自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置.pdf

本发明公开了一种自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，包括套装在被保护物桩腿外面并与其固接的固定支座，与固定支座固接的液压自升降系统，与液压自升降系统的柱塞固接的套装在被保护物桩腿外面的筒型活动支座，套装在筒型活动支座外面并与其连接的抗冰锥体在所述抗冰锥体的内表面与筒型活动支座的筒型部分外表面之间连接有若干个水平弹簧隔振器，在所述抗冰锥体的下部与筒型活动支座的底座部分的上表面之间连接有若干个垂直弹簧隔振器。本发明无需人为操作，自动随潮差变化调整抗冰锥体位置，而且当冰排作用于抗冰锥体上时又能保持抗冰锥体的稳定性。特别适应潮差变化范围大，变化速度快的海域。最大限度地降低了冰激振动现象对平台的不利影响。

1.  一种自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，包括套装在被保护物桩腿外面并与其固接的固定支座(1)，与固定支座(1)固接的液压自升降系统，与液压自升降系统的柱塞(4)固接的套装在被保护物桩腿外面的筒型活动支座(6)，套装在筒型活动支座(6)外面并与其连接的抗冰锥体(7)，其特征是，在所述抗冰锥体(7)的内表面与筒型活动支座(6)的筒型部分外表面之间连接有若干个水平弹簧隔振器(16)，在所述抗冰锥体(7)的下部与筒型活动支座(6)的底座部分的上表面之间连接有若干个垂直弹簧隔振器(13)。

2.  根据权利要求1所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，在所述筒型活动支座(6)的筒型部分内表面上固装与被保护物桩腿的外表面相接的导向滑轮。

3.  根据权利要求1所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，所述抗冰锥体(7)为正锥体，所述正锥体的上端部设置有倒锥形上部覆冰装置(24)。

4.  根据权利要求3所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，所述上部覆冰装置为壳体结构或桁架结构。

5.  根据权利要求3所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，所述抗冰锥体(7)与上部覆冰装置(24)之间设置有筒形连接段。

6.  根据权利要求1所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，在所述抗冰锥体(7)的内表面与筒型活动支座(6)的筒型部分外表面之间连接有若干个水平阻尼器(19)，在所述抗冰锥体(7)的下表面与筒型活动支座(6)的底座部分的上表面之间连接有若干个垂直阻尼器(14)，所述水平弹簧隔振器(16)和水平阻尼器(19)周向相互间隔均匀布置，所述垂直阻尼器(14)和垂直弹簧隔振器(13)周向相互间隔均匀布置。

7.  根据权利要求1所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，所述液压自升降系统包括：与活动支座(6)的底座部分相连的柱塞(4)，与柱塞(4)相连的柱塞缸(3)，与柱塞缸(3)相连的供油箱(5)，在供油箱(5)与柱塞缸(3)之间并联设置有单向阀(22)和液位控制开关阀(21)，液位控制开关阀(21)连接有潮位传感系统(18)。

8.  根据权利要求2所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，所述的导向滑轮(17)固接有与活动支座(6)的筒型部分平行的推杆(26)，所述推杆(26)垂直地固接于活塞杆(25)，所述活塞杆(25)安装在固定于筒型活动支座(6)上端的活塞缸(23)内。

9.  根据权利要求1所述的自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，其特征是，还包括甲板减振隔振装置，所述甲板减振隔振装置包括与甲板固接的撑竿(12)，撑竿(12)连接于甲板弹簧隔振器(11)的一端，甲板弹簧隔振器(11)的另一端连接于固接在被保护物桩腿上的承托(9)。

自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置
技术领域
本发明涉及冰区海域海洋工程结构物桩腿的保护装置，尤其涉及一种自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置。
背景技术
目前，现有的冰区海洋工程结构物的抗冰装置大都为安装于桩腿上的锥形体，有正锥、倒锥或正倒锥组合的。有些抗冰锥体固定于桩腿上，有些可以依靠升降系统沿桩柱升降。通过锥体表面的作用使冰排由挤压破坏转变为弯曲破坏，达到破冰、碎冰的效果。然而，无论是正锥、倒锥还是正倒锥组合在冰排作用下都会产生冰激振动现象，严重威胁平台安全；而碎冰的爬坡与堆积现象也会对桩柱造成威胁；此外对于潮差变化比较大的海域需要人为调节抗冰锥体与冰排的接触面。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种既能自动适应潮差变化又能减小冰激振动和碎冰爬坡与堆积现象的抗冰装置。
本发明是通过下述技术方案予以实现的：一种自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置，包括套装在被保护物桩腿外面并与其固接的固定支座，与固定支座固接的液压自升降系统，与液压自升降系统的柱塞固接的套装在被保护物桩腿外面的筒型活动支座，套装在筒型活动支座外面并与其连接的抗冰锥体在所述抗冰锥体的内表面与筒型活动支座的筒型部分外表面之间连接有若干个水平弹簧隔振器，在所述抗冰锥体的下部与筒型活动支座的底座部分的上表面之间连接有若干个垂直弹簧隔振器。
在所述筒型活动支座的筒型部分内表面上固装与被保护物桩腿的外表面相接的导向滑轮。
所述抗冰锥体为正锥体，所述正锥体的上端部设置有倒锥形上部覆冰装置。
所述上部覆冰装置为壳体结构或桁架结构。
所述抗冰锥体与上部覆冰装置之间设置有筒形连接段。
在所述抗冰锥体的内表面与筒型活动支座的筒型部分外表面之间连接有若干个水平阻尼器，在所述抗冰锥体的下表面与筒型活动支座的底座部分的上表面之间连接有若干个垂直阻尼器，所述水平弹簧隔振器和水平阻尼器周向相互间隔均匀布置，所述垂直阻尼器和垂直弹簧隔振器周向相互间隔均匀布置。
所述液压自升降系统包括：与活动支座的底座部分相连的柱塞，与柱塞相连的柱塞缸，与柱塞缸相连的供油箱，在供油箱与柱塞缸之间并联设置有单向阀和液位控制开关阀，液位控制开关阀连接有潮位传感系统。
所述的导向滑轮固接有与活动支座的筒型部分平行的推杆，所述推杆垂直地固接于活塞杆，所述活塞杆安装在固定于筒型活动支座上端的活塞缸内。
还包括甲板减振隔振装置，所述甲板减振隔振装置包括与甲板固接的撑竿，撑竿连接于甲板弹簧隔振器的一端，甲板弹簧隔振器的另一端连接于固接在被保护物桩腿上的承托。
本发明的有益效果是：1、本发明中采用的液压自升降系统，无需人为操作，自动随潮差变化调整抗冰锥体位置，而且当冰排作用于抗冰锥体上时又能保持抗冰锥体的稳定性。特别适应潮差变化范围大，变化速度快的海域。2、本发明中采用的减振隔振抗冰系统，最大限度地降低了冰激振动现象对平台的不利影响，而且还通过释放存储在减振隔振装置里变形能起到辅助破冰、降低冰排的堆积与爬坡现象的作用，对于冰情比较严重的海域有很好的适应性。3、本发明中采用的倒锥形覆冰系统(装置)能够使沿锥体上爬的部分碎冰在自身重力和摩擦力的作用下落入海中进一步保护桩柱不受冰排直接作用，适应于冰情比较严重的海域。4、本发明中各个部件均为常规产品，方便生产，降低成本。
附图说明
图1是本发明应用于甲板桩柱的结构示意主视图；
图2是图1中B-B视图；
图3是图1中C-C视图；
图4是图2中D-D视图；
图5是图4的局部放大图；
图6是柱塞缸液压系统原理图；
图7是导向滑轮与桩柱接触部位局部设计图。
附图标记：1、固定支座，3、柱塞缸，4、柱塞，5、供油箱，6、筒型活动支座，7、抗冰锥体，8、桩柱，9、承托，10、上部平台，11、甲板弹簧隔振器，12、撑竿，13、垂直弹簧隔振器，14、垂直阻尼器，15、隔水密封套，16、水平弹簧隔振器，17、导向滑轮，18、潮位传感系统，19、水平阻尼器，20、抗冰锥体内表面，21、液位控制开关阀，22、单向阀，23、活塞缸，24、上部覆冰装置，25、活塞杆，26、推杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：如图1至图7所示，本发明一种自适应潮差变化的减振隔振抗冰装置主要包括液压自升降系统、减振隔振系统、倒锥形覆冰系统、导向滑轮装置等部件实现了自适应潮差变化、最大限度减小冰激振动、辅助破冰、降低冰排的堆积与爬坡现象等抗冰性能，能有效地保护冰区海域海洋工程结构物。
在海上安装时：
首先将固定支座1焊接在桩柱8的适当位置上，并将三个柱塞缸3焊接在固定支座1上。
然后将筒型活动支座6套装在桩柱8的外面，下部与三根柱塞4焊接，并将柱塞4插入柱塞缸3中。
然后在筒型活动支座6底座部分上表面按如图3所示的均匀间隔地布置安装垂直弹簧隔振器13和垂直阻尼器14，连接方式采用焊接等固定连接方式；在筒型活动支座6筒型部分内表面按如图2和图5所示周向、纵向均呈均布地安装适当数量的导向滑轮17，导向滑轮支座与筒型活动支座6为焊接相连，滑轮的另一端和桩柱外表面直接接触，在筒型活动支座6上部焊接安装潮位传感系统18。
然后将抗冰锥体7与垂直弹簧隔振器13和垂直阻尼器14焊接相连；抗冰锥体7内部的水平弹簧隔振器16和水平阻尼器19可事先焊接在抗冰锥体内壁上，当上步安装完成后再将水平弹簧隔振器16和水平阻尼器19与筒型活动支座6筒型部分外表面焊接相连；
然后还可安装上部甲板减振隔振装置，最后将安装在柱塞缸3上的液位控制开关阀21与潮位传感系统18通过导线连接起来，将柱塞缸3与供油箱5通过油管连接起来形成闭合油路。至此完成海上安装。
本发明的液压自升降系统由柱塞4、柱塞缸3、供油箱5、单向阀22、液位控制开关阀21、潮位传感系统18组成。其工作原理可通过图6加以解释：当潮位上升时，抗冰锥体7在自身浮力作用下向上运动，带动与其连接的筒型活动支座6一起沿导向滑轮向上运动，由于筒型活动支座6与柱塞4连接在一起，所以在柱塞缸3中形成负压。此时液位控制开关阀21为常闭状态，供油箱5油压高于柱塞缸3，单向阀22打开，供油箱5通过单向阀22向柱塞缸3供油使其达到平衡状态。当潮位下降时，抗冰锥体7受到的浮力小于重力，此时柱塞4受抗冰锥体7的压力，使柱塞缸3内压力高于供油箱5压力，此时单向阀22处于反向关闭状态，液位控制开关阀21也处于关闭状态，但随着潮位的降低当海面与抗冰锥体7上部的距离达到设定值时，潮位感应器18启动并传递信号到液位控制开关阀21从而打开液位控制开关阀21，液压油由柱塞缸3经液位控制开关阀21流向供油箱5，从而降低柱塞缸3内油压，柱塞4带动上部抗冰锥体7下降。直到海面与抗冰锥体7上部的距离恢复到初始值时，潮位感应器18控制液位控制开关阀21断电切断油路，抗冰锥体7停止下降，如此反复抗冰锥体7就可以随着潮位的变化而始终保持与海面相对位置不变。
当冰排作用于抗冰锥体7上时由于海面保持不变所以液位控制开关阀21常闭，而柱塞4受到向下的作用力，柱塞缸3压力上升，但单向阀反向关闭所以供油箱与柱塞缸3无法连通，柱塞缸3保持闭塞不通状态，从而柱塞4保持不动，使连接在其上的抗冰锥体7也保持不动，由于垂直减振隔振系统的存在，抗冰锥体可作小振幅振动，从而减小冰激振动作用，从而实现破冰性能。
综上所述，通过这套液压自升降系统抗冰锥体7可沿设置在桩柱8上的导向滑轮17随着潮差的变化自动作升降运动，并使抗冰锥体7始终与海面保持固定的接触位置。当冰排作用于抗冰锥体时又能自动锁紧升降装置，保持抗冰锥体工作位置。
本发明的减振隔振系统由水平减振隔振装置，垂直减振隔振装置，甲板减振隔振装置组成。
水平隔振系统设置在筒型活动支座6筒型部分外表面与抗冰锥体内表面20之间，由水平弹簧隔振器16和水平阻尼器19组成，并通过隔水密封装置保护起来，(图中未表示)。安装方法见上文，布置形式见图2与图4，周向采用水平弹簧隔振器16和水平阻尼器19相互间隔均布，纵向均布。
垂直减振隔振装置设置在抗冰锥体7下部，由垂直弹簧隔振器13和垂直阻尼器14组成并通过隔水密封套15保护起来，安装方法见上文，布置形式见图3，垂直弹簧隔振器13和垂直阻尼器14相互间隔均匀布置。
甲板可设置减振隔振装置，该装置通常设置在甲板与桩柱接触部位，由承托9、甲板弹簧隔振器11、撑竿12组成。撑托9固定在桩柱上并通过甲板弹簧隔振器11和撑竿12与上部平台10相连接，起到有效消除冰激振动对上部平台的影响的作用。
本发明的减振隔振系统的工作原理为：当冰排作用于抗冰锥体7表面时，抗冰锥体受到向下和水平的作用力，从而引起垂直弹簧隔振器13和水平弹簧隔振器16的变形，将一部分冰排动能转化为弹簧势能并储存起来；当冰排所受的反力使冰排破碎时，存储在弹簧中的能量被释放出来，使抗冰锥体发生水平和垂直方向的小振幅振动。该小振幅振动起到以下作用：
首先将附着在抗冰锥体表面和堆积在抗冰锥体7迎冰面上碎冰弹开，从而有效减小碎冰堆积与爬坡现象的发生，保护平台安全。
其次，该小振幅振动能破坏并消除较长一段后续冰排，使后续冰排经过较长时间才能作用在抗冰锥体上，这样就形成了挤压、破碎消除、非接触三个阶段。其中第一第三个阶段时间较长，中间的阶段时间较短。通过这一过程水平弹簧隔振和垂直弹簧隔振器吸收大部分冰排撞击能量从而减小作用在桩柱上的能量，达到良好的减振隔振效果；而且通过这样三个阶段的转化使原本的动冰力荷载的作用周期拉长，这种拉长后的动冰力荷载不会使平台产生强烈的振动。
最后当冰排较厚速度较快时，反弹的抗冰锥体7会对后续冰排产生一个自下而上的主动辅助破冰力，辅助破冰。对冰情比较严重的海域有较好的适应性。
在减振隔振系统引入水平阻尼器19与垂直阻尼器14主要是为了控制抗冰锥体的振动速度防止其振动过快而失去控制，还可以调整抗冰锥体的自振频率与冰排的破碎频率相一致从而形成共振，提高破冰效率。
本发明的倒锥形覆冰装置24设置在抗冰锥体上部，为壳体结构，也可采用桁架结构，阶段形表面也可采用圆弧面，当小部分碎冰越过抗冰锥体7表面向上运动时由于倒锥形覆冰装置24的特殊结构形式，碎冰受到的重力和摩擦力的合力将远大于后续冰排的推力从而使碎冰下滑堕入海中，有效的防止了碎冰爬坡现象，保护了桩柱的安全。
本发明的导向滑轮17的安装见上文，布置见图2、图5和图7，周向及纵向均为均匀布置。通过导向滑轮17可以引导抗冰锥体7沿垂直方向的运动。请参见图7。
请参见图7，导向滑轮17固接有与活动支座6的筒型部分平行的推杆26，所述推杆26垂直地固接于活塞杆25，所述活塞杆25安装活塞缸23内，活塞缸23固接在筒型活动支座6的上端。通过液压或电力驱动可使活塞杆25沿水平方向往复运动，从而带动与其相连的导向滑轮一起运动，改变导向滑轮与桩柱的接触情况，从而改变抗冰锥体7与桩柱8的垂直方向摩擦力，加强对抗冰锥体7的控制。例如：在冰情较轻时无需抗冰锥体振动即可起到理想的抗冰效果，这时可加大摩擦力阻止抗冰锥体小振幅垂直振动，因此垂直减振隔振装置停止运作，起到减小垂直减振隔振装置老化速度的作用。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，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，并不是限制性的，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和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。