力矩平衡式海洋石油平台用水文绞车

摘要

本发明属于海洋环境立体监测领域，具体地说是一种力矩平衡式海洋石油平台用水文绞车，安装在海洋石油平台上，包括底座、支撑架体及力矩平衡式绞联滚筒组，支撑架体通过底座安装在海洋石油平台上，力矩平衡式绞联滚筒组包括主动的大滚筒及从动的小滚筒，大、小滚筒通过一对齿轮啮合同步转动，大滚筒上缠有信号缆的一端，信号缆的另一端连接有观测设备，小滚筒上缠有承重缆的一端，承重缆的另一端连接重块，大、小滚筒转向相反，分别收放信号缆和承重缆，大、小滚筒所受信号缆和承重缆拉力的力矩相平衡。本发明的海洋石油平台用水文绞车借助力矩平衡和系统能量守恒的原理，以较小的驱动力实现了从海底到海表面的海洋要素立体观测。

说明书

技术领域

本发明属于海洋环境立体监测领域，具体地说是一种利用力矩平 衡和能量守恒原理，实现对海洋石油平台附近水文参数（如海流、水 文、盐度等）进行长期、定点、实时、立体监测的力矩平衡式海洋石 油平台用水文绞车。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，海洋是能源开采的热点。比如，我国 南沙海域的石油储量丰富，具有油气开发的良好前景和条件。可以预 料，南海储油区将是今后一个时期，中国海上石油开发的重点。要在 海上开采石油，保障海洋石油平台的安全性，必须对海洋工程设施产 生重大作用和影响的海洋环境有充分的了解。实际观测表明，海洋中 对海洋工程设施产生重大作用和影响主要是海洋内波和海流等。海洋 石油平台建设和运行过程中要求掌握这些动态的海洋水文环境变化。

目前，对石油平台周边海洋水文环境变化的监测多采样在平台周 边布放潜标，或者在石油平台上人工吊放设备观测，潜标观测很难实 现对所有海洋环境要素进行从海面到海底的立体观测，人工吊放设备 费时、费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用力矩平衡和能量守恒原理，实现 对海洋石油平台附近水文参数（如海流、水文、盐度等）进行长期、 定点、实时、立体监测的力矩平衡式海洋石油平台用水文绞车。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的水文绞车安装在海洋石油平台上，包括底座、支撑架体 及力矩平衡式绞联滚筒组，其中支撑架体通过底座安装在海洋石油平 台上，所述力矩平衡式绞联滚筒组包括主动的大滚筒及从动的小滚 筒，大滚筒与小滚筒通过一对齿轮啮合同步转动，所述大滚筒上缠有 信号缆的一端，信号缆的另一端连接有观测设备，所述小滚筒上缠有 承重缆的一端，承重缆的另一端连接重块，所述大滚筒、小滚筒转向 相反，分别收放信号缆和承重缆，大滚筒与小滚筒所受信号缆和承重 缆拉力的力矩相平衡。

其中：所述大滚筒及小滚筒的两端均设有连接定位板，两端的连 接定位板之间安装有多根连接轴、与两端的连接定位板构成一框架， 大滚筒及小滚筒上下容置于该框架内，并分别转动安装在所述两端的 连接定位板之间；作为小滚筒轴的丝杠转动安装在支撑架体上，作为 小滚筒端盖的丝母与所述丝杠螺纹连接，所述连接定位板与丝母相 连，通过丝母与丝杠的螺纹连接实现力矩平衡式绞联滚筒组在收放缆 的同时沿丝杠的轴向往复移动；

所述大滚筒包括由密封筒及密封连接在密封筒两端的大滚筒端 盖组成的密封壳体，以及分别设置在该密封壳体内的电机、控制电路 板、内支轴、重物摆，其中两端的大滚筒端盖的外表面均设有外支轴， 该外支轴转动安装在所述连接定位板上，任一端的外支轴上固接有大 滚筒齿轮；所述内支轴转动安装在两端的大滚筒端盖上，重物摆悬挂 在该内支轴上、并可绕内支轴的轴向中心线摆动；所述电机及控制电 路板分别安装在重物摆上，电机与控制电路板电连接，电机的输出轴 在密封壳体内部的密封空间中转动，通过传动装置驱动整个大滚筒旋 转，将转动传递到大滚筒的外部；

所述传动装置为内啮合齿轮组，包括齿轮及内齿轮，其中齿轮连 接在电机的输出轴上，内齿轮安装在密封壳体一侧大滚筒端盖的内表 面、并与所述齿轮啮合；所述电机通过齿轮与内齿轮的啮合传动带动 所述大滚筒端盖、进而驱动整个大滚筒旋转；

所述重物摆包括内固定架及电池包，其中内固定架悬挂在所述内 支轴上、并可绕内支轴的轴向中心线摆动，所述电池包安装在内固定 架的下部，所述电机及控制电路板分别固接在内固定架的顶部；所述 电池包为半圆柱结构，其轴向的中心线与所述内支轴的轴向中心线相 平行，在电池包的底部包有增加其重量的铅坠；所述内固定架顶部在 内固定架轴向的两侧均设有托板，所述电机及控制电路板分别固接在 内固定架轴向两侧的托板上；所述外支轴通过大滚筒滚动轴承安装在 所述连接定位板上，在大滚筒滚动轴承的外部罩有固接在所述连接定 位板上的大滚筒轴承套；

所述小滚筒筒体两端分别设有作为小滚筒端盖的丝母，该丝母通 过小滚筒滚动轴承安装在连接定位板上，在小滚筒滚动轴承的外部罩 有固接在所述连接定位板上的小滚筒轴承套；任一端的丝母上固接有 小滚筒齿轮；所述作为小滚筒轴的丝杠由小滚筒筒体穿过，分别与两 端的丝母螺纹连接；

所述支撑架体上设有导轨，两端的连接定位板的下部均安装有在 导轨上滑动的滑动体；所述支撑架体的上方及下方分别开有上导缆孔 及下导缆孔，所述信号缆由上导缆孔穿入、缠绕在大滚筒上，所述承 重缆由下导缆孔穿入、缠绕在小滚筒上。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明的海洋石油平台用水文绞车借助力矩平衡和系统能量 守恒的原理，以较小的驱动力实现了从海底到海表面的海洋要素立体 观测。

2．本发明的大滚筒内设有定时驱动机构，实现了以低能耗方式 对海洋石油平台附近海洋动力要素的长期、定时、无人值守的垂直剖 面测量，它具有节能、高效和抗生物附着能力强等特点。

3．本发明是对现有海洋水文绞车的创新性改进，是对海上传统 现场测量方式的有益补充。

4．本发明借助一大一小两个绞接在一起的联动一体式滚筒，根 据力矩平衡原理，在大滚筒内部施加一较小的驱动力，则在小滚筒的 绕绳上就可以产生较大的拉力，提高了工作效率。

5．本发明将电机安装在密封壳体内，电机输出轴在密封空间内 转动，电机的动密封转化为静密封，不受工作环境的影响，增加了密 封的可靠性。

6．本发明由于无需采用动密封，减少了电机输出轴转动摩擦消 耗的能量，提高了电机驱动的机械效率。

7．本发明在大、小滚筒收放缆的同时通过丝杠丝母的螺纹连接， 可以使大、小滚筒沿丝杠的轴向往复移动，将回收的信号缆或承重缆 整齐有序地缠绕在筒体上。

8．本发明在大、小滚筒沿丝杠的轴向往复移动过程中，通过滑 动体与导轨的配合，使得大、小滚筒移动平稳。

9．本发明上、下导缆孔相对自身的支撑架体无位移，可以保证 有序地收放信号缆或承重缆。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明安装在海洋石油平台上的工作状态图；

图3为图1中力矩平衡式绞联滚筒组的内部结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为图3中大滚筒的内部结构示意图；

图6为图5的左视图；

图7为图5中内固定架的结构示意图；

图8为图4中导轨的结构示意图；

图9为图8的左视图；

其中：1为观测设备，2为水文绞车，201为底座，202为重块， 203为承重缆，204为支撑架体，205为信号缆，206为上导缆孔，207 为力矩平衡式绞联滚筒组，208为导轨，209为丝杠，210为下导缆 孔，211为小滚筒齿轮，212为紧固螺钉，213为大滚筒齿轮，214为 连接定位板，215为连接轴，216为大滚筒，217为连接轴固定螺钉， 218为大滚筒轴承套，219为大滚筒滚动轴承，220为圆头内六角螺 钉，221为小滚筒轴承套，222为小滚筒滚动轴承，223为小滚筒， 224为丝母，225为滑动体，226为外支轴，227为大滚筒端盖，228 为齿轮，229为电机，230为控制电路板，231为内支轴，232为内轴 承，233为密封筒，234为内固定架，235为铅坠，236为电池包，237 为内齿轮，238为托板；3为支架，4为海洋石油平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明的水文绞车2安装在海洋石油平台4 上，包括底座201、支撑架体204及力矩平衡式绞联滚筒组207，其 中支撑架体204通过底座201安装在海洋石油平台4上，在支撑架体 204上设有支架3，支架3的顶部安装有滑轮。

如图3所示，力矩平衡式绞联滚筒组207包括主动的大滚筒216 及从动的小滚筒223，大滚筒216及小滚筒223的两端均设有连接定 位板214，两连接定位板214之间通过连接轴固定螺钉217固接有多 根连接轴215，各连接轴215与两端的连接定位板214构成一框架， 大滚筒216及小滚筒223上下容置于该框架内，两个滚筒的轴向中心 线相平行。小滚筒223筒体两端均设有作为小滚筒端盖的丝母224， 两端的丝母224通过小滚筒滚动轴承222分别安装在两端的连接定位 板214上，使得小滚筒223相对连接定位板214可转动；在小滚筒滚 动轴承222的外部罩有用圆头内六角螺钉220固接在所述连接定位板 214上的小滚筒轴承套221，任一端（本实施例为图3的左端）的丝 母224上还通过紧固螺钉212固接有小滚筒齿轮211；作为小滚筒轴 的丝杠209由小滚筒223的筒体及两端的丝母224穿过，并且丝杠 209的两端通过轴承安装在支撑架体204上，小滚筒223两端的丝母 224与丝杠209螺纹连接。

如图3、图5～7所示，大滚筒216包括密封壳体、电机229、控 制电路板231、内支轴232、传动装置及重物摆，其中密封壳体包括 密封筒230及位于密封筒230两端的两个大滚筒端盖227，密封筒230 为圆筒形，两个大滚筒端盖227分别通过O形密封圈密封连接在密 封筒230的两端，与密封筒230共同构成一个内部密封的壳体。两个 大滚筒端盖227的外表面均固接有外支轴226，该外支轴226通过大 滚筒滚动轴承219安装在连接定位板214上，使得整个密封壳体可以 转动；在大滚筒滚动轴承219的外部罩有用圆头内六角螺钉220固接 在所述连接定位板214上的大滚筒轴承套218，任一端（本实施例为 图3的左端）的外支轴226上还通过紧固螺钉212固接有大滚筒齿轮 213，该大滚筒齿轮213位于小滚筒齿轮211的同侧、并与小滚筒齿 轮211相啮合。

在密封筒230的内部设有内支轴232，该内支轴232的两端分别 通过内轴承233可转动地安装在两个大滚筒端盖227的内表面上，内 支轴232的轴向中心线与两个大滚筒端盖227的中心线、密封筒230 的轴向中心线及外支轴226的轴向中心线共线。

重物摆悬挂在该内支轴232上，重物摆包括内固定架234、铅坠 235及电池包236，内固定架234悬挂在内支轴232上，并可绕内支 轴232的轴向中心线摆动。所述电池包236安装在内固定架234的下 部，随内固定架234一起绕内支轴232的轴向中心线摆动；电池包 236为半圆柱结构，其轴向的中心线与内支轴232的轴向中心线相平 行，在电池包236的底部包有铅坠235，以增加电池包236的重量。 内固定架234顶部在内固定架234轴向的两侧均设有托板238，两个 托板238所处高度不高于内支轴232的高度，电机229及控制电路板 231分别固接在内固定架234轴向两侧的两个托板238上，这样电池 包236、铅坠235及电机229、控制电路板231也可看成是一个悬挂 在内支轴232上的重物摆；电机229与控制电路板231（现有技术） 电连接。

电机229可选用高速无刷电机，对其控制比较容易，并且这种电 机的工作寿命较长。电机229的输出轴在由密封筒230和大滚筒端盖 227组成的密封壳体内部的密封空间中转动，通过传动装置驱动整个 大滚筒216旋转，将电机229输出轴的转动传递到本发明大滚筒216 的外部。传动装置为内啮合齿轮组，包括齿轮228及内齿轮237，其 中齿轮228连接在电机229的输出轴上，内齿轮237固接在任一侧大 滚筒端盖227的内表面（本实施例是固接在图5中靠右侧的端盖内表 面)、并与齿轮228啮合；电机通过齿轮228与内齿轮237的啮合传 动带动大滚筒端盖227、进而驱动大滚筒216旋转，将转动传递到大 滚筒216的外部，实现大滚筒216的驱动功能；旋转的大滚筒216再 通过大滚筒齿轮213与小滚筒齿轮211的啮合，带动小滚筒223转动， 在小滚筒223转动的同时，通过丝母224与丝杠209的螺纹连接，使 得力矩平衡式绞联滚筒组207整体沿丝杠209的轴向往复移动。

如图4、图8、图9所示，在支撑架体204上设有两根平行的导 轨208，两端的连接定位板214的下部均安装有滑动体225；当力矩 平衡式绞联滚筒组207整体沿丝杠209的轴向往复移动时，滑动体 225在导轨208上滑动，使得力矩平衡式绞联滚筒组207移动平稳。

支撑架体204的上方及下方分别开有上导缆孔206及下导缆孔 210，信号缆205的一端由上导缆孔206穿入、缠绕在大滚筒216上， 另一端绕过支架3上的滑轮、连接有观测设备1；承重缆203的一端 由下导缆孔210穿入、缠绕在小滚筒223上，另一端连接重块202。 大滚筒216、小滚筒223转向相反，分别收放信号缆205和承重缆203， 观测设备1的水中拉力通过信号缆205施加在大滚筒216上，重块 202的拉力通过承重缆203施加在小滚筒223上，大滚筒216所受信 号缆205拉力与小滚筒223所受承重缆203拉力的力矩相平衡。

本发明的工作原理为：

由于大滚筒216所受信号缆205拉力与小滚筒223所受承重缆 203拉力的力矩相平衡，没有驱动力时，两个滚筒保持静止；只要给 大滚筒216一个很小的驱动力，就会使力矩平衡式绞联滚筒组207转 动。大滚筒216上的驱动力是这样施加的：大滚筒216内的控制电路 板231定时（程序预先设定）启动电源电路，给电机229供电后，启 动电机229工作，当电机229的输出轴转动时，输出轴上的齿轮228 就会带动大滚筒端盖227上的内齿轮237转动；由于电池包236（包 括铅坠235）重力较大，电机229的输出轴位置几乎不动，即齿轮228 的中心轴位置不动，齿轮228转动带动与其啮合在一起的内齿轮237 转动，进而带动大滚筒端盖227转动；而大滚筒端盖227与密封筒 230和外支轴226是固定在一起的，这样，电机229的输出轴转动就 带动整个大滚筒216转动，即电机229在密封壳体内部的转动被传递 到密封壳体外；若大滚筒216是顺时针转动，会使信号缆205放出， 观测设备1就会下降，直至近海底；大滚筒216逆时针方向转动时， 信号缆205在大滚筒216上绕进，观测设备1就会上升，直至近海面。 观测设备1在升降过程中进行海水温盐深和海流等动力要素测量，从 而以低能耗的方式实现了从海底到海表面的海洋要素立体观测。

在大、小滚筒216、223收放信号缆205、承重缆203的过程中， 由于信号缆205、承重缆203分别经过上导缆孔206和下导缆孔210， 无法左右移动，因此在大、小滚筒216、223收放信号缆205、承重 缆203的同时，小滚筒齿轮211带动丝母224转动，将丝母224与丝 杠209的转动副，变成丝母224带动力矩平衡式绞联滚筒组207沿丝 杠209轴向的移动副，使得信号缆205、承重缆203整齐并排地缠绕 在大滚筒216、小滚筒223的筒体上。