向螺纹杆构成，通过旋转螺纹杆调节链轮/链条传动机构中两个链轮的中心距。
3.根据权利要求1所述的缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，其特征在于所述轮绳传动结构中的传动滑轮Gll)的个数为六个，所述六个传动滑轮(411)均布置在机架 (10)的同一侧面。
4.根据权利要求1所述的缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，其特征在于所述轮绳传动结构Gl)与所述中间轮绳传动结构G3)之中包括一共用传动滑轮。
全文摘要
本发明公开了一种缆索水阻尼测试系统变速驱动装置，包括机架、动力单元、传动机构和测速单元；动力单元包括变频电机和变频器；机架上方设有轨道；传动机构采用链轮/链条传动机构；测速单元包括轮绳传动结构、光电编码器、数据采集系统电路板和计算机；轮绳传动结构包括设置在机架上的多个传动滑轮；光电编码器的输入端由两个转动轮构成，两个转动轮与轮绳传动结构中的一个传动滑轮形成一中间轮绳传动结构；光电编码器与数据采集系统电路板，数据采集系统电路板与计算机连接。带有本发明动力和调速装置的缆索水阻尼测试系统，可模拟系缆在不同流速下的受到的洋流冲击的力学模型，从而实现系缆在水环境中所受的阻尼力的测量。
文档编号G01N19/00GK102279070SQ20111019608
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者周改丽, 李林安, 李水娇, 王世斌, 雷震名 申请人:天津大学
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