负载处理装置及其使用方法技术领域
本文描述了一种用于提升和降下负载的负载处理装置。更具体来说，本
文描述了一种用于提升和降下负载的负载处理装置，其中该负载处理装置包
括适于连接到负载的长形构件、包括一个或多个滑轮(sheave，绞轮)的绞
盘，长形构件穿过该绞盘运行，其中该绞盘限定长形构件的低张力侧和高张
力侧。
背景技术
绞盘可以被视为一个充当用于穿行于其中的绳索、缆线或任何长形构件
的力放大器或力缩小器的黑盒。在下文中，词语“绳索”应被认为是包括适
于连接到并搬运负载的任何长形构件。通过绞盘的力的放大或缩小将遵循艾
S
1
S
2
≤
e
μ
α
]]>
特尔万(Eytelwein)公式：
其中，S1是作用于绞盘的高张力侧上的绳索力，S2是作用于绞盘的低
张力侧上的绳索力，μ是摩擦系数，而α是绳索绕过的所有圈数按照弧度测
S
1
S
2
=
e
μ
α
]]>
量的总角度。当
时将达到最大程度的绳索力放大或缩小，且绳索将开始滑动。在下文中，S1/S2
比率将被称为放大因数或缩小因数，这取决于绳索的行进方向。因为绳索的
滑动是非期望的，所以绞盘系统通常被超裕度设计为使绳索在所需圈数之外
再绕过一圈以上。上述一圈以上的额外圈数将使得穿过绞盘运行的绳索产生
更多的弯折。通常这被认为是为了获得更大的防滑动安全性而付出的小代价。
对于比系统的最大负载小的负载而言，绞盘超裕度设计的程度将更大，使得
围绕绞盘滑轮缠绕若干非必要的圈数。通常，这也被认为是为了获得防滑动
的高安全性因数而付出的小代价。
然而，绞盘系统的超裕度设计造成了许多缺点，其中一些缺点是大部分
绞盘设计人员都不会理解的，且这些缺点甚至可能会降低系统的安全性。下
文中描述的缺点通常在包括升沉补偿系统的离岸提升装置中将会甚至更加突
出，升沉补偿(heavecompensation，波浪补偿)系统用于抵消作用于安置该
提升装置的船只上的波浪起伏。绳索将前后行进以补偿船只的起伏运动，以
保持负载相对于海床或另一船只的稳定，且绳索将因此在高张力状态下经受
大数量的弯折循环。
在绞盘系统中，多个滑轮通常设置为彼此非常接近。这些滑轮可以被连
接(如在双绞盘系统中)或者可以被各自独立地驱动，或者绞盘可以包括连
接的或独立驱动的滑轮设置的组合。如果绳索的运动频繁地颠倒方向(比如
在上述的离岸升沉补偿操作中的那样)，这会导致绳索的过早失效。
当绳索在绞盘中前后行进时，受影响的绳索段将会在它们每次进入滑轮
时被弯折而在它们每次离开滑轮时被拉直。由于绳索内的摩擦以及绳索与滑
轮之间的摩擦，受影响的绳索段和绞盘滑轮将会发热。这可能导致润滑剂的
损耗，且结果是加速了绳索的劣化。热量可能还会导致绳索缆线中的应变老
化过程。热效应趋于随着绳索直径的增加而增大。
当绳索进行了比必要数量更多的弯折循环时，存在这样的风险：指数力
放大作用从绞盘的两侧积累，进而使绞盘系统中产生力峰值。穿过绞盘行进
的绳索因此不仅进行了比必要数量更多的弯折循环，而且这些弯折循环可能
是在比被认为是系统最大绳索力的负载更高的负载下做出的。过多的弯折循
环和负载的不利效果的结合将会导致更高的弯折疲劳，且结果是大幅缩短绳
索寿命。在一些情况下，绳索力已增大到高于绳索的断裂强度的水平，因此
这会导致绞盘系统的绳索的过载失效。一些绞盘的定向/轴心故障同样可能是
由于系统中的绳索力远高于设计者的预计值而造成的。
现有技术的另一个缺陷是下述因素所引起的：将提升负载时与降下负载
时相比，绞盘系统中的力分布不同。这意味着在每次绳索的运动方向颠倒时，
绳索段上的力会有相当程度的增大或减小。这将会导致大量的张力-张力疲
劳，这种疲劳将与上文已描述过的过余的滑轮导致的疲劳相叠加。此外，位
于滑轮上的绳索将会连续改变其长度以适应改变的绳索力，因而引起绳索上
的磨损以及绞盘的滑轮上的磨损。
下文还将参照附图描述现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的是纠正或减轻现有技术的至少一个缺陷，或者至少提
供一种现有技术的有益的替代方案。
该目的是通过下文的描述及随附的权利要求中公开的多个特征来实现
的。
在第一个方案中，本发明涉及一种用于提升和降下负载的负载处理装置，
该负载处理装置包括：
长形构件，适于连接到负载；
绞盘，包括一个或多个滑轮，长形构件穿过该绞盘运行，该绞盘限定长
形构件的低张力侧和高张力侧，其中，负载处理装置还包括张力调节构件，
该张力调节构件适于在长形构件的低张力侧操作。
在一个实施例中，负载处理装置可包括一个或多个负载感测装置。这些
负载感测装置可以是本领域中已知的负载传感器(loadcell)，且可以设置在
绞盘的低张力侧和/或高张力侧上。上述一个或多个负载感测装置可以结合到
绞盘的低张力侧和/或高张力侧上的一个或多个滑轮中。
可使用一控制单元来调节张力调节构件，该控制单元可例如是可编程逻
辑控制器或者微控制器或类似物。选择性地，该控制单元可以基于来自负载
感测装置的感测到的负载来调节张力调节构件。该控制单元还可用于获得/
校准放大/缩小因数。在借助该系统进行几次提升或测试提升后，控制单元可
以获知系统的放大因数或缩小因数，甚至可能获知当使用干燥的绳索或湿润
的绳索时该因数将如何改变。随后，控制单元仅测量高张力侧处的绳索力，
将其除以此因数以确定将使绳索开始滑动的力，并将低张力侧上的绳索力保
持为略微高于这个水平。或者，可人工设定并减小放大因数的初值直至绳索
开始滑动，随后再略微增大绳索力以便将负载固定，并确保系统在优化的绳
索力分布的情况下被操作。
控制单元还可连接到储存单元，以储存来自先前操作的数据。这对于负
载处理装置自动调整到新的状态而言会是有益的。
在一个实施例中，张力调节构件可包括储存鼓，长形构件的至少一部分
被储存在该储存鼓上。对于提升和降下操作，储存鼓可足以调节绞盘的低张
力侧上的张力。另一方面，在升沉补偿操作中，会要求储存鼓持续地前后旋
转，这样由于涉及大的惯性而可能是有问题的。
在一个实施例中，张力调节构件可包括一单独的张力控制系统。该张力
控制系统可设置在绞盘与储存鼓之间。在升沉补偿操作中，绞盘和张力控制
系统会移动，而储存鼓和有效负载的大质量体将不会移动。该张力控制系统
可包括一个或多个可替换的滑轮，长形构件通过这些滑轮运行，这些滑轮适
于调节长形构件的低张力侧上的张力。在一个特定实施例中，该张力控制系
统可由三个滑轮组成。沿着从绞盘朝向储存鼓的方向，绳索可在具有固定位
置的第一滑轮上行进90°。随后绳索在第二滑轮上行进180°，该第二滑轮可
以被驱动单元(如液压缸)上下移动。最后，绳索在具有固定位置的第三滑
轮上行进90°。通过借助驱动单元提升中间的滑轮进而拉伸绳索并增大其张
力，能够使绳索张力增加。按照类似方式，通过借助驱动单元来降下第二滑
轮，能够使绳索张力减小。
该张力控制系统可连接到控制单元。
在一个实施例中，该张力调节构件可包括滑轮接合和/或脱开单元。在带
有可独立控制的滑轮的绞盘中，低张力侧上的力的一种调节方式可以是使绞
盘的低张力侧上的滑轮选择性地接合和脱开。滑轮的脱开意味着使得滑轮自
由旋转。脱开单元可因此包括上述控制单元，以独立地控制绞盘中的一个或
多个滑轮的驱动单元。
在一个实施例中，张力调节构件可包括摩擦调节单元。还可以通过控制
绳索的摩擦来调节低张力侧上的张力。这可以借助夹具来实现，该夹具沿法
向(normally)作用于长形构件以便调整摩擦。备选地或者另外地，该摩擦
调节单元可包括沿法向作用于长形构件的一个或多个可接合及可脱开的磁
体。该摩擦调节装置还可包括润滑单元。
在多个实际的实施例中，通过调整摩擦来控制绳索的张力调整可能存在
困难。放大/缩小因数以指数方式取决于摩擦，而摩擦的小的改变将导致该放
大/缩小的大的改变，因而使得力调节构件难以足够快地作出反应。这样一来，
使绞盘和长形构件保持差不多恒定的摩擦(例如通过不断地湿润绞盘)可能
是有益的。
在一个实施例中，绞盘的一个或多个滑轮可至少部分地由摩擦系数比钢
高的材料制成，例如![]()
公知的是百克瑞特具有高摩擦系
数，比钢材高得多，因此能够大幅减少所需要的滑轮的数量。滑轮的数量减
少将使得长形构件的弯折疲劳减少。上述一个或多个百克瑞特滑轮可优选地
设置在绳索的低张力侧上，且上述一个或多个百克瑞特滑轮可以如上文所述
的那样能接合/能脱开。
本文还描述了一种设有根据上文所述的负载处理装置的船只。
在第二个方案中，本发明涉及一种借助根据本发明的权利要求1所述的
负载处理装置来降下和/或提升负载的方法，该方法包括以下步骤：
通过借助张力调节构件调节长形构件的低张力侧上的张力，来调整长形
构件的高张力侧上的张力。
在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：
调整长形构件的低张力侧上的张力，使得当提升负载时绞盘中的长形构
件中的力分布与当降下负载时绞盘中的长形构件中的力分布基本相等。如下
文将参照附图描述的，这样可大幅降低绳索的张力-张力疲劳。
该方法还可包括以下步骤：
借助张力调节构件，使得与当提升负载时相比较，当降下负载时长形构
件的低张力侧上的张力提高；以及/或者
与当降下负载时相比较，当提升负载时长形构件的低张力侧上的张力降
低。这样会有益地提供如下两个优点：系统中的总负载水平较低，以及在使
绳索反向运动时的力分布的变化较小。
本发明的一个很大的优点是，可以将现有的超裕度设计的绞盘系统与根
据上文所述的负载调节构件配合，并由此提供可能的反向运动。张力调节构
件可以确保安全操作，且在许多情况下，可以减少围绕绞盘的卷绕数。
一旦绞盘在绳索的低张力侧设有张力调节构件，则绞盘将会在与现有技
术相比较低的绳索力下操作，使得绳索寿命更长，且使绳索和绞盘滑轮两者
的磨损都减少。可以避免系统中出现大的负载峰。
附图说明
在下文中将参照附图展示多个优选实施例的示例，在附图中：
图1示意性地示出与根据本发明的负载调节装置一起使用的通过绞盘
运行的绳索；
图2以立体图示出与根据本发明的负载调节装置一起使用的绞盘；
图3至图10是示出绞盘中的绳索上的力分布随半圈的数量而变化的图
表；
图11示意性地示出与根据本发明的负载处理装置的第一实施例；以及
图12示意性地示出与根据本发明的负载处理装置的第二实施例。
具体实施方式
在下文中，附图标记1表示根据本发明的负载处理装置。相同的附图
标记指代相同或相似的部件，且这些附图是以示意性及简化的方式示出
的。
图1和图2分别以示意图和立体图地示出了绞盘2。绞盘2充当用于呈
绳索形式穿过绞盘2运行的长形构件3的力放大器或力缩小器。该绞盘限定
具有绳索力S2的低张力侧31和具有绳索力S1的高张力侧33。当提升负载
5时(见图11和图12)，绳索3在高张力侧33进入绞盘2且在低张力侧
31离开。相反地，当降下负载5时，绳索3在低张力侧31进入绞盘2且在
高张力侧33离开。
图2的绞盘2中的绳索3围绕绞盘2的滑轮21(绞盘2是双鼓类型)
行进5个整圈，即10个半圈。由此，艾特尔万公式的指数中的角度α将是
Π的10倍(≈31.4)。下面的示例中将使用0.125的摩擦系数μ，因此在本
文的示例中，放大因数S1/S2将约为51。
图3的图表中示出绞盘2(其中绳索3行进7个整圈，即14个半圈)
中以吨(t)为单位给出的绳索力F随着半圈的数量N(即绳索运行通过的
滑轮21的数量)而变化的函数关系。如果将低张力侧31的绳索力设置为1
吨(1t)，则高张力侧33的绳索力在绳索3开始滑动之前可以高达244t，
即放大因数为244。示意性的系统被设计为以50t的绳索力S1提升负载5，
这将需要围绕绞盘2仅5个整绳索圈即可。
图4的图表中示出从低张力侧31到高张力侧33沿着围绕绞盘2的绳索
弧的理论的力的减小。绳索3在高张力侧33进入，且以与高张力侧33的力
相等的力(即50t)行进经过滑轮14至滑轮11。根据艾特尔万公式，绳索
力将如上文所述地根据指数函数而减少，直至其达到较低的1t的力S2。
根据已建立的根据现有技术的所有绞盘的设计基础的理论，当提升负
载5时，系统中最大绳索力将始终出现在绞盘2的入口处，而当降下负载5
时系统中最大绳索力将出现在绞盘2的出口处。然而在实践中，可出现类
似于图5中所示的力分布。指数函数从绞盘2的两侧增长，在绞盘2内部产
生一个力峰值。在这一特定实施例中，第十二滑轮21上的力的峰值将会比
高张力侧33上的绳索力的两倍更大。由此，穿过绞盘2行进的绳索3将不
会仅围绕绞盘2的滑轮21绕4个非必要的半圈，弯折循环将会在比被认为
的系统的最大绳索力更高的负载下进行。
图6的图表中示出当将提升(实线)负载5时与降下(虚线)负载5
时相比较，绞盘2中的绳索3上的力分布的差异。高张力侧33上的绳索力
是50t，而低张力侧31上的绳索力是1t。绞盘2可能在升沉补偿模式下作
业，在提升与降下负载5之间连续切换。当提升负载5时，负载5将会在第
十四滑轮21上进入绞盘2，且以同样的绳索力行进经过滑轮14至滑轮11，
直至绳索3上的力以指数方式下降到第一滑轮21上的1t。当降下负载5
时，绳索3将在绞盘2的低张力侧31进入并且以1t的不变的低绳索力行进
经过滑轮1至滑轮4，直至在最后一个滑轮21的出口处绳索3上的力以指
数方式增加到50t。
如图7中的字母A所表示的，当提升时，第十滑轮上的绳索力将具有
50t绳索力。然而，如字母B所表示的，当降下时，第十滑轮上的绳索力将
仅仅是10.4t，这意味着当将提升时与降下时相比较，同一滑轮21上的绳索
力将是几乎五倍。随着绳索3反复地提升和降下，围绕第十滑轮的绳索段
将或者处于图表中的A点，或者处于B点。如上文所述，这会导致绳索3
和滑轮21上的大量的张力-张力疲劳和额外磨损。
根据本发明，克服上述缺陷的一个方案是调节绳索3的低张力侧31上
的张力，以便减小例如图7中点A和点B之间的大的间隙(gap，差距)。
上文论述了调节低张力侧上的张力的几种可行方案。从图8中的图表可以
看出调整低张力侧31上的力的结果。绳索3的高张力侧33上的力仍然是
50t，而低张力侧31上的力被减小到0.4t。点A和点B仍然分别表示当提
升和降下时第10滑轮上的力。点A上的力现在是20.3t，而点B上的力仍
然是10.4t。
如果低张力侧31上的力被降低到0.205t，则如图9中所示，提升曲线
S
1
S
2
=
e
μ
α
]]>
和降下曲线会重合，且因此点A和点B会重合。重合的曲线意味着，当从
提升变为降下时，绳索力不会发生显著改变。当低张力侧上的力等于高张
力侧上的力除以绞盘的放大或缩小因数时，两曲线变为相同：
这意味着系统在绳索3开始滑动的低张力侧的力处或附近进行操作。
当绳索的运动方向颠倒时，改变绳索3的低张力侧31上的绳索力可能
是有益的。在图10中示出了一绞盘2中的力分布的示例，其中当将降下负
载5时与提升负载5时相比较，低张力侧上的绳索力被增大。在绞盘2上，
绳索3中的力分布将仅有略微改变，且绳索将会远离滑动极限进行操作。
与图7和图8中表示当降下负载5时的力分布的虚线相比，图9中的虚线代
表当降下负载5时绳索3上增加的全部负载。然而，当使绳索反向行进时，
负载水平的变化被大幅减小。如果低张力侧上的负载水平在提升时被减小
到最小值，然后在降下负载5时升高，则绞盘系统中的总负载水平可以小
于一个不具有这些控制机构的系统中的总负载水平，且当改变运动方向时
的负载水平的变化也将会减小。在对于提升和降下而言产生相同的负载分
布(如图7中所示的重合的曲线)的负载水平附近进行操作，且当降下负载
时略微增大低张力侧上的负载水平，将使得负载水平和(负载)变化都会最
小化，且仍然保证安全操作。
图11示出根据本发明的负载处理装置1的第一实施例。在绳索3在低
张力侧31进入绞盘2之前，绳索3被储存在储存鼓7上且经过引导滑轮6
运行。绳索3在高张力侧33离开绞盘2且同样经过第二引导滑轮6'运行。
负载5从高张力侧33的绳索3的端部被悬挂。在所示的实施例中，储存鼓
7本身通过调整低张力侧31上的绳索3的张力而充当张力调节构件。由于
储存鼓7的潜在的大的惯性，该实施例可以有益地用于不需要升沉补偿的
提升和降下操作。滑轮6、6'设有多个负载传感器8、8'，用以同时在低张
力侧31和高张力侧33处测量绳索3上的负载。负载传感器8、8'还可连接
到未示出的控制单元，该控制单元适于借助未示出的驱动单元，至少部分
地由负载传感器8、8'感测到的负载来控制储存鼓7的运动。
图12示出负载处理装置1的一备选实施例。在储存鼓7与绞盘2之间
设有单独的张力控制系统9，用以如上文所述地调节低张力侧31上的绳索3
上的张力。张力控制系统9适于对负载的运动快速地做出响应，以便同样
在升沉补偿操作中调整低张力侧上的绳索3的张力。在所示实施例中，张
力控制系统9包括三个滑轮6、6"、6"'。沿着从绞盘2朝向储存鼓7的方
向，绳索3在具有固定位置的第一滑轮6上行进90°。绳索3随后在第二滑
轮6"上行进180°，该第二滑轮6"可以通过未示出的驱动单元(如液压缸)
而上下移动。最后，绳索3在具有固定位置的第三滑轮6"'上行进90°。通过
借助驱动单元提升中间滑轮6"，进而拉伸绳索3并增大其张力，可以使绳
索张力增加。按照类似方式，通过借助驱动单元降下第二滑轮6"，可以减
少绳索张力。