本发明涉及一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统及方法，属于海洋工程技术领域。
背景技术：
在进行海上作业过程中，由于海况的存在，船体会随波浪产生运动，船体上设备同样也会跟随波浪产生运动，船体上举升设备对海上固定模块举升时常出现举升设备受力不均，机械碰撞，举升位置不断变化等现象，现有技术中，多采用被动补偿形式，补偿过程中的势能通过热量消耗掉，造成严重的能量浪费，采用单一补偿形式，效果不理想。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统及方法，在举升上部模块的过程中主被动补偿交替工作，且设有能量回收再利用装置，可实现精确的升沉补偿，很大程度上减少能量浪费。
本发明所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统，包括液压缸ⅰ和液压缸ⅱ、托架和海上固定模块，托架承托于海上固定模块底部，托架下方安装有液压缸ⅰ和液压缸ⅱ，液压缸ⅰ连接有主动补偿系统，液压缸ⅱ连接有被动补偿系统，其中：
主动补偿系统包括进油回路和蓄能回路，其中：
进油回路包括液压泵ⅰ、三位四通阀、单向阀ⅰ，液压泵ⅰ进油口接油箱，出油口接三位四通阀进油口，三位四通阀左出油口经单向阀ⅰ接入液压缸ⅰ无杆腔，液压缸ⅰ有杆腔接三位四通阀右出油口；
蓄能回路包括电磁阀ⅰ、电磁阀ⅱ、蓄能器ⅰ、液压马达ⅰ、液压泵ⅱ，单向阀ⅱ、单向阀ⅲ和单向阀ⅳ，电磁阀ⅰ接入液压缸ⅰ无杆腔，一端经单向阀ⅱ、液压马达ⅰ、液压泵ⅱ、单向阀ⅲ接入蓄能器ⅰ，电磁阀ⅱ一端连接蓄能器ⅰ，一端经单向阀ⅳ连接液压缸ⅰ无杆腔；
被动补偿系统包括释压回路和增压回路，其中：
释压回路包括蓄能器ⅱ、电磁阀ⅲ、单向阀ⅴ和溢流阀ⅲ，蓄能器ⅱ出油口接通电磁阀ⅲ经过单向阀ⅴ接通液压缸ⅱ无杆腔，液压缸ⅱ有杆腔通过溢流阀ⅲ接通油箱；
增压回路包括顺序阀、单向阀ⅵ、液压马达ⅱ、液压泵ⅲ、单向阀ⅶ、单向阀ⅷ、电磁阀ⅳ和蓄能器ⅲ，顺序阀一端接入液缸ⅱ无杆腔，另一端经单向阀ⅵ、液压马达ⅱ、液压泵ⅲ、单向阀ⅶ接入蓄能器ⅲ，电磁阀ⅳ一端连接蓄能器ⅲ，一端经单向阀ⅷ连接液缸ⅱ无杆腔；
托架通过主动补偿系统及被动补偿系统控制液压缸ⅰ和液压缸ⅱ，相对于海上固定模块位置恒定和压力恒定；
主动补偿系统还包括溢流回路，溢流回路包括起保护液压泵ⅰ作用的溢流阀ⅰ，溢流阀ⅰ一端接通液压泵ⅰ出油口，一端连接油箱；溢流回路包括液压缸ⅰ起缓冲作用的溢流阀ⅱ，溢流阀ⅱ一端接通液压泵ⅰ出油口，一端连接油箱。
优选地，所述被动补偿系统还包括储气瓶，截止阀ⅰ、截止阀ⅱ和截止阀ⅲ，储气瓶经截止阀ⅰ、截止阀ⅱ给蓄能器ⅱ补充气体，增加蓄能器ⅱ压力，同样储气瓶经截止阀ⅰ、截止阀ⅲ给蓄能器ⅲ补充气体，增加蓄能器ⅲ压力。
本发明所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，包括如下步骤：
s1：在举升海上固定模块时，托架靠近海上固定模块底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架相对于海上固定模块产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统开始工作；主动补偿系统工作时，托架上部尚未承受海上固定模块的重力，此时只是保持托架相对于海上固定模块的位置恒定；
s2：当托架举升海上固定模块时，被动补偿系统开始工作，此时是保持托架相对于海上固定模块的位置恒定，压力恒定。
优选地，所述s1中，主动补偿系统开始工作时，被动补偿系统处于跟随状态。
优选地，所述s2中，被动补偿系统开始工作时，主动补偿系统处于跟随状态。
本发明所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，包括如下步骤：
s1：在举升海上固定模块时，托架靠近海上固定模块底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架相对于海上固定模块产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统开始工作；主动补偿系统工作时，托架上部尚未承受海上固定模块的重力，此时只是保持托架相对于海上固定模块的位置恒定；
s2：当托架举升海上固定模块时，被动补偿系统提供举升海上模块的主支撑力，主动补偿系统完成由波浪补偿造成的位移及力的偏差补偿，保持托架相对于海上固定模块的位置恒定，压力恒定。
优选地，所述s1中，顺序阀设定压力等于蓄能器ⅱ提供给液压缸的压力。
优选地，所述s1中，主动补偿系统开始工作时，被动补偿系统处于跟随状态。
优选地，所述s2中，首先，被动补偿系统开始工作时，主动补偿系统处于跟随状态；然后，主动补偿系统和被动补偿系统共同作用。
本发明的有益效果是：(1)本发明在托架接近被举升物时，采用主动补偿系统，补偿精度高，且耗能低；
(2)本发明在将被举升物举升后采用被动补偿系统，在承受重物重量的同时进行被动补偿，保证重物位置及受力在允许的范围内；
(3)本发明主被动系统中均设有能量回收在利用装置，大大减少了能量损耗；
(4)本发明采用的主被动系统交替工作，在补偿因波浪作用引起的升沉外，能较大程度上减少系统耗能。
附图说明
图1是本发明的主被动补偿原理图。
图中：1.主动补偿系统、101.液压泵ⅰ、102.三位四通阀、103.单向阀ⅰ、104.电磁阀ⅰ、105.单向阀ⅱ、106.液压马达ⅰ、107.液压泵ⅱ、108.单向阀ⅲ、109.电磁阀ⅱ、110.单向阀ⅳ、111.蓄能器ⅰ、112.溢流阀ⅰ、113.溢流阀ⅱ；
2.被动补偿系统、201.储气瓶、202.蓄能器ⅱ、203.电磁阀ⅲ、204.单向阀ⅴ、205.顺序阀、206.单向阀ⅵ、207.液压马达ⅱ、208.液压泵ⅲ、209.单向阀ⅶ、210.蓄能器ⅲ、211.电磁阀ⅳ、212.单向阀ⅷ、213.溢流阀ⅲ、214.截止阀ⅰ、215.截止阀ⅱ、216.截止阀ⅲ；
3.液压缸ⅰ；4.液压缸ⅱ；5.托架；6.海上固定模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统，它包括主动补偿系统1、被动补偿系统2、液压缸ⅰ3、液压缸ⅱ4、托架5和海上固定模块6。液压缸ⅰ3和液压缸ⅱ4的缸杆端与托架5铰接，通过主动补偿系统1及被动补偿系统2控制液压缸ⅰ3和液压缸ⅱ4保证托架5相对于海上固定模块6位置恒定和压力恒定。
所述主动补偿系统1包括液压泵ⅰ101、三位四通阀102、单向阀ⅰ103；所述液压泵ⅰ101进油口接油箱，出油口接三位四通阀102进油口，三位四通阀102左出油口经单向阀ⅰ103接入液压缸ⅰ3无杆腔，液压缸ⅰ3有杆腔接三位四通阀102右出油口。
所述主动补偿系统1还包括电磁阀ⅰ104、电磁阀ⅱ109、蓄能器ⅰ111、液压马达ⅰ106、液压泵ⅱ107、单向阀ⅱ105、单向阀ⅲ108和单向阀ⅳ110。电磁阀ⅰ104接入液压缸ⅰ3无杆腔，一端经单向阀ⅱ105、液压马达ⅰ106、液压泵ⅱ107、单向阀ⅲ108接入蓄能器ⅰ111，电磁阀ⅱ109一端连接蓄能器ⅰ111，一端经单向阀ⅳ110连接液压缸ⅰ3无杆腔；
所述主动补偿系统1还包括溢流阀ⅰ112，溢流阀ⅰ112一端接通液压泵ⅰ101出油口，一端连接油箱，起保护液压泵ⅰ101的作用。
所述主动补偿系统1还包括溢流阀ⅱ113，溢流阀ⅱ113一端接通三位四通阀102回油口，一端连接油箱，对液压缸ⅰ3起缓冲作用。
所述被动补偿系统2包括蓄能器、电磁阀、单向阀ⅴ204、溢流阀ⅲ213。蓄能器ⅱ202出油口接通电磁阀ⅲ203经过单向阀ⅴ204接通液压缸ⅱ4无杆腔，液压缸ⅱ4有杆腔通过溢流阀ⅲ213接通油箱。
所述被动补偿系统2还包括顺序阀205、单向阀ⅵ206、液压马达ⅱ207、液压泵ⅲ208、单向阀ⅶ209、单向阀ⅷ212、电磁阀ⅳ211、蓄能器ⅲ210。顺序阀205一端接入液缸ⅱ无杆腔，另一端经单向阀ⅵ206、液压马达ⅱ207、液压泵ⅲ208、单向阀ⅶ209接入蓄能器ⅲ210，电磁阀ⅳ211一端连接蓄能器ⅲ210，一端经单向阀ⅷ212连接液缸ⅱ无杆腔。
所述被动补偿系统2还包括储气瓶201，截止阀ⅰ214、截止阀ⅱ215、截止阀ⅲ216。储气瓶201经截止阀ⅰ214，截止阀ⅱ215给蓄能器ⅱ202补充气体，增加蓄能器ⅱ202压力，同样储气瓶201经截止阀ⅰ214，截止阀ⅲ216给蓄能器ⅲ210补充气体，增加蓄能器ⅲ210压力。
本发明的使用过程如下所示：安装于船体上的一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统，在举升海上固定模块6时，托架5靠近海上固定模块6底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架5相对于海上固定模块6产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统1开始工作。当船体上浮时，三位四通阀102右出油口接通，电磁阀ⅰ104接通，电磁阀ⅱ109关闭，液压泵ⅰ101将液压油通过三位四通阀102打入液压缸ⅰ3有杆腔，驱动缸杆下移，同时液压缸ⅰ3无杆腔的液压油经电磁阀ⅰ104、单向阀ⅱ105驱动液压马达ⅰ106，液压马达ⅰ106带动液压泵ⅱ107经单向阀将低压油泵入蓄能器ⅰ111中，即将液压缸ⅰ3的能量储存在蓄能器ⅰ111中。当船体下沉时，三位四通阀102左出油口接通，电磁阀ⅰ104关闭，电磁阀ⅱ109接通，液压泵ⅰ101将液压油通过三位四通阀102打入液压缸ⅰ3无杆腔，同时蓄能器ⅰ111将储存的能量释放，共同驱动缸杆上移。主动补偿系统1工作时，托架5上部尚未承受海上固定模块6的重力，此时只是保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定。
具体地，当托架5举升海上固定模块6时，被动补偿系统2开始工作，电磁阀ⅲ203打开，电磁阀ⅳ211关闭，蓄能器ⅱ202释放油压，经电磁阀ⅲ203、单向阀ⅴ204进入液压缸ⅱ4无杆腔，驱动托架5上移，使海上固定模块6抬升一定距离，保持蓄能器ⅱ202压力恒定，给海上固定模块6提供恒定的支撑力。顺序阀205设定压力等于蓄能器ⅱ202提供给液压缸的压力。
当船体上浮时，电磁阀ⅳ211关闭，托架5受力增大，液缸无杆腔所受压力大于顺序阀205设定压力，顺序阀205被打开，缸杆下移，液压缸ⅱ4无杆腔的液压油经顺序阀205、单向阀ⅵ206驱动液压马达ⅱ207，液压马达ⅱ207带动液压泵ⅲ208经单向阀ⅶ209将低压油泵入蓄能器ⅲ210中，即将液压缸ⅱ4的能量储存在蓄能器ⅲ210中。当船体下沉时，电磁阀ⅳ211打开，蓄能器ⅲ210中的能量经电磁阀ⅳ211、单向阀ⅷ212进入液压缸ⅱ4无杆腔，缸杆上移，补充液压缸ⅱ4流量。此时是保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定，压力恒定。
实施例2：
下面针对本发明的主动补偿和被动补偿方法作展开说明。
其一，本发明所述的具有能量回收再利用功能的主动补偿方法，包括如下步骤：
在举升海上固定模块6时，托架5靠近海上固定模块6底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架5相对于海上固定模块6产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统1开始工作。主动补偿系统1工作时，托架5上部尚未承受海上固定模块6的重力，此时只是保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定。此过程中被动补偿系统2处于跟随状态。
当托架5举升海上固定模块6时，被动补偿系统2开始工作，此时是保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定，压力恒定。此过程中主动补偿系统1处于跟随状态。
其二，本发明所述的具有能量回收再利用功能的被动补偿方法，包括如下步骤：
在举升海上固定模块6时，托架5靠近海上固定模块6底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架5相对于海上固定模块6产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统1开始工作。主动补偿系统1工作时，托架5上部尚未承受海上固定模块6的重力，此时只是保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定。此过程中被动补偿系统2处于跟随状态。
当托架5举升海上固定模块6时，主动补偿系统1和被动补偿系统2同时工作，被动补偿系统2提供举升海上模块的主支撑力，主动补偿系统1和被动补偿系统2共同完成，由波浪补偿造成的位移及力的偏差补偿，此时是主动补偿系统1和被动补偿系统2共同作用，保持托架5相对于海上固定模块6的位置恒定，压力恒定。
本发明可广泛运用于海洋工程场合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统，包括液压缸ⅰ(3)和液压缸ⅱ(4)、托架(5)和海上固定模块(6)，托架(5)承托于海上固定模块(6)底部，托架(5)下方安装有液压缸ⅰ(3)和液压缸ⅱ(4)，其特征在于，液压缸ⅰ(3)连接有主动补偿系统(1)，液压缸ⅱ(4)连接有被动补偿系统(2)，其中：
主动补偿系统(1)包括进油回路和蓄能回路，其中：
进油回路包括液压泵ⅰ(101)、三位四通阀(102)、单向阀ⅰ(103)，液压泵ⅰ(101)进油口接油箱，出油口接三位四通阀(102)进油口，三位四通阀(102)左出油口经单向阀ⅰ(103)接入液压缸ⅰ(3)无杆腔，液压缸ⅰ(3)有杆腔接三位四通阀(102)右出油口；
蓄能回路包括电磁阀ⅰ(104)、电磁阀ⅱ(109)、蓄能器ⅰ(111)、液压马达ⅰ(106)、液压泵ⅱ(107)，单向阀ⅱ(105)、单向阀ⅲ(108)和单向阀ⅳ(110)，电磁阀ⅰ(104)接入液压缸ⅰ(3)无杆腔，一端经单向阀ⅱ(105)、液压马达ⅰ(106)、液压泵ⅱ(107)、单向阀ⅲ(108)接入蓄能器ⅰ(111)，电磁阀ⅱ(109)一端连接蓄能器ⅰ(111)，一端经单向阀ⅳ(110)连接液压缸ⅰ(3)无杆腔；
被动补偿系统(2)包括释压回路和增压回路，其中：
释压回路包括蓄能器ⅱ(202)、电磁阀ⅲ(203)、单向阀ⅴ(204)和溢流阀ⅲ(213)，蓄能器ⅱ(202)出油口接通电磁阀ⅲ(203)经过单向阀ⅴ(204)接通液压缸ⅱ(4)无杆腔，液压缸ⅱ(4)有杆腔通过溢流阀ⅲ(213)接通油箱；
增压回路包括顺序阀(205)、单向阀ⅵ(206)、液压马达ⅱ(207)、液压泵ⅲ(208)、单向阀ⅶ(209)、单向阀ⅷ(212)、电磁阀ⅳ(211)和蓄能器ⅲ(210)，顺序阀(205)一端接入液缸ⅱ无杆腔，另一端经单向阀ⅵ(206)、液压马达ⅱ(207)、液压泵ⅲ(208)、单向阀ⅶ(209)接入蓄能器ⅲ(210)，电磁阀ⅳ(211)一端连接蓄能器ⅲ(210)，一端经单向阀ⅷ(212)连接液缸ⅱ无杆腔；
托架(5)通过主动补偿系统(1)及被动补偿系统(2)控制液压缸ⅰ(3)和液压缸ⅱ(4)，相对于海上固定模块(6)位置恒定和压力恒定；
主动补偿系统(1)还包括溢流回路，溢流回路包括起保护液压泵ⅰ(101)作用的溢流阀ⅰ(112)，溢流阀ⅰ(112)一端接通液压泵ⅰ(101)出油口，一端连接油箱；溢流回路包括液压缸ⅰ(3)起缓冲作用的溢流阀ⅱ(113)，溢流阀ⅱ(113)一端接通液压泵ⅰ(101)出油口，一端连接油箱。
2.根据权利要求1所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿系统，其特征在于，所述被动补偿系统(2)还包括储气瓶(201)，截止阀ⅰ(214)、截止阀ⅱ(215)和截止阀ⅲ(216)，储气瓶(201)经截止阀ⅰ(214)、截止阀ⅱ(215)给蓄能器ⅱ(202)补充气体，增加蓄能器ⅱ(202)压力，同样储气瓶(201)经截止阀ⅰ(214)、截止阀ⅲ(216)给蓄能器ⅲ(210)补充气体，增加蓄能器ⅲ(210)压力。
3.一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：在举升海上固定模块(6)时，托架(5)靠近海上固定模块(6)底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架(5)相对于海上固定模块(6)产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统(1)开始工作；主动补偿系统(1)工作时，托架(5)上部尚未承受海上固定模块(6)的重力，此时只是保持托架(5)相对于海上固定模块(6)的位置恒定；
s2：当托架(5)举升海上固定模块(6)时，被动补偿系统(2)开始工作，此时是保持托架(5)相对于海上固定模块(6)的位置恒定，压力恒定。
4.根据权利要求3所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，所述s1中，主动补偿系统(1)开始工作时，被动补偿系统(2)处于跟随状态。
5.根据权利要求3所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，所述s2中，被动补偿系统(2)开始工作时，主动补偿系统(1)处于跟随状态。
6.一种具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：在举升海上固定模块(6)时，托架(5)靠近海上固定模块(6)底部，由于波浪作用使船体产生升沉，使托架(5)相对于海上固定模块(6)产生位置偏差及碰撞，主动补偿系统(1)开始工作；主动补偿系统(1)工作时，托架(5)上部尚未承受海上固定模块(6)的重力，此时只是保持托架(5)相对于海上固定模块(6)的位置恒定；
s2：当托架(5)举升海上固定模块(6)时，被动补偿系统(2)提供举升海上模块的主支撑力，被动补偿系统(2)和主动补偿系统(1)共同完成，由波浪补偿造成的位移及力的偏差补偿，保持托架(5)相对于海上固定模块(6)的位置恒定，压力恒定。
7.根据权利要求6所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，所述s1中，顺序阀(207)设定压力等于蓄能器ⅱ(202)提供给液压缸的压力。
8.根据权利要求6所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，所述s1中，主动补偿系统(1)开始工作时，被动补偿系统(2)处于跟随状态。
9.根据权利要求6所述的具有能量回收再利用功能的主被动补偿方法，其特征在于，所述s2中，首先，被动补偿系统(2)开始工作时，主动补偿系统(1)处于跟随状态；然后，主动补偿系统(1)和被动补偿系统(2)共同作用。
技术总结