1.一种六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:包括浮船体(1),通过钻塔(8)安装在浮船体(1)上方的波浪补偿装置(6),连接在波浪补偿装置(6)下方的升降装置(7);
所述波浪补偿装置(6)用于调整钻机的位姿及控制钻头的钻进工作,升降装置(7)用于进一步增大钻头的钻探深度;
所述升降装置(7)上表面安装钻机(5),钻机(5)的输出轴连接有钻杆(3),钻杆(3)穿过升降装置(7)的升降板(71)并伸入浮船体(1)用于钻进工作;
所述升降装置(7)下表面安装限位器(4),限位器(4)用于控制钻杆(3)在钻进工作中保持竖直;
所述浮船体(1)安装惯性导航系统(9)和总控平台(2),惯性导航系统(9)用于监测浮船体(1)的位置、速度以及方位角数据;所述总控平台(2)与惯性导航系统(9)、波浪补偿装置(6)、升降装置(7)、钻机(5)、限位器(4)连接,总控平台(2)对惯性导航系统(9)测得的数据进行处理后,基于计算结果控制各部分运动;
所述升降装置(7)下表面呈中心对称安装有两组限位器(4),限位器(4)包括滚轮(44),滚轮(44)的槽口正对钻杆(3),滚轮(44)安装在传动组件上,传动组件在驱动组件作用下推动滚轮(44)朝钻杆(3)移动,直至抵压钻杆(3),使得钻杆(3)在钻进工作中保持竖直;
所述驱动组件包括驱动电机,传动组件包括丝杠(41)、X型滑架(48);所述驱动电机通过联轴器与丝杠(41)连接,X型滑架(48)的两个底部支腿分别与滑动轴(42)和固定轴(46)铰接,滑动轴(42)与丝杠(41)之间通过螺母座进行连接,将丝杠(41)的转动转换成滑动轴(42)的纵向运动;
所述滑动轴(42)向下移动时推动X型滑架(48)朝中心延伸,滑动轴(42)向上移动时推动X型滑架(48)缩回;
所述X型滑架(48)的两个顶部支腿上安装推板(45),推板(45)上纵向开设有用于安装另一滑动轴(42)的滑槽(47),滑槽(47)下方开设有用于安装另一固定轴(46)的定位孔,X型滑架(48)的两个顶部支腿分别与另一滑动轴(42)和另一固定轴(46)铰接连接;
启动所述限位器(4)的驱动电机,驱动电机通过联轴器将转动传递给丝杠(41),丝杠(41)与螺母座之间通过螺旋配合将丝杠(41)的转动转换成螺母座的平移运动,滑动轴(42)跟随螺母座进行上下平移,推动X型滑架(48)朝中心延伸和缩回运动,从而带动推板的平移运动;
所述推板(45)上固定连接有滚轮安装框,滚轮安装框靠近钻杆(3)的一端上开设两个竖向布置的通孔,用于活动安装滚动轴;
所述滚动轴贯穿滚轮(44)轴端中心,并与滚轮(44)固定连接,滚轮(44)的槽口正对钻杆(3),随着限位器(4)驱动电机的转动,滚轮(44)中心逐渐抵压或远离钻杆(3),通过两组限位器(4)的配合,使得钻杆(3)在钻进工作中保持竖直。
2.根据权利要求1所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:所述限位器(4)包括限位器控制箱(43),其上纵向开设有用于安装滑动轴(42)的滑槽(47),滑槽(47)下方开设有用于安装固定轴(46)的定位孔;
所述限位器控制箱(43)的内部固定安装有横向支撑板和竖向支撑板,其中,竖向支撑板上开设有滑槽(47)和定位孔,其与限位器控制箱(43)上的滑槽(47)和定位孔同轴心并同比缩小。
3.根据权利要求1所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:所述波浪补偿装置(6)包括平台基座(63)、补偿板(61)、六个驱动电缸(65)以及对应的驱动伺服电机(62);
所述驱动电缸(65)的两端通过虎克铰或球铰分别与平台基座(63)和补偿板(61)铰接,六个铰接点依次连接呈规则六边形,其中三组对边分别相等;
所述驱动电缸(65)分为电缸上端(652)和电缸下端(651),电缸上端(652)通过虎克铰或球铰与补偿板上的轴承座(64)铰接,电缸下端(651)通过虎克铰或球铰与平台基座(63)上的轴承座(64)铰接。
4.根据权利要求3所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:所述驱动电缸(65)采用直线式电缸,驱动伺服电机(62)通过联轴器直接与驱动电缸(65)的传动丝杠相连。
5.根据权利要求1所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:所述升降装置(7)包括底座(73)、升降板(71)、三个电动缸(74)及电控系统;
所述底座(73)通过螺栓固定安装于波浪补偿装置(6)的补偿板(61)上,三个电动缸(74)呈等边三角形分布,均垂直于底座(73)安装,电动缸(74)的上端(742)通过虎克铰或球铰与升降板(71)上的轴承座铰接,电动缸(74)的下端(741)通过销轴与底座(73)连接;
所述升降板(71)的中心处开设通孔(72),通孔(72)与浮船体(1)上的井口位置对齐,供钻杆(3)竖直穿过;
所述电控系统与电动缸(74)相连接,用于电动缸(74)的驱动控制。
6.根据权利要求1所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,其特征在于:所述钻机(5)包括驱动电机(53)、联轴器(55)、钻机支撑架(51)、限位套(52);
所述驱动电机(53)固定安装于钻机支撑架(51)的支撑板上,驱动电机(53)的输出端(54)通过联轴器(55)与钻杆(3)的轴端相连,钻机支撑架(51)包括两侧的支撑腿以及与支撑腿顶部固定连接的支撑板,支撑板的中心处固定连接有限位套(52),钻杆(3)分为螺纹端和螺孔端,通过螺纹和螺孔的配合将多根钻杆(3)依次连接。
7.一种六自由度波浪补偿的海上钻井平台的工作方法,其特征在于,该方法应用于权利要求1所述的六自由度波浪补偿的海上钻井平台,包括以下步骤:惯性导航系统(9)测量浮船体(1)的实时位置、速度以及方位角数据;
总控平台(2)中的数据处理模块进行信息处理,将浮船体(1)的位姿变化量与钻机(5)需要钻进的位移量进行耦合;
利用坐标变换将耦合量转换成波浪补偿装置(6)中的平台基座(63)上铰接点的坐标变化,并根据平台基座(63)上铰接点新坐标以及波浪补偿装置(6)中的补偿板(61)上铰接点的固定坐标得到波浪补偿装置(6)中的驱动电缸(65)的实时长度;
计算驱动电缸(65)的实时长度与初始位置时长度之间的差值,得到驱动电缸(65)的补偿量;
总控平台(2)根据驱动电缸(65)补偿量发送控制指令,控制驱动电缸(65)进行移动;
重复上述步骤,实现对海浪干扰运动的实时补偿。