有效负载控制设备、方法和应用
有效负载控制设备、方法和应用
【专利说明】
【背景技术】
技术领域
[0001]本发明的实施例大体上是在控制和/或定位不稳定介质(例如，空气、水)中的物理有效负载的领域中，且更特别地，涉及用于控制和/或定位不稳定介质中的有效负载和补偿由所述介质引起的起伏或其它不受控运动(例如，海浪动作)的方法和设备及其应用。
[0002]相关技术
[0003]起伏补偿大体上涉及调整或以其它方式补偿水面船只在船外悬挂于水体中、提升或下降通过水体和/或着陆于海底、水面平台或船坞或另一船舶上的设备的运动的系统。在所有这些情况中，由作用于水面船只上的波浪动作引起的所述水面船只的运动基本传递到，或者在一些情况下放大且传递到从所述船只通过绳索(rope)、缆绳(cable)、链条、皮带或者柔性或刚性的类似连接介质悬挂的有效负载。
[0004]图1和2所示为起伏补偿系统用于解决的问题的实例。具有甲板10的水面船只I在由水线2指示的水体的表面上浮动。甲板10架高于水线2上方，且有机器附加到甲板10。配置有起重机40或类似的提升机构，以便能够在船外提升有效负载60并通过绳索或缆绳30升高或降低所述有效负载60，所述绳索或缆绳30 —端连接到有效负载60，另一端连接到绞盘20。缆绳30经过船外滑轮50，在此处缆绳30的方向从接近水平改变为垂直。当停置时，缆绳30中的张力标称地等于有效负载60的重量加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。
[0005]在图2中，船只I因波浪动作而升高高于参考线100，船只I先前低于所述参考线100，如图1所示。这在有限的时段内发生，其中，船只1、且更特别地，船外滑轮50向上加速。船只I由于停在较接近甲板的由水线2指示的水中较深处而抵抗此加速。由于作用于有效负载60自身质量的重力加上在运动时作用于有效负载60上的水的迎面阻力，有效负载60也抵抗此加速。因此缆绳30中的张力增加，直到有效负载60的垂直速度等于或超过船外滑轮50的速度为止。缆绳30中的增加的张力可为极大值，且在系统的所有组件上引入负载，包括在甲板10、绞盘20、起重机40、船外滑轮50以及有效负载60上。整个系统必须经过工程设计，以在界定安全操作窗口的特定海洋状态的前提下承受将作用于系统上的力；否则，一个或另一个系统组件将发生故障，危及任务、设备、人员和/或有效负载。
[0006]当船只I的向上运动减速且随后开始下落回到或通过其起始位置时，所有的力和张力都减小，但机械故障的危险没有消失，只是被延迟直到所述运动停止为止。与重力一起作用以抵抗有效负载60向上移动也阻止有效负载60像仅有重力作用那样快地下落的相同的拖曳力将导致有效负载60下落。事实上，可能的是船外滑轮50可能比有效负载60更快地下落。这将允许缆绳30中的张力下降到零且松弛以在缆绳30的一或多个部分中积累。在此情况下，有效负载60向下加速，仅受其在水中的阻力抵抗而没有缆绳30的先前从上方支撑有效负载60的任何张力。当船外滑轮50的向下运动结束且随后反转时，缆绳30将在“突发载荷”情况中变为拉紧。突发载荷能够轻易地超过缆绳30的断裂强度和/或系统的其它机械组件的额定操作能力。缆绳30断裂和/或系统的其它组件的损坏可导致有效负载60的损失、时间和金钱的损失以及造成伤害或死亡。
[0007]可将起伏定义为船舶上由波浪动作引起的船外滑轮50的垂直运动，且采用起伏补偿系统使上述影响最小，从而加宽船舶及其机器在执行任务时的安全操作窗口。
[0008]图3所示为完全基于弹簧的无源起伏补偿系统的常规实例。所述系统是无源的，因为一旦开动，除了由船只和有效负载自身的运动引入到系统中的能量之外，所述系统不需要额外的能量。甲板10、绞盘20、缆绳30、船外滑轮50和有效负载60如之前附图中所示。船外滑轮50与前述一样由起重机40 (未图示)支撑。两个滑轮块70和80通过弹簧90彼此分离。滑轮块70固定在适当位置，且可称为“固定滑轮块”，而滑轮块80是可移动的，且可称为“飞行滑轮块(flying sheave-block) ”。飞行滑轮块80可选地在支撑结构(未图示)内垂直移动，所述支撑结构使飞行滑轮块80在固定滑轮块70上方稳定地处于中心。如所说明，弹簧90基本垂直定向，滑轮块70、80中的一个在另一个上方对齐，但水平布置也是可能的和常见的。在之前的图中从绞盘20传递直接经过船外滑轮50的缆绳30在此改为首先围绕固定滑轮块70和飞行滑轮块80两者形成一完整路径，然后取道经过船外滑轮50。说明了围绕滑轮块70、80两者的一个完整路径，但是也经常采用多遍路径，通常为2遍(机械上有利的为4遍)，以便飞行滑轮块80的较短游程能够以较强的弹簧为代价适应较长的起伏游程。其它滑轮布置也是可能的，且本领域的技术人员很容易理解。
[0009]图3A所示为图2中的机器对向上起伏情况的反应。向上起伏A增加缆绳30上的张力且使弹簧压缩，减小了滑轮块之间的距离B，且使缆绳30在滑轮块周围经过的某个部分释放，如图所示。在图3B中所示的向下起伏情况A期间，缆绳30上减小的张力将允许弹簧伸展，增大滑轮块之间的距离B，这又收紧绳索30中原本可能松弛的部分。可见，弹簧常数必须与负载匹配，所述负载包含有效负载60加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。如果忽略摩擦力，那么刚才描述的无源系统非常类似于插入在船外滑轮50与有效负载之间的绳索30中的弹簧70，如图4所示。
[0010]实际上，基于正在处置的负载的质量改变螺旋弹簧是不实际的。所述无源起伏系统中的弹簧改为“气体弹簧”，且典型的组件如图5中所示。气体弹簧200包括在活塞外壳220内自由移动的活塞210以及底部密封件230。活塞具有密封件211，防止气体在活塞210与活塞外壳220之间通过。活塞外壳220底部处存在管道，所述管道允许气体在活塞组合件239与蓄压器240之间自由通过。活塞外壳220内在活塞密封件211下方的体积连同蓄压器240内的体积一起构成一压力容器。通过一系列气瓶250中的管道，所述压力容器的体积进一步增大。所述气体通常为氮气或空气，但也可利用其它气体。随着活塞210推进到活塞外壳220中，密封件211下方的气体移位且因此在构成所述压力容器的所有组件内均匀地被压缩。忽略关于温度和非理想气体的众所周知的细节，根据波义耳定律(Boyles Law),压力P乘以体积V为常数，通过改变气体弹簧200的气体填充部分内的压力调整系统的弹簧常数。图5中的完全气动弹簧表示无源起伏弹簧，但出于一些对此处的讨论不重要的原因，通常使用组合式气体-流体弹簧(gas-over-fluid spring)，如图6中所示。在此类弹簧中，活塞外壳220在活塞密封件211下方填充有流体241，蓄压器242的实质部分以及连接活塞外壳220和蓄压器242的管道235也填充有所述流体241。当活塞210推进到活塞外壳220中时，其将液压流体移位到蓄压器的底部中，而不是直接压缩气体。气体-流体界面243在蓄压器240内。随着蓄压器240中的流体液位增加，流体以恰与图5的全气动版本中活塞自身相同的方式压缩蓄压器240的上部部分以及压力容器的其余部分中的气体。
[0011]通过改变压力容器中的压力很容易调整气体弹簧中的弹簧常数。
[0012]图7所示为所讨论的无源起伏补偿系统中的气体弹簧的主要组件。以上在此说明和讨论的系统具有单个气动或液压活塞，但在飞行滑轮块80与固定滑轮块70之间可以存在一个以上活塞(经常是两个)，它们馈通(feed)到同一个蓄压器240。
[0013]基于气体弹簧的无源起伏补偿系统广泛使用、简单，且在将缆绳30隔绝于张力的极端波动方面非常有效。然而，所述弹簧仅响应于在船外滑轮50处的绳 索30的张力改变，且此张力的任何改变都将造成有效负载60在水体中垂直移位。所述张力标称地等于有效负载60的水中重量加上绳索30在船外滑轮50与有效负载60之间的水中重量。这可以定义为“作用中负载(active-load) ”，且是有效负载60、绳索30和地球重力的很大程度上不变的物理性质。在没有起伏的情况下，船外滑轮50处的滑轮上重量(WOS)将标称地等于作用中负载。然而，WOS由于有效负载的惯性以及作用于有效负载60和绳索30上的迎面阻力而对起伏敏感。如果船外滑轮50处的WOS超过作用中负载，那么有效负载60将在水体中被提升。且如果船外滑轮50处的WOS低于作用中负载，那么有效负载60将在水体中下落。
[0014]另外，在差分张力足以克服系统组件中可为显著的摩擦力之前，弹簧无法做出响应。在以下各处存在较大摩擦力:a)密封件211与活塞外壳之间，b)滑轮在其轴上转动时在滑轮中，此摩擦力随着作用中负载的增加而增加，以及c)飞行滑轮块与飞行滑轮块的约束其运动的支撑结构(在使用的情况下；未图示)之间。除了机器中的摩擦力之外，缆绳30可能是相对较大的钢索、合成绳索或铠装防护脐带缆(umbilical)。此类绳索和缆绳在滑轮上不容易弯曲，且一旦弯曲会抵抗反向变形。除此之外还有首先不容易开始运动然后又尤其难以改变方向的所有大件金属移动零件中的惯性。最后，当起伏动作减速或反转时，弹簧储存的能量将恢复。传递率是弹簧众所周知的性质，对频率敏感，且定义为弹簧的输出振幅与输入振幅之间的比率。
[0015]出于所有这些原因，基于弹簧的无源系统在维持有效负载60在水体中静止的方面有所不足。
[0016]当有效负载60的残余运动对于特定任务的目的来说过于极端时，必须采用有源起伏补偿。有源系统直接控制在船外滑轮50上经过的缆绳30的放松和收紧和/或船外滑轮50的升高，以便理想地补偿船只I的运动，受限之处主要在于测量和预期所述运动的能力。测量和预报通常是运动参考单元(MRU)的任务，所述MRU由计算机、软件和来自各种传感器的输入组成。这些系统复杂且昂贵，但即使在测量和预测运动方面是完美的，也使得这些物理系统中的实时调整(绞盘20起动、停止、反转(图8)/滑轮升高/起重机40调整(图9))通常需要大量额外动力(液压或电)以及实质加强相关联的机器，进一步增加了成本。
[0017]存在包含如上文描述的无源系统的有源系统。在这些情况下，有源系统提供动力辅助(通常是液压)以超驰飞行滑轮块80的运动。此类系统称为有源-无源(AOP)系统，如图10和11中所示。图10与已经讨论的无源气体弹簧补偿系统在图解说明上不同但在操作上相同。图11和12所示为添加液压实施的有源超驰件300。可以看到这些系统需要极少外加动力的原因:弹簧恰如其以无源方式单独动作那样来做出功的最大份额。仅需要的额外力是克服系统中的摩擦力、弹簧在从其中性设定点移位时储存在弹簧中的能量以及移动零件中的惯性所需的力。
[0018]图13所示为所述有源-无源系统的框图。船舶的运动由运动参考单元(MRU)监视。在船外滑轮处的运动以及补偿此运动所必要的调整在计算机或可编程逻辑控制器(PLC)中根据由MRU提供的数据计算。PLC随后在适当方向上引导液压流体以致动液压缸。实际运动从测量装置反馈回PLC。所述系统的有源部分采用液压缸实施，但本领域的技术人员将认识到，可以使用其它机构来增加必要的能量，例如驱动齿条与齿轮的电动机。
[0019]图14描绘了无论是有源的还是无源的气体弹簧补偿系统都存在的另一缺陷。载运正被补偿的有效负载的提升缆线穿过气体弹簧的所有滑轮。不仅在补偿时而且在从船舶到最终操作深度的整个上升和下降时都是如此。在每一滑轮处，绳索或钢丝在所述滑轮上弯曲，造成磨损。我们将此情形称为“直列式补偿(inline compensat1n) ”，且所有的直列式补偿器都是滑轮上弯曲(BOS)倍增器。提升缆线，无论是钢丝还是新型合成纤维，在海洋作业中都可为例如长三英里或三英里以上，且成本超过150，000美元；因此，即使不考虑通过此单条线缆连接到船舶的有效负载的价值，绳索的磨损和老化也是严重的问题。在例行操作期间在绳索的整个长度上监视绳索的状况也是困难的。
[0020]出于所有上文提到的原因，需要一种低功率有效负载控制设备和起伏补偿系统(有源或无源)以及相关联的方法，其中起伏补偿负载缆线不需要穿过做大部分功的气体弹簧的滑轮。
【发明内容】
[0021]本发明的实施例为一种有效负载控制设备，其包含倒缆组合件，所述倒缆组合件包含倒缆致动机构、倒缆飞行滑轮组合件，所述倒缆飞行滑轮组合件包括至少飞行滑轮，负载缆线可在所述飞行滑轮上经过，以及倒缆，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的一端以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件的另一端，其中所述倒缆飞行滑轮组合件可经由所述倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，以便所述飞行滑轮与局部接近于所述飞行滑轮的具有笔直负载缆线路径长度L1的所述负载缆线的区域成非接触的间隔关系或无路径更改的接触关系，其中所述负载缆线在其一个区域连接到绞盘组合件且在其另一区域连接到将以可控方式提升、下降、定位或维持在静止位置的有效负载，进一步地，其中所述倒缆飞行滑轮组合件可经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，以便所述飞行滑轮以更改所述笔直负载缆线路径长度L1的方式与接近于所述飞行滑轮的所述负载缆线区域成接合接触，以便所述经更改的负载缆线路径不是笔直的且具有大于L1的路径长度L2。读者应清楚知道无论船舶的起伏运动如何，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的长度都不会改变；相反，根据本发明，绞盘与有效负载之间的负载缆线的路径通过飞行滑轮的移位改变。因此，为了说明目的，当船舶在起伏情况中下落而所述起伏情况原本将造成所述有效负载也将下落时，所述飞行滑轮将动作以增加由所述负载缆绳穿过其中的飞行滑轮局部的路径长度，造成所述飞行滑轮之后的路径长度缩短，从而防止所述有效负载下落。在各种非限制的方面中，所述有效负载控制设备可进一步包含或进一步特征在于以下特征或限制:
[0022]-其中所述倒缆是刚性介质；
[0023]-其中所述倒缆是柔性介质；
[0024]-其中所述倒缆是绳索和缆绳中的一者；
[0025]-其中所述负载以及所述负载缆线的至少一部分安置在水体中；
[0026]-进一步包括一个或多个可旋转的、位置固定的滑轮，其安置在所述负载缆线路径中，与所述负载缆线接触或能够与所述负载缆线接触，从而当所述倒缆组合件飞行滑轮安置在与所述负载缆线的路径更改的、接合接触位置中时，所述一个或多个固定滑轮提供负载缆线路径稳定化；
[0027]-其中AL= L2 _1^是以可控方式可变的；
[0028]-其中所述倒缆组合件进一步包括提供飞行滑轮组合件路径的倒缆飞行滑轮组合件导引结构，所述倒缆组合件飞行滑轮以可移动的方式安置在所述飞行滑轮组合件路径内，以便引导所述飞行滑轮沿所述滑轮路径运动；
[0029]-进一步包括有源补偿器，所述有源补偿器以可操作的方式耦合到所述导引结构和所述倒缆组合件滑轮；
[0030]-其中所述有源补偿器包含运动反馈控制组件以及机动齿条与齿轮组合件、液压缸、气压缸、第三被驱动缆线、牵引绞盘或类似物中的至少一者；
[0031]-其中所述倒缆致动机构包含弹簧以及由所述弹簧作用的至少一个可旋转且可移动的滑轮。
[0032]-其中所述弹簧是气动弹簧；
[0033]-其中所述弹簧是液压-气动弹簧；
[0034]-其中所述倒缆致动机构包含任何形式的无源起伏补偿装置；
[0035]-其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构； [0036]-其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的所述至少一个可移动的滑轮。
[0037]本发明的一个实施例为一种用于控制有效负载的方法，所述有效负载需要在不稳定介质中升高、下降、定位或维持在一位置。所述方法包含以下步骤:提供附接到具有局部笔直负载缆线路径的负载缆线的有效负载，和提供如上文描述的有效负载控制设备；和利用所述有效负载控制设备使所述有效负载在不稳定介质中稳定。
[0038]根据一个方面，所述不稳定介质为水。
【附图说明】
[0039]图1至14为说明现有技术及其缺陷的图示；
[0040]图15为示意性地说明根据本发明的实施例，处于未开动状态的有效负载控制设备的图不;
[0041]图16为示意性地说明根据本发明的一个方面，图15所示的有效负载控制设备处于开动状态的图示；
[0042]图17图解地说明根据本发明的说明性的实施例，处于开动状态的有效负载控制设备；
[0043]图18图解地说明根据本发明的说明性的实施例，当所述设备开动时，长度L1的局部笔直未更改的路径I1以及长度L 2的经加长的路径12;
[0044]图19所示为处于未开动状态的图17的有效负载控制设备的飞行滑轮组合件部分;
[0045]图20所示为处于开动状态的图19的有效负载控制设备的飞行滑轮组合件部分；
[0046]图21所示为根据本发明的一个方面的飞行滑轮组合件的有源补偿组件；以及
[0047]图22、23、24、25所示分别为说明可以设计到所实施的本发明中的不同机械优势的滑轮组图示。
【具体实施方式】
[0048]图15中所示为有效负载控制设备1000的实施例。在所示的方面中，设备处于未开动状态。虽然说明了海洋船舶的绞盘1020、负载1060以及上甲板和主甲板，但它们本身并不形成本发明的一部分，而是帮助说明本发明的操作。
[0049]设备1000包含倒缆组合件1002，所述倒缆组合件包含倒缆致动机构1005，倒缆飞行滑轮组合件1006，其包括至少负载缆线(1030)能够经过的飞行滑轮1006-1 ;以及倒缆1004，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的第二端1004-2以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件1006的第一端1004-1。倒缆飞行滑轮组合件1006可经由倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，使得飞行滑轮1006-1与负载缆线1030的一段成非接触、间隔的关系(参见图15)，或与负载缆线具有长度L1的笔直负载缆线路径的一区域成无路径更改、接触的关系(图18和19)，所述负载缆线在其第二端连接到绞盘组合件1020且在另一区域(第一端)连接到将以可控方式提升、下降、定位或维持在一静止位置的有效负载1060。倒缆飞行滑轮组合件1006进一步可经由致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，使得飞行滑轮1006-1处于与负载缆线的笔直负载缆线路径的区域(也参见图18和20)的路径更改的接合接触位置(参见图16)，使得负载缆线路径不是笔直的且具有大于负载缆线路径长度L1的局部负载缆线路径长度L 2。读者应清楚知道无论船舶的起伏运动如何，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的长度都不会改变；相反，根据本发明，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的路径通过飞行滑轮的移位进行改变。图16所示为船舶下落一段距离D且将负载调整相等的量AL = 1^-1^进而使有效负载1060在水体中保持稳定的情况。
[0050]图17到21所示为本发明的示范性实施例的特定详细方面。参见图17和21，倒缆组合件1002包含气体弹簧1008形式的倒缆致动机构1005，所述倒缆致动机构包含通过弹簧1008(气动、液压-气动等等)分离的固定滑轮和可移动滑轮。附图进一步说明了飞行滑轮组合件导引部件1070，飞行滑轮组合件1006(和连接的飞行滑轮1006-1)能够在所述飞行滑轮组合件导引部件内在直线方向上可控地移动。参见图19，当设备未开动且无路径更改时，固定滑轮1090可以但不是必须与负载缆线1030成操作接触。
[0051]应当理解，虽然所实施的本发明的以上描述利用绳索或缆绳形式的倒缆，即柔性的倒缆介质，但如图15和16中描绘的倒缆1004也可以包括刚性的、非柔性介质，例如可用来使飞行滑轮在负载缆线路径更改位置与负载缆线无路径更改位置之间移动的杆、条或柱。因此，所实施的有效负载控制设备不是必须具有包含气体弹簧或等效组件的倒缆致动机构，相反，通过致动机器以可移动的方式安置的飞行滑轮就将会是足够的。
[0052]进一步如图21中所示，飞行滑轮组合件可包含有源补偿器组合件1080，所述有源补偿器组合件以可操作的方式耦合到导引结构和倒缆飞行滑轮组合件。有源补偿器包含控制机动齿条与齿轮组合件1080的传感器和计算装置(未图示)的运动反馈控制组件。有源补偿器还可以或替代地包括液压缸、气压缸或第三被驱动缆线(未图示)，以辅助飞行滑轮的运动。
[0053]有利地，倒缆致动机器1005(例如，气体弹簧1008)可以根据需要或在船舶上任何方便的地方进行定向。而且，倒缆可具有小于200英尺的标称长度，因为倒缆仅需要长到足以从飞行滑轮组合件1006且围绕致动机器延伸以补偿在不稳定介质中的总起伏距离。因此，可容易地检查并在必要的情况下更换倒缆，且可将倒缆制作为具有任意坚固度。最有利地，相对长的、重的、昂贵的和笨重的负载缆线不需要且不穿过做大部分起伏补偿功的气体弹簧1008的滑轮。
[0054]如图22到25中所示，且本领域的技术人员将容易理解，倒缆致动机构(例如，气体弹簧)可设计成具有N倍机械效益，N分别等于3、4、5、6，且包含增加的任选的固定滑轮1090的组件的布置是近似无限的。
[0055]虽然本文已描述和说明了若干创造性的实施例，但本领域的普通技术人员将容易设想多种其它装置和/或结构来执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或优点中的一个或多个，且这些变型和/或修改中的每一者都被视为在本文描述的创造性的实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置其意义均为示范性的，且实际参数、尺寸、材料和/或配置都将取决于所述创造性的启示所用于的特定应用。本领域的技术人员将认识到或能够仅使用例行实验来确定本文描述的创造性实施例的许多等效物。因此，应当理解，前述实施例只是借助实例来呈现，且在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用与具体描述且要求的方式不同的方式来实践创造性的实施例。本发明创造性的实施例是针对本文描述的每一种个别特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或两个以上的此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合均包含在本发明的创造性范围内，前提是此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并不是互相不一致的。
[0056]如本文界定和使用的所有定义都应理解为掌控字典定义、以引用方式并入本文的文献中的定义和/或所定义项目的普通意义。
[0057]如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”都应理解为意味着“至少一个”，除非另有清楚的指不。
[0058]如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意味着以此短语联接的元件中的“任一者或两者”，即，在一些情况下联合地存在且在其它情况下分离地存在的元件。以“和/或”列出的多个元件应以相同方式来解释，即，以此短语联接的元件中的“一或多者”。除了通过“和/或”从句具体标示的元件之外，任选地可存在其它元件，无论所述其它元件与具体标示的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性的实例，当结合例如“包括”等开放式用语使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指代A(任选地包含除B之 外的元件)；在另一实施例中仅指代B (任选地包含除A之外的元件)；在再一实施例中指代A和B两者(任选地包含其它元件)；等等。
[0059]如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应理解为具有与如上文界定的“和/或”相同的意义。举例来说，当在一个列表中分隔术语时，“或”或者“和/或”应当解释为包含性的，即，包含若干元件或元件列表中的至少一者，而且也包含若干元件或元件列表中的一者以上，以及任选地包含额外未列出的项目。相反地清楚指示的其它术语，例如"...中的仅一者”或中的确切一者”或当在权利要求书中使用时的“由...组成”将指代包含若干元件或元件列表中的确切一个元件。大体上，如本文使用的术语“或”在前面存在例如“任一”、中的一者”、中的仅一者”或中的确切一者”等排他性术语时，应当仅解释为指示排他性替代(即，“一者或另一者但不是两者”)。“基本上由...组成”当在权利要求书中使用时应当具有其如同在专利法领域中使用的普通意义。
[0060]如本文在说明书和权利要求书中所使用的，参考一或多个元件的列表，短语“至少一者”应理解为意味着从所述元件列表中的元件中的任何一或多者中选择的至少一个元件，但不一定包含所述元件列表内具体列出的每一和每个元件的至少一者，且不排除所述元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许任选地可存在除了所述元件列表内具体标示的由短语“至少一个”指代的元件之外的元件，无论所述元件与具体标示的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性的实例，“A和B中的至少一者”(或等效地，“A或B中的至少一者”，或等效地，“A和/或B中的至少一者”)可以在一个实施例中指代至少一个A，任选地包含一个以上A，而不存在B (且任选地包含除B之外的元件);在另一实施例中指代至少一个B，任选地包含一个以上B，而不存在A (且任选地包含除A之外的元件);在再一实施例中指代至少一个A，任选地包含一个以上A，以及至少一个B，任选地包含一个以上B(且任选地包含其它元件)；等等。
[0061]还应理解，除非另有清楚指示，否则在此要求的包含一个以上步骤或动作的任何方法中，方法的所述步骤或动作的次序不一定限于陈述所述方法的所述步骤或动作的次序。
[0062]在权利要求书以及以上说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、
“涉及”、“保持”、“包括”和类似短语等所有过渡性短语都应理解为开放式的，即，意味着包含但不限于。仅过渡性短语“由...组成”和“基本上由...组成”应当分别为封闭式或半封闭式过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册2111.03节中所陈述。
【主权项】
1.一种有效负载控制设备，包括: 倒缆组合件，包含: 倒缆致动机构； 倒缆飞行滑轮组合件，至少包含飞行滑轮，负载缆线能够在所述飞行滑轮上经过；以及 倒缆，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的一端以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件的另一端， 其中所述倒缆飞行滑轮组合件能够经由所述倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，使得所述飞行滑轮与所述负载缆线的具有一负载缆线路径长度1^的笔直负载缆线路径的一区域成非接触、间隔的关系以及无路径更改的、接触的关系中的一者，所述负载缆线在其一个区域连接到绞盘组合件且在其另一区域连接到将以可控的方式提升、下降、定位或维持在一静止位置的有效负载， 进一步地，其中所述倒缆飞行滑轮组合件能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，使得所述飞行滑轮与所述负载缆线的所述笔直负载缆线路径的所述区域成负载缆线路径更改的、接合的接触，使得所述负载缆线路径不是笔直的且具有大于负载缆线路径长度L1的负载缆线路径长度L 2。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述负载以及所述负载缆线的至少一部分安置在水体中。3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括安置在所述负载缆线路径中的一或多个可旋转的位置固定的滑轮， 从而当所述倒缆组合件飞行滑轮安置在与所述负载缆线的所述路径更改的、接合的接触位置中时，所述一个或多个固定滑轮提供负载缆线路径稳定化。4.根据权利要求1所述的设备，其中AL= L2 -L1是以可控的方式可变的。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆组合件进一步包括提供飞行滑轮组合件路径的倒缆飞行滑轮组合件导引结构，所述倒缆组合件飞行滑轮以可移动的方式安置在所述飞行滑轮组合件路径内，以便引导所述飞行滑轮沿着所述滑轮路径的运动。6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括一有源补偿器，所述有源补偿器以可操作的方式耦合到所述导引结构和所述倒缆组合件滑轮。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述有源补偿器包含一运动反馈控制组件，以及，机动齿条与齿轮组合件、液压缸、气压缸、第三被驱动缆线中的至少一者。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆致动机构包含一弹簧以及由所述弹簧作用的至少一个可旋转且可移动的滑轮。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述弹簧是气动弹簧。10.根据权利要求8所述的设备，其中所述弹簧是液压-气动弹簧。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆致动机构包含任何形式的无源起伏补P盤習12.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的不可移动的部分。13.根据权利要求8所述的设备，其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的所述至少一个可移动的滑轮。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆是刚性的、非柔性的部件。15.—种用于控制有效负载的方法，所述有效负载需要在不稳定介质中升高、下降、定位或维持在一位置，所述方法包括以下步骤: 提供一有效负载，所述有效负载附接到一有效负载缆线，所述有效负载缆线具有长度为L1的笔直有效负载缆线路径； 提供一倒缆组合件，所述倒缆组合件包含: 一致动机构； 一倒缆，所述倒缆具有连接到所述致动机构的一个区域以及连接到飞行滑轮倒缆组合件的另一区域；以及 飞行倒缆组合件滑轮，其能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少第一位置中，使得所述滑轮与所述笔直有效负载缆线路径的一区域成非接触的间隔的关系以及无路径更改的接触的关系中的一者，其中所述倒缆组合件滑轮能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少第二位置中，使得所述滑轮与所述笔直有效负载缆线路径的所述区域成路径更改的接合的接触；利用所述致动机构在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述倒缆组合件滑轮，以用所述有效负载缆线路径不是笔直的且具有大于L1的长度1^2的方式更改所述有效负载缆线路径。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述介质是水。
【专利摘要】一种有效负载控制设备，包含倒缆、倒缆致动机构、负载缆线能够在其上经过的倒缆飞行滑轮，以及倒缆，其中所述倒缆飞行滑轮能够移动到一位置中，在所述位置中所述飞行滑轮与所述负载缆线间隔开，且与所述负载缆线非接触，或者接触所述负载缆线但相对于所述负载缆线无路径更改，进一步其中所述倒缆飞行滑轮能够移动到另一位置中，使得所述飞行滑轮接合所述负载缆线且更改所述负载缆线的路径长度。因此，当海面船舶在起伏情况中下落而所述起伏情况原本将造成所述负载缆线末端处的有效负载也下落时，所述飞行滑轮将移动以增加路径长度而造成路径长度缩短，从而防止所述有效负载下落。
【IPC分类】B66D3/12, B66C13/18, B66D3/04
【公开号】CN104903227
【申请号】CN201380062338
【发明人】S·W·朱厄尔
【申请人】费尔菲尔德工业股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年10月16日
【公告号】CA2888446A1, EP2909128A1, US20150266704, WO2014062792A1
【专利说明】
【背景技术】
技术领域
[0001]本发明的实施例大体上是在控制和/或定位不稳定介质(例如，空气、水)中的物理有效负载的领域中，且更特别地，涉及用于控制和/或定位不稳定介质中的有效负载和补偿由所述介质引起的起伏或其它不受控运动(例如，海浪动作)的方法和设备及其应用。
[0002]相关技术
[0003]起伏补偿大体上涉及调整或以其它方式补偿水面船只在船外悬挂于水体中、提升或下降通过水体和/或着陆于海底、水面平台或船坞或另一船舶上的设备的运动的系统。在所有这些情况中，由作用于水面船只上的波浪动作引起的所述水面船只的运动基本传递到，或者在一些情况下放大且传递到从所述船只通过绳索(rope)、缆绳(cable)、链条、皮带或者柔性或刚性的类似连接介质悬挂的有效负载。
[0004]图1和2所示为起伏补偿系统用于解决的问题的实例。具有甲板10的水面船只I在由水线2指示的水体的表面上浮动。甲板10架高于水线2上方，且有机器附加到甲板10。配置有起重机40或类似的提升机构，以便能够在船外提升有效负载60并通过绳索或缆绳30升高或降低所述有效负载60，所述绳索或缆绳30 —端连接到有效负载60，另一端连接到绞盘20。缆绳30经过船外滑轮50，在此处缆绳30的方向从接近水平改变为垂直。当停置时，缆绳30中的张力标称地等于有效负载60的重量加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。
[0005]在图2中，船只I因波浪动作而升高高于参考线100，船只I先前低于所述参考线100，如图1所示。这在有限的时段内发生，其中，船只1、且更特别地，船外滑轮50向上加速。船只I由于停在较接近甲板的由水线2指示的水中较深处而抵抗此加速。由于作用于有效负载60自身质量的重力加上在运动时作用于有效负载60上的水的迎面阻力，有效负载60也抵抗此加速。因此缆绳30中的张力增加，直到有效负载60的垂直速度等于或超过船外滑轮50的速度为止。缆绳30中的增加的张力可为极大值，且在系统的所有组件上引入负载，包括在甲板10、绞盘20、起重机40、船外滑轮50以及有效负载60上。整个系统必须经过工程设计，以在界定安全操作窗口的特定海洋状态的前提下承受将作用于系统上的力；否则，一个或另一个系统组件将发生故障，危及任务、设备、人员和/或有效负载。
[0006]当船只I的向上运动减速且随后开始下落回到或通过其起始位置时，所有的力和张力都减小，但机械故障的危险没有消失，只是被延迟直到所述运动停止为止。与重力一起作用以抵抗有效负载60向上移动也阻止有效负载60像仅有重力作用那样快地下落的相同的拖曳力将导致有效负载60下落。事实上，可能的是船外滑轮50可能比有效负载60更快地下落。这将允许缆绳30中的张力下降到零且松弛以在缆绳30的一或多个部分中积累。在此情况下，有效负载60向下加速，仅受其在水中的阻力抵抗而没有缆绳30的先前从上方支撑有效负载60的任何张力。当船外滑轮50的向下运动结束且随后反转时，缆绳30将在“突发载荷”情况中变为拉紧。突发载荷能够轻易地超过缆绳30的断裂强度和/或系统的其它机械组件的额定操作能力。缆绳30断裂和/或系统的其它组件的损坏可导致有效负载60的损失、时间和金钱的损失以及造成伤害或死亡。
[0007]可将起伏定义为船舶上由波浪动作引起的船外滑轮50的垂直运动，且采用起伏补偿系统使上述影响最小，从而加宽船舶及其机器在执行任务时的安全操作窗口。
[0008]图3所示为完全基于弹簧的无源起伏补偿系统的常规实例。所述系统是无源的，因为一旦开动，除了由船只和有效负载自身的运动引入到系统中的能量之外，所述系统不需要额外的能量。甲板10、绞盘20、缆绳30、船外滑轮50和有效负载60如之前附图中所示。船外滑轮50与前述一样由起重机40 (未图示)支撑。两个滑轮块70和80通过弹簧90彼此分离。滑轮块70固定在适当位置，且可称为“固定滑轮块”，而滑轮块80是可移动的，且可称为“飞行滑轮块(flying sheave-block) ”。飞行滑轮块80可选地在支撑结构(未图示)内垂直移动，所述支撑结构使飞行滑轮块80在固定滑轮块70上方稳定地处于中心。如所说明，弹簧90基本垂直定向，滑轮块70、80中的一个在另一个上方对齐，但水平布置也是可能的和常见的。在之前的图中从绞盘20传递直接经过船外滑轮50的缆绳30在此改为首先围绕固定滑轮块70和飞行滑轮块80两者形成一完整路径，然后取道经过船外滑轮50。说明了围绕滑轮块70、80两者的一个完整路径，但是也经常采用多遍路径，通常为2遍(机械上有利的为4遍)，以便飞行滑轮块80的较短游程能够以较强的弹簧为代价适应较长的起伏游程。其它滑轮布置也是可能的，且本领域的技术人员很容易理解。
[0009]图3A所示为图2中的机器对向上起伏情况的反应。向上起伏A增加缆绳30上的张力且使弹簧压缩，减小了滑轮块之间的距离B，且使缆绳30在滑轮块周围经过的某个部分释放，如图所示。在图3B中所示的向下起伏情况A期间，缆绳30上减小的张力将允许弹簧伸展，增大滑轮块之间的距离B，这又收紧绳索30中原本可能松弛的部分。可见，弹簧常数必须与负载匹配，所述负载包含有效负载60加上缆绳30在船外滑轮50与有效负载60之间的重量。如果忽略摩擦力，那么刚才描述的无源系统非常类似于插入在船外滑轮50与有效负载之间的绳索30中的弹簧70，如图4所示。
[0010]实际上，基于正在处置的负载的质量改变螺旋弹簧是不实际的。所述无源起伏系统中的弹簧改为“气体弹簧”，且典型的组件如图5中所示。气体弹簧200包括在活塞外壳220内自由移动的活塞210以及底部密封件230。活塞具有密封件211，防止气体在活塞210与活塞外壳220之间通过。活塞外壳220底部处存在管道，所述管道允许气体在活塞组合件239与蓄压器240之间自由通过。活塞外壳220内在活塞密封件211下方的体积连同蓄压器240内的体积一起构成一压力容器。通过一系列气瓶250中的管道，所述压力容器的体积进一步增大。所述气体通常为氮气或空气，但也可利用其它气体。随着活塞210推进到活塞外壳220中，密封件211下方的气体移位且因此在构成所述压力容器的所有组件内均匀地被压缩。忽略关于温度和非理想气体的众所周知的细节，根据波义耳定律(Boyles Law),压力P乘以体积V为常数，通过改变气体弹簧200的气体填充部分内的压力调整系统的弹簧常数。图5中的完全气动弹簧表示无源起伏弹簧，但出于一些对此处的讨论不重要的原因，通常使用组合式气体-流体弹簧(gas-over-fluid spring)，如图6中所示。在此类弹簧中，活塞外壳220在活塞密封件211下方填充有流体241，蓄压器242的实质部分以及连接活塞外壳220和蓄压器242的管道235也填充有所述流体241。当活塞210推进到活塞外壳220中时，其将液压流体移位到蓄压器的底部中，而不是直接压缩气体。气体-流体界面243在蓄压器240内。随着蓄压器240中的流体液位增加，流体以恰与图5的全气动版本中活塞自身相同的方式压缩蓄压器240的上部部分以及压力容器的其余部分中的气体。
[0011]通过改变压力容器中的压力很容易调整气体弹簧中的弹簧常数。
[0012]图7所示为所讨论的无源起伏补偿系统中的气体弹簧的主要组件。以上在此说明和讨论的系统具有单个气动或液压活塞，但在飞行滑轮块80与固定滑轮块70之间可以存在一个以上活塞(经常是两个)，它们馈通(feed)到同一个蓄压器240。
[0013]基于气体弹簧的无源起伏补偿系统广泛使用、简单，且在将缆绳30隔绝于张力的极端波动方面非常有效。然而，所述弹簧仅响应于在船外滑轮50处的绳 索30的张力改变，且此张力的任何改变都将造成有效负载60在水体中垂直移位。所述张力标称地等于有效负载60的水中重量加上绳索30在船外滑轮50与有效负载60之间的水中重量。这可以定义为“作用中负载(active-load) ”，且是有效负载60、绳索30和地球重力的很大程度上不变的物理性质。在没有起伏的情况下，船外滑轮50处的滑轮上重量(WOS)将标称地等于作用中负载。然而，WOS由于有效负载的惯性以及作用于有效负载60和绳索30上的迎面阻力而对起伏敏感。如果船外滑轮50处的WOS超过作用中负载，那么有效负载60将在水体中被提升。且如果船外滑轮50处的WOS低于作用中负载，那么有效负载60将在水体中下落。
[0014]另外，在差分张力足以克服系统组件中可为显著的摩擦力之前，弹簧无法做出响应。在以下各处存在较大摩擦力:a)密封件211与活塞外壳之间，b)滑轮在其轴上转动时在滑轮中，此摩擦力随着作用中负载的增加而增加，以及c)飞行滑轮块与飞行滑轮块的约束其运动的支撑结构(在使用的情况下；未图示)之间。除了机器中的摩擦力之外，缆绳30可能是相对较大的钢索、合成绳索或铠装防护脐带缆(umbilical)。此类绳索和缆绳在滑轮上不容易弯曲，且一旦弯曲会抵抗反向变形。除此之外还有首先不容易开始运动然后又尤其难以改变方向的所有大件金属移动零件中的惯性。最后，当起伏动作减速或反转时，弹簧储存的能量将恢复。传递率是弹簧众所周知的性质，对频率敏感，且定义为弹簧的输出振幅与输入振幅之间的比率。
[0015]出于所有这些原因，基于弹簧的无源系统在维持有效负载60在水体中静止的方面有所不足。
[0016]当有效负载60的残余运动对于特定任务的目的来说过于极端时，必须采用有源起伏补偿。有源系统直接控制在船外滑轮50上经过的缆绳30的放松和收紧和/或船外滑轮50的升高，以便理想地补偿船只I的运动，受限之处主要在于测量和预期所述运动的能力。测量和预报通常是运动参考单元(MRU)的任务，所述MRU由计算机、软件和来自各种传感器的输入组成。这些系统复杂且昂贵，但即使在测量和预测运动方面是完美的，也使得这些物理系统中的实时调整(绞盘20起动、停止、反转(图8)/滑轮升高/起重机40调整(图9))通常需要大量额外动力(液压或电)以及实质加强相关联的机器，进一步增加了成本。
[0017]存在包含如上文描述的无源系统的有源系统。在这些情况下，有源系统提供动力辅助(通常是液压)以超驰飞行滑轮块80的运动。此类系统称为有源-无源(AOP)系统，如图10和11中所示。图10与已经讨论的无源气体弹簧补偿系统在图解说明上不同但在操作上相同。图11和12所示为添加液压实施的有源超驰件300。可以看到这些系统需要极少外加动力的原因:弹簧恰如其以无源方式单独动作那样来做出功的最大份额。仅需要的额外力是克服系统中的摩擦力、弹簧在从其中性设定点移位时储存在弹簧中的能量以及移动零件中的惯性所需的力。
[0018]图13所示为所述有源-无源系统的框图。船舶的运动由运动参考单元(MRU)监视。在船外滑轮处的运动以及补偿此运动所必要的调整在计算机或可编程逻辑控制器(PLC)中根据由MRU提供的数据计算。PLC随后在适当方向上引导液压流体以致动液压缸。实际运动从测量装置反馈回PLC。所述系统的有源部分采用液压缸实施，但本领域的技术人员将认识到，可以使用其它机构来增加必要的能量，例如驱动齿条与齿轮的电动机。
[0019]图14描绘了无论是有源的还是无源的气体弹簧补偿系统都存在的另一缺陷。载运正被补偿的有效负载的提升缆线穿过气体弹簧的所有滑轮。不仅在补偿时而且在从船舶到最终操作深度的整个上升和下降时都是如此。在每一滑轮处，绳索或钢丝在所述滑轮上弯曲，造成磨损。我们将此情形称为“直列式补偿(inline compensat1n) ”，且所有的直列式补偿器都是滑轮上弯曲(BOS)倍增器。提升缆线，无论是钢丝还是新型合成纤维，在海洋作业中都可为例如长三英里或三英里以上，且成本超过150，000美元；因此，即使不考虑通过此单条线缆连接到船舶的有效负载的价值，绳索的磨损和老化也是严重的问题。在例行操作期间在绳索的整个长度上监视绳索的状况也是困难的。
[0020]出于所有上文提到的原因，需要一种低功率有效负载控制设备和起伏补偿系统(有源或无源)以及相关联的方法，其中起伏补偿负载缆线不需要穿过做大部分功的气体弹簧的滑轮。
【发明内容】
[0021]本发明的实施例为一种有效负载控制设备，其包含倒缆组合件，所述倒缆组合件包含倒缆致动机构、倒缆飞行滑轮组合件，所述倒缆飞行滑轮组合件包括至少飞行滑轮，负载缆线可在所述飞行滑轮上经过，以及倒缆，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的一端以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件的另一端，其中所述倒缆飞行滑轮组合件可经由所述倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，以便所述飞行滑轮与局部接近于所述飞行滑轮的具有笔直负载缆线路径长度L1的所述负载缆线的区域成非接触的间隔关系或无路径更改的接触关系，其中所述负载缆线在其一个区域连接到绞盘组合件且在其另一区域连接到将以可控方式提升、下降、定位或维持在静止位置的有效负载，进一步地，其中所述倒缆飞行滑轮组合件可经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，以便所述飞行滑轮以更改所述笔直负载缆线路径长度L1的方式与接近于所述飞行滑轮的所述负载缆线区域成接合接触，以便所述经更改的负载缆线路径不是笔直的且具有大于L1的路径长度L2。读者应清楚知道无论船舶的起伏运动如何，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的长度都不会改变；相反，根据本发明，绞盘与有效负载之间的负载缆线的路径通过飞行滑轮的移位改变。因此，为了说明目的，当船舶在起伏情况中下落而所述起伏情况原本将造成所述有效负载也将下落时，所述飞行滑轮将动作以增加由所述负载缆绳穿过其中的飞行滑轮局部的路径长度，造成所述飞行滑轮之后的路径长度缩短，从而防止所述有效负载下落。在各种非限制的方面中，所述有效负载控制设备可进一步包含或进一步特征在于以下特征或限制:
[0022]-其中所述倒缆是刚性介质；
[0023]-其中所述倒缆是柔性介质；
[0024]-其中所述倒缆是绳索和缆绳中的一者；
[0025]-其中所述负载以及所述负载缆线的至少一部分安置在水体中；
[0026]-进一步包括一个或多个可旋转的、位置固定的滑轮，其安置在所述负载缆线路径中，与所述负载缆线接触或能够与所述负载缆线接触，从而当所述倒缆组合件飞行滑轮安置在与所述负载缆线的路径更改的、接合接触位置中时，所述一个或多个固定滑轮提供负载缆线路径稳定化；
[0027]-其中AL= L2 _1^是以可控方式可变的；
[0028]-其中所述倒缆组合件进一步包括提供飞行滑轮组合件路径的倒缆飞行滑轮组合件导引结构，所述倒缆组合件飞行滑轮以可移动的方式安置在所述飞行滑轮组合件路径内，以便引导所述飞行滑轮沿所述滑轮路径运动；
[0029]-进一步包括有源补偿器，所述有源补偿器以可操作的方式耦合到所述导引结构和所述倒缆组合件滑轮；
[0030]-其中所述有源补偿器包含运动反馈控制组件以及机动齿条与齿轮组合件、液压缸、气压缸、第三被驱动缆线、牵引绞盘或类似物中的至少一者；
[0031]-其中所述倒缆致动机构包含弹簧以及由所述弹簧作用的至少一个可旋转且可移动的滑轮。
[0032]-其中所述弹簧是气动弹簧；
[0033]-其中所述弹簧是液压-气动弹簧；
[0034]-其中所述倒缆致动机构包含任何形式的无源起伏补偿装置；
[0035]-其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构； [0036]-其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的所述至少一个可移动的滑轮。
[0037]本发明的一个实施例为一种用于控制有效负载的方法，所述有效负载需要在不稳定介质中升高、下降、定位或维持在一位置。所述方法包含以下步骤:提供附接到具有局部笔直负载缆线路径的负载缆线的有效负载，和提供如上文描述的有效负载控制设备；和利用所述有效负载控制设备使所述有效负载在不稳定介质中稳定。
[0038]根据一个方面，所述不稳定介质为水。
【附图说明】
[0039]图1至14为说明现有技术及其缺陷的图示；
[0040]图15为示意性地说明根据本发明的实施例，处于未开动状态的有效负载控制设备的图不;
[0041]图16为示意性地说明根据本发明的一个方面，图15所示的有效负载控制设备处于开动状态的图示；
[0042]图17图解地说明根据本发明的说明性的实施例，处于开动状态的有效负载控制设备；
[0043]图18图解地说明根据本发明的说明性的实施例，当所述设备开动时，长度L1的局部笔直未更改的路径I1以及长度L 2的经加长的路径12;
[0044]图19所示为处于未开动状态的图17的有效负载控制设备的飞行滑轮组合件部分;
[0045]图20所示为处于开动状态的图19的有效负载控制设备的飞行滑轮组合件部分；
[0046]图21所示为根据本发明的一个方面的飞行滑轮组合件的有源补偿组件；以及
[0047]图22、23、24、25所示分别为说明可以设计到所实施的本发明中的不同机械优势的滑轮组图示。
【具体实施方式】
[0048]图15中所示为有效负载控制设备1000的实施例。在所示的方面中，设备处于未开动状态。虽然说明了海洋船舶的绞盘1020、负载1060以及上甲板和主甲板，但它们本身并不形成本发明的一部分，而是帮助说明本发明的操作。
[0049]设备1000包含倒缆组合件1002，所述倒缆组合件包含倒缆致动机构1005，倒缆飞行滑轮组合件1006，其包括至少负载缆线(1030)能够经过的飞行滑轮1006-1 ;以及倒缆1004，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的第二端1004-2以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件1006的第一端1004-1。倒缆飞行滑轮组合件1006可经由倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，使得飞行滑轮1006-1与负载缆线1030的一段成非接触、间隔的关系(参见图15)，或与负载缆线具有长度L1的笔直负载缆线路径的一区域成无路径更改、接触的关系(图18和19)，所述负载缆线在其第二端连接到绞盘组合件1020且在另一区域(第一端)连接到将以可控方式提升、下降、定位或维持在一静止位置的有效负载1060。倒缆飞行滑轮组合件1006进一步可经由致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，使得飞行滑轮1006-1处于与负载缆线的笔直负载缆线路径的区域(也参见图18和20)的路径更改的接合接触位置(参见图16)，使得负载缆线路径不是笔直的且具有大于负载缆线路径长度L1的局部负载缆线路径长度L 2。读者应清楚知道无论船舶的起伏运动如何，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的长度都不会改变；相反，根据本发明，在绞盘与有效负载之间的负载缆线的路径通过飞行滑轮的移位进行改变。图16所示为船舶下落一段距离D且将负载调整相等的量AL = 1^-1^进而使有效负载1060在水体中保持稳定的情况。
[0050]图17到21所示为本发明的示范性实施例的特定详细方面。参见图17和21，倒缆组合件1002包含气体弹簧1008形式的倒缆致动机构1005，所述倒缆致动机构包含通过弹簧1008(气动、液压-气动等等)分离的固定滑轮和可移动滑轮。附图进一步说明了飞行滑轮组合件导引部件1070，飞行滑轮组合件1006(和连接的飞行滑轮1006-1)能够在所述飞行滑轮组合件导引部件内在直线方向上可控地移动。参见图19，当设备未开动且无路径更改时，固定滑轮1090可以但不是必须与负载缆线1030成操作接触。
[0051]应当理解，虽然所实施的本发明的以上描述利用绳索或缆绳形式的倒缆，即柔性的倒缆介质，但如图15和16中描绘的倒缆1004也可以包括刚性的、非柔性介质，例如可用来使飞行滑轮在负载缆线路径更改位置与负载缆线无路径更改位置之间移动的杆、条或柱。因此，所实施的有效负载控制设备不是必须具有包含气体弹簧或等效组件的倒缆致动机构，相反，通过致动机器以可移动的方式安置的飞行滑轮就将会是足够的。
[0052]进一步如图21中所示，飞行滑轮组合件可包含有源补偿器组合件1080，所述有源补偿器组合件以可操作的方式耦合到导引结构和倒缆飞行滑轮组合件。有源补偿器包含控制机动齿条与齿轮组合件1080的传感器和计算装置(未图示)的运动反馈控制组件。有源补偿器还可以或替代地包括液压缸、气压缸或第三被驱动缆线(未图示)，以辅助飞行滑轮的运动。
[0053]有利地，倒缆致动机器1005(例如，气体弹簧1008)可以根据需要或在船舶上任何方便的地方进行定向。而且，倒缆可具有小于200英尺的标称长度，因为倒缆仅需要长到足以从飞行滑轮组合件1006且围绕致动机器延伸以补偿在不稳定介质中的总起伏距离。因此，可容易地检查并在必要的情况下更换倒缆，且可将倒缆制作为具有任意坚固度。最有利地，相对长的、重的、昂贵的和笨重的负载缆线不需要且不穿过做大部分起伏补偿功的气体弹簧1008的滑轮。
[0054]如图22到25中所示，且本领域的技术人员将容易理解，倒缆致动机构(例如，气体弹簧)可设计成具有N倍机械效益，N分别等于3、4、5、6，且包含增加的任选的固定滑轮1090的组件的布置是近似无限的。
[0055]虽然本文已描述和说明了若干创造性的实施例，但本领域的普通技术人员将容易设想多种其它装置和/或结构来执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或优点中的一个或多个，且这些变型和/或修改中的每一者都被视为在本文描述的创造性的实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置其意义均为示范性的，且实际参数、尺寸、材料和/或配置都将取决于所述创造性的启示所用于的特定应用。本领域的技术人员将认识到或能够仅使用例行实验来确定本文描述的创造性实施例的许多等效物。因此，应当理解，前述实施例只是借助实例来呈现，且在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用与具体描述且要求的方式不同的方式来实践创造性的实施例。本发明创造性的实施例是针对本文描述的每一种个别特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或两个以上的此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合均包含在本发明的创造性范围内，前提是此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并不是互相不一致的。
[0056]如本文界定和使用的所有定义都应理解为掌控字典定义、以引用方式并入本文的文献中的定义和/或所定义项目的普通意义。
[0057]如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”都应理解为意味着“至少一个”，除非另有清楚的指不。
[0058]如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意味着以此短语联接的元件中的“任一者或两者”，即，在一些情况下联合地存在且在其它情况下分离地存在的元件。以“和/或”列出的多个元件应以相同方式来解释，即，以此短语联接的元件中的“一或多者”。除了通过“和/或”从句具体标示的元件之外，任选地可存在其它元件，无论所述其它元件与具体标示的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性的实例，当结合例如“包括”等开放式用语使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指代A(任选地包含除B之 外的元件)；在另一实施例中仅指代B (任选地包含除A之外的元件)；在再一实施例中指代A和B两者(任选地包含其它元件)；等等。
[0059]如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应理解为具有与如上文界定的“和/或”相同的意义。举例来说，当在一个列表中分隔术语时，“或”或者“和/或”应当解释为包含性的，即，包含若干元件或元件列表中的至少一者，而且也包含若干元件或元件列表中的一者以上，以及任选地包含额外未列出的项目。相反地清楚指示的其它术语，例如"...中的仅一者”或中的确切一者”或当在权利要求书中使用时的“由...组成”将指代包含若干元件或元件列表中的确切一个元件。大体上，如本文使用的术语“或”在前面存在例如“任一”、中的一者”、中的仅一者”或中的确切一者”等排他性术语时，应当仅解释为指示排他性替代(即，“一者或另一者但不是两者”)。“基本上由...组成”当在权利要求书中使用时应当具有其如同在专利法领域中使用的普通意义。
[0060]如本文在说明书和权利要求书中所使用的，参考一或多个元件的列表，短语“至少一者”应理解为意味着从所述元件列表中的元件中的任何一或多者中选择的至少一个元件，但不一定包含所述元件列表内具体列出的每一和每个元件的至少一者，且不排除所述元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许任选地可存在除了所述元件列表内具体标示的由短语“至少一个”指代的元件之外的元件，无论所述元件与具体标示的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性的实例，“A和B中的至少一者”(或等效地，“A或B中的至少一者”，或等效地，“A和/或B中的至少一者”)可以在一个实施例中指代至少一个A，任选地包含一个以上A，而不存在B (且任选地包含除B之外的元件);在另一实施例中指代至少一个B，任选地包含一个以上B，而不存在A (且任选地包含除A之外的元件);在再一实施例中指代至少一个A，任选地包含一个以上A，以及至少一个B，任选地包含一个以上B(且任选地包含其它元件)；等等。
[0061]还应理解，除非另有清楚指示，否则在此要求的包含一个以上步骤或动作的任何方法中，方法的所述步骤或动作的次序不一定限于陈述所述方法的所述步骤或动作的次序。
[0062]在权利要求书以及以上说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、
“涉及”、“保持”、“包括”和类似短语等所有过渡性短语都应理解为开放式的，即，意味着包含但不限于。仅过渡性短语“由...组成”和“基本上由...组成”应当分别为封闭式或半封闭式过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册2111.03节中所陈述。
【主权项】
1.一种有效负载控制设备，包括: 倒缆组合件，包含: 倒缆致动机构； 倒缆飞行滑轮组合件，至少包含飞行滑轮，负载缆线能够在所述飞行滑轮上经过；以及 倒缆，所述倒缆具有连接到所述倒缆致动机构的一端以及连接到所述倒缆飞行滑轮组合件的另一端， 其中所述倒缆飞行滑轮组合件能够经由所述倒缆致动机构以可移动的方式安置到至少一个位置中，使得所述飞行滑轮与所述负载缆线的具有一负载缆线路径长度1^的笔直负载缆线路径的一区域成非接触、间隔的关系以及无路径更改的、接触的关系中的一者，所述负载缆线在其一个区域连接到绞盘组合件且在其另一区域连接到将以可控的方式提升、下降、定位或维持在一静止位置的有效负载， 进一步地，其中所述倒缆飞行滑轮组合件能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少另一位置中，使得所述飞行滑轮与所述负载缆线的所述笔直负载缆线路径的所述区域成负载缆线路径更改的、接合的接触，使得所述负载缆线路径不是笔直的且具有大于负载缆线路径长度L1的负载缆线路径长度L 2。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述负载以及所述负载缆线的至少一部分安置在水体中。3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括安置在所述负载缆线路径中的一或多个可旋转的位置固定的滑轮， 从而当所述倒缆组合件飞行滑轮安置在与所述负载缆线的所述路径更改的、接合的接触位置中时，所述一个或多个固定滑轮提供负载缆线路径稳定化。4.根据权利要求1所述的设备，其中AL= L2 -L1是以可控的方式可变的。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆组合件进一步包括提供飞行滑轮组合件路径的倒缆飞行滑轮组合件导引结构，所述倒缆组合件飞行滑轮以可移动的方式安置在所述飞行滑轮组合件路径内，以便引导所述飞行滑轮沿着所述滑轮路径的运动。6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括一有源补偿器，所述有源补偿器以可操作的方式耦合到所述导引结构和所述倒缆组合件滑轮。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述有源补偿器包含一运动反馈控制组件，以及，机动齿条与齿轮组合件、液压缸、气压缸、第三被驱动缆线中的至少一者。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆致动机构包含一弹簧以及由所述弹簧作用的至少一个可旋转且可移动的滑轮。9.根据权利要求8所述的设备，其中所述弹簧是气动弹簧。10.根据权利要求8所述的设备，其中所述弹簧是液压-气动弹簧。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆致动机构包含任何形式的无源起伏补P盤習12.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的不可移动的部分。13.根据权利要求8所述的设备，其中所述倒缆的所述一端附着到所述倒缆致动机构的所述至少一个可移动的滑轮。14.根据权利要求1所述的设备，其中所述倒缆是刚性的、非柔性的部件。15.—种用于控制有效负载的方法，所述有效负载需要在不稳定介质中升高、下降、定位或维持在一位置，所述方法包括以下步骤: 提供一有效负载，所述有效负载附接到一有效负载缆线，所述有效负载缆线具有长度为L1的笔直有效负载缆线路径； 提供一倒缆组合件，所述倒缆组合件包含: 一致动机构； 一倒缆，所述倒缆具有连接到所述致动机构的一个区域以及连接到飞行滑轮倒缆组合件的另一区域；以及 飞行倒缆组合件滑轮，其能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少第一位置中，使得所述滑轮与所述笔直有效负载缆线路径的一区域成非接触的间隔的关系以及无路径更改的接触的关系中的一者，其中所述倒缆组合件滑轮能够经由所述致动机构以可移动的方式安置到至少第二位置中，使得所述滑轮与所述笔直有效负载缆线路径的所述区域成路径更改的接合的接触；利用所述致动机构在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述倒缆组合件滑轮，以用所述有效负载缆线路径不是笔直的且具有大于L1的长度1^2的方式更改所述有效负载缆线路径。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述介质是水。
【专利摘要】一种有效负载控制设备，包含倒缆、倒缆致动机构、负载缆线能够在其上经过的倒缆飞行滑轮，以及倒缆，其中所述倒缆飞行滑轮能够移动到一位置中，在所述位置中所述飞行滑轮与所述负载缆线间隔开，且与所述负载缆线非接触，或者接触所述负载缆线但相对于所述负载缆线无路径更改，进一步其中所述倒缆飞行滑轮能够移动到另一位置中，使得所述飞行滑轮接合所述负载缆线且更改所述负载缆线的路径长度。因此，当海面船舶在起伏情况中下落而所述起伏情况原本将造成所述负载缆线末端处的有效负载也下落时，所述飞行滑轮将移动以增加路径长度而造成路径长度缩短，从而防止所述有效负载下落。
【IPC分类】B66D3/12, B66C13/18, B66D3/04
【公开号】CN104903227
【申请号】CN201380062338
【发明人】S·W·朱厄尔
【申请人】费尔菲尔德工业股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年10月16日
【公告号】CA2888446A1, EP2909128A1, US20150266704, WO2014062792A1
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