纵向刚度可控台车定位系统的制作方法

本发明涉及工程船舶技术领域，具体地，涉及一种纵向刚度可控台车定位系统。

背景技术：

大型工程船舶通常设置台车定位系统来达到精确定位和移位船舶的目的。台车定位系统通常布置在船艏或船艉端部的台车开槽内，在工作中，首先通过钢桩升降装置将钢桩插入至海床完成定位；进一步利用行走油缸的伸缩来推拉船体进行船舶移位。在移位过程中，控制系统依靠台车行程传感器发送指示信号来准确控制船舶移位距离，因而可以实现船舶精确定位和移位，显著地提高生产效率。

然而，随着大型工程船舶作业能力的不断提升和作业范围向外海拓展，其施工作业载荷和风、浪、流等外界环境载荷均成倍地增加，船舶运动幅度也大大增加。其中，船舶纵摇运动会对钢桩定位系统产生与运动幅度成正比的附加弯矩，当该附加弯矩超过钢桩定位系统承载能力时，将造成钢桩折断等严重安全事故。因此，台车定位系统需要具有良好的船体运动适应性能和缓解钢桩冲击载荷的能力。

专利文件cn208056152u公开了一种柔性钢桩台车系统，采用一组包括柔性缓冲装置的前平衡梁装置和一组后平衡梁装置来增加钢桩台车系统的纵摇自由度，然而该系统在行进过程中需要两根行走油缸实时同步，控制难度高。

专利文件cn106414230b公开了一种定位桩台车偏置系统、定位桩台车、用于容纳船舶的工作定位桩的设备以及船舶，采用了张紧油缸和钢丝绳组合式缓冲系统来吸收作用在台车定位系统上的纵摇力矩，然而钢丝绳在实际应用中会产生较大的永久伸长变形，从而抵消张紧油缸的有效行程，影响缓冲效果，其中专利文献cn106536829a、专利文献wo2015174838a1也存在类似的问题。

专利文件cn101906767b公开了了一种挠性的定位桩托架，采用彼此铰接的第一和第二托架，并设置了两组缓冲油缸，然而该系统的两组缓冲油缸机构设计较为复杂，在恶劣海况下的可靠性较低。

专利文件cn201296941y公开了一种绞吸挖泥船单钢桩台车与三缆组合定位系统，绞吸挖泥船单钢桩台车与三缆组合定位系统,包括单钢桩台车,其特点是:单钢桩台车定位机构和三缆定位机构组合成挖泥船定位系统。单钢桩台车定位机构包括一根钢桩、行走台车以及钢桩起放装置；三缆定位机构设有三根定位缆,每一根定位缆设有动力收放装置,定位缆端部装有定位锚，但该设计不能实现自适应的调整，动作不够灵活。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种纵向刚度可控台车定位系统。

根据本发明提供的一种纵向刚度可控台车定位系统，包括：

固定桩，包括工作状态和备用状态，当在工作状态时用于船体的定位；

台车主体，连接所述固定桩并安装在所述船体上；

台车行进子系统，分别连接所述台车主体、船体，能够调节所述台车主体和船体之间的距离；

台车纵摇缓冲子系统，安装在所述台车主体上并与所述船体活动配合。

优选地，所述台车行进子系统能够在所具有的行进驱动组件的驱使下使所述船体依靠自身轨道组件的导向进而实现船体沿径向方向位置的调整。

优选地，当所述船体在外力的作用下发生纵摇运动时，所述台车纵摇缓冲子系统通过所具有的纵摇缓冲装置能够自适应调节由于所述纵摇运动导致的所述船体与所述台车主体的弯矩，进而能够降低所述弯矩的峰值。

优选地，所述纵摇缓冲装置的数量为四组，四组所述纵摇缓冲装置沿所述台车主体的周向布置且相对于台车主体对称布置。

优选地，所述纵摇缓冲装置通过所具有的纵摇驱动组件与缓冲体的活动配合能够使缓冲体柔性承载来自所述船体的压力。

优选地，所述缓冲体采用滑动或滚动的方式与船体自身的轨道组件活动配合且当所述缓冲体受到来自所述轨道组件变化的压力时通过相连接的带有转动轴的连接臂的转动与纵摇驱动组件驱动配合。

优选地，所述纵摇驱动组件包括纵摇缓冲油缸以及纵摇缓冲油缸蓄能器；

所述纵摇缓冲油缸上设置有缸体腔室，所述缸体腔室通过液压管路与所述纵摇缓冲油缸蓄能器连接。

优选地，所述缸体腔室通过单向阀连接有液压泵。

优选地，还包括固定桩升降子系统，所述固定桩升降子系统安装在台车主体上并能够驱使固定桩沿轴向方向运动。

优选地，还包括固定桩倾倒子系统，所述固定桩倾倒子系统安装在台车主体上并能够驱使固定桩在直立状态和倾倒状态之间切换。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用刚度可调节的台车纵摇缓冲子系统和一组单转点台车行进子系统，将台车主体在纵摇方向上弹性连接于船体，增加了台车主体相对船体横轴的旋转自由度和纵摇回复刚度，解决了传统钢桩定位系统不能顺应船体纵摇运动的问题，同时通过纵摇缓冲子系统传递和吸收台车定位系统受到的纵摇弯矩，达到减小纵摇弯矩峰值的效果。

2、本发明通过采用四组相对独立工作的纵摇缓冲装置，缓冲滚轮或滑块在行进过程中可根据缓冲轨道上表面的纵向变形情况自适应调节位置，保证各缓冲滚轮或滑块始终与缓冲轨道上表面接触，均匀承载，解决了缓冲滚轮或滑块由于缓冲轨道存在纵向形变而受力不均的问题。

3、本发明通过在缓冲滚轮(滑块)上安装自调心轴承，可调整缓冲滚轮(滑块)与缓冲轨道上表面的接触角度，解决了缓冲滚轮或滑块由于缓冲轨道上表面横向形变导致受力不均的问题。

4、本发明通过控制台车纵摇缓冲子系统液压系统工作压力，使得台车系统可根据实际工作海况条件选择不同的回复刚度特性，解决了台车定位系统在纵摇冲击载荷作用下易发生结构失效的问题，从而提高了台车定位系统对不同海况的适应性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的侧面结构示意图；

图2为后面的结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图；

图4为图1中det.a部位的局部放大示意图；

图5为图4中b-b向的剖面结构示意图

图6为本发明缓冲滚轮适应轨道横向形变的结构示意图；

图7为本发明纵摇运动(艏倾3度)的结构示意图；

图8为本发明纵摇运动(艉倾3度)的结构示意图；

图9为纵摇缓冲装置液压系统示意图；

图10为本发明不同纵摇角度下台车定位系统受力对比。

图中示出：

船体100第三转轴5015

船体开槽结构101纵摇缓冲油缸5016

右行进轨道102第四转轴5017

左行进轨道103油缸支座5018

右缓冲轨道104纵摇缓冲油缸蓄能器50111

左缓冲轨道105自调心轴承50116

固定桩200第二纵摇缓冲装置502

台车主体300第三纵摇缓冲装置503

台车行进子系统400第四纵摇缓冲装置504

平衡梁结构401台车行进驱动油缸600

平衡梁中心转轴402固定桩升降子系统700

右平衡梁转轴403起升油缸701

左平衡梁转轴404起升滑轮组702

右支撑装置405提升夹具703

左支撑装置406支持夹具704

台车纵摇缓冲子系统500固定桩倾倒子系统800

第一纵摇缓冲装置501倒桩油缸801

缓冲滚轮(或滑块)5011倒桩托架802

第一转轴5012倒桩托架锁紧装置803

连接臂5013单向阀50117

第二转轴5014液压泵50118

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种纵向刚度可控台车定位系统，如图1～图9所示，包括固定桩200、台车主体300、台车行进子系统400以及台车纵摇缓冲子系统500，其中，固定桩200包括工作状态和备用状态，当在工作状态时用于船体100的定位，本发明中的固定桩200优选采用钢桩。

具体地，所述台车主体300连接所述固定桩200并安装在所述船体100上，在一个优选例中，所述台车主体300上设置有主体通孔，固定桩200贯穿于主体通孔并能够相对于台车主体300沿轴向方向运动。所述台车行进子系统400分别连接所述台车主体300、船体100，能够调节所述台车主体300和船体100之间的距离，所述台车纵摇缓冲子系统500安装在所述台车主体300上并与所述船体100活动配合。

具体地，如图1～图3所示，所述台车行进子系统400能够在所具有的行进驱动组件的驱使下使所述船体100依靠自身轨道组件的导向进而实现船体100沿径向方向位置的调整。船体100用以支撑台车定位系统，包括船体开槽结构101以及轨道组件，所述轨道组件包括右行进轨道102、左行进轨道103、右缓冲轨道104以及左缓冲轨道105，右行进轨道102和左行进轨道103的结构型式相同，由上、下两条互相平行的平面结构组成，相对船体开槽结构101中心线对称布置，并焊接在船体100的中部；右缓冲轨道104和左缓冲轨道105的结构型式相同，相对船体开槽结构101中心线对称布置，并焊接在船体100的上部。

如图1～图3所示，台车行进子系统400的主要功能为承受台车定位系统垂向载荷，所述行进驱动组件优选采用台车行进驱动油缸600，台车行进子系统400能够在台车行进驱动油缸600的作用下沿船体右行进轨道102和左行进轨道103滑动或滚动，台车行进子系统400包括平衡梁结构401、平衡梁中心转轴402、右平衡梁转轴403、左平衡梁转轴404、右支撑装置405和左支撑装置406，其中，平衡梁结构401与台车主体300通过平衡梁中心转轴402转动连接；右平衡梁转轴403和左平衡梁转轴404与平衡梁结构401优选通过焊接方式固定连接；右支撑装置405和左支撑装置406与平衡梁结构401分别通过右平衡梁转轴403、左平衡梁转轴404转动连接；右支撑装置405和左支撑装置406安装于船体开槽结构101内，主要用来承受台车定位系统垂向载荷，分别与右行进轨道102和左行进轨道103平面滑动或滚动接触；右平衡梁转轴403轴线和左平衡梁转轴404轴线共线，且垂直于右行进轨道102和左行进轨道103的上、下平面的法线。所述台车行进子系统400与所述台车主体300活动配合，具体地，台车主体300可绕右平衡梁转轴403和左平衡梁转轴404的共同轴线旋转；平衡梁中心转轴402轴线与右平衡梁转轴403和左平衡梁转轴404的轴线垂直、共面。

在具体应用时，台车纵摇缓冲子系统500安装在台车主体300上，主要为台车定位系统提供纵摇回复刚度。当所述船体100在外力的作用下发生纵摇运动时，所述台车纵摇缓冲子系统500通过所具有的纵摇缓冲装置能够自适应调节由于所述纵摇运动导致的所述船体100与所述台车主体300的弯矩，进而能够降低所述弯矩的峰值。所述纵摇缓冲装置的数量优选为四组，四组所述纵摇缓冲装置沿所述台车主体300的周向布置且相对于台车主体300对称布置。

进一步地，在一个优选例中，四组纵摇缓冲装置结构型式相同，分别为第一纵摇缓冲装置501、第二纵摇缓冲装置502、第三纵摇缓冲装置503以及第四纵摇缓冲装置504，其中，第一纵摇缓冲装置501和第二纵摇缓冲装置502安装在台车主体300的右侧，并与右缓冲轨道104上平面滚动或滑动接触；第三纵摇缓冲装置503和第四纵摇缓冲装置504安装在台车主体300的左侧，并与左缓冲轨道105上平面滚动或滑动接触。

所述纵摇缓冲装置通过所具有的纵摇驱动组件与缓冲体的活动配合能够使缓冲体柔性承载来自所述船体100的压力，所述纵摇驱动组件包括纵摇缓冲油缸5016以及纵摇缓冲油缸蓄能器50111，所述缓冲体优选采用缓冲滚轮(或滑块)5011；进一步地，第一纵摇缓冲装置501和第三纵摇缓冲装置503布置在台车行进子系统400的右平衡梁转轴403和左平衡梁转轴404的共同轴线后方，第二纵摇缓冲装置502和第四纵摇缓冲装置504布置在台车行进子系统400的右平衡梁转轴403和左平衡梁转轴404的共同轴线前方。

具体地，所述缓冲体采用滑动或滚动的方式与船体100自身的轨道组件活动配合且当所述缓冲体受到来自所述轨道组件变化的压力时通过相连接的带有转动轴的连接臂的转动与纵摇驱动组件驱动配合。四组纵摇缓冲装置结构型式相同，以第一纵摇缓冲装置501为例，如图4、图9所示，包括缓冲滚轮(或滑块)5011、第一转轴5012、连接臂5013、第二转轴5014、第三转轴5015、纵摇缓冲油缸5016、第四转轴5017、油缸支座5018以及纵摇缓冲油缸蓄能器50111；缓冲滚轮(或滑块)5011与连接臂5013通过第一转轴5012转动连接，且与右缓冲轨道104上表面滚动(或滑动)接触；在一个优选例中，所述第一转轴5012上还安装有自调心轴承50116，可根据右缓冲轨道104上表面横向变形调整滚轮(或滑块)与右缓冲轨道104上表面的接触角度，从而保证纵摇载荷均匀。

纵摇缓冲油缸5016的活塞杆端与连接臂5013通过第三转轴5015转动连接，纵摇缓冲油缸5016的缸体端与油缸支座5018通过第四转轴5017转动连接，油缸支座5018安装在台车主体300上；连接臂5013通过第二转轴5014与台车主体300转动连接，如图9所示，所述纵摇缓冲油缸5016上设置有缸体腔室，所述缸体腔室通过液压管路与所述纵摇缓冲油缸蓄能器50111相连通，所述缸体腔室通过单向阀50117连接有液压泵50118，当液压管路中的油压降低时，通过开启液压泵50188向液压管路中打入液压油，由于单向阀50177仅能从液压泵50118流向液压管路而不能反向流动因此，能够保证液压管路中的液压油不会再通过单向阀50177反向流回液压泵50188。

具体地，如图9所示，连接臂5013优选为l形结构，将第二转轴5014中心至第三转轴5015中心的距离定义为连接臂长边，将滚轮中心至第二转轴5014中心的距离定位为连接臂短边，其中连接臂长边与连接臂短边的优选长度比介于1.0～2.5之间，且连接臂长边与连接臂短边的优选夹角位于90°～120°之间。

在一个具体地实施例中，台车定位系统钢桩直径为2.1m，纵摇缓冲油缸5016的活塞直径410mm，活塞杆直径310mm，有效工作行程1.2m，纵摇缓冲油缸蓄能器50111的体积450l，液压系统初始工作压力范围8-16mpa，缓冲臂长边1.5m，缓冲臂短边为1.1m，缓冲臂长边与缓冲臂短边夹角110°，如图6～图8所示，台车定位系统最大允许纵摇角为3°。

如图10所示，为本发明与不具有缓冲功能的传统台车定位系统在不同船体纵摇角度下受到的纵摇载荷f的对比，从图中可以看出本发明具有更大的允许纵摇角度范围和更小的固定桩载荷，在传统台车定位系统中，当船体纵摇角度在0.5°时，即达到了如图10中的fmax的载荷数据，在液压系统初始工作压力为12mpa时，固定桩载荷与台车定位系统相比可减小约50％，进一步地，本发明可根据实际海况，在施工时控制液压系统初始工作压力以获得更优的定位精度和施工效率。

本发明中的台车行进驱动油缸600的作用是提供台车定位系统行进所需的驱动力，台车行进驱动油缸600包括行进驱动油缸缸体以及行进驱动油缸活塞杆，行进驱动油缸缸体、行进驱动油缸活塞杆分别与船体100、台车主体300相连接。

具体地，在一个优选例中，还包括固定桩升降子系统700以及固定桩倾倒子系统800，其中，所述固定桩升降子系统700安装在台车主体300上并能够驱使固定桩200沿轴向方向运动，所述固定桩倾倒子系统800安装在台车主体300上并能够驱使固定桩200在直立状态和倾倒状态之间切换，通过固定桩升降子系统700以及固定桩倾倒子系统800能够实现固定桩200在工作状态和备用状态之间进行切换。

更进一步的，本发明中的固定桩升降子系统700的功能是提升和下放固定桩200，如图1、图2、图3、图7、图8所示，所述固定桩升降子系统700包括起升油缸701、起升滑轮组702、提升夹具703和支持夹具704，起升滑轮组702上设置有连接绳，连接绳套在起升滑轮组702上的滑轮上，连接绳的一端连接所述固定桩200的底端，连接绳的另一端连接支持夹具704，所述支持夹具704安装在台车主体300上。

本发明中的固定桩倾倒子系统800的功能是直立和倾倒固定桩200，如图1～图3所示，固定桩倾倒子系统800包括倒桩油缸801、倒桩托架802和倒桩托架锁紧装置803，当固定桩200在固定桩升降子系统700的驱使下运动到最顶部时，倒桩托架802通过倒桩托架锁紧装置803将固定桩200锁紧固定并通过倒桩油缸801驱使倒桩托架80带动倒桩托架锁紧装置803、固定桩200运动，进而使固定桩200从直立状态倾斜放置到倾倒状态。

如图7、图8、图9所示，本发明中纵摇缓冲装置的工作原理为：

当船体100在波浪作用下产生纵摇运动时，右缓冲轨道104和左缓冲轨道105相对台车定位系统发生倾斜，升高处的缓冲轨道通过缓冲滚轮(或滑块)5011驱使连接臂5013绕第二转轴5014转动，从而压缩纵摇缓冲油缸5016的活塞杆产生位移，向纵摇缓冲油缸蓄能器50111中充入液压油，使得纵摇缓冲油缸蓄能器50111内的液压系统压力升高，从而增大纵摇缓冲油缸5016活塞杆的推力，即增大了台车定位系统的纵摇回复力矩；第三纵摇缓冲装置503的工作过程和第一纵摇缓冲装置501的工作过程相同，在此工作过程中，增大了台车定位系统的纵摇回复力矩，第二纵摇缓冲装置502、第四纵摇缓冲装置504的工作过程和第一纵摇缓冲装置501、第三纵摇缓冲装置503的工作过程连接臂的转动方向相反，在此工作过程中，反向减小了台车定位系统的纵摇回复力矩；在以上四组台车纵摇缓冲装置的联合作用下，有效将船体100施加于台车定位系统的纵摇弯矩进行传递，并结合液压蓄能器具有吸收和缓解冲击载荷的优点，达到减小台车定位系统所受纵摇弯矩峰值的效果。

进一步地，如图9所示，纵摇缓冲油缸5016的无杆腔通过液压管路和纵摇缓冲油缸蓄能器50111相连，其中，在一个优选例中，纵摇缓冲油缸5016的缸体腔室还通过液压管路依次连接单向阀50117、液压泵50118，通过单向阀50117和液压泵50118的配合实现了控制和维持液压系统工作压力的作用。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

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