波浪補(bǔ)償器的力伺服液壓系統(tǒng)研究

周明健，史良馬

波浪補(bǔ)償器的力伺服液壓系統(tǒng)研究

*周明健，史良馬

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽，巢湖 238000）

隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)，人們對(duì)海洋工程裝備的使用性能要求越來(lái)越高，如何提高海洋工程裝備在使用過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性、精確性已成為一個(gè)重要研究課題。波浪補(bǔ)償器作為海洋工程裝備中重要組成部分之一，對(duì)其液壓控制系統(tǒng)的研究顯得格外重要。本文旨在通過(guò)研究波浪補(bǔ)償器的典型液壓控制系統(tǒng)，確定波浪補(bǔ)償器選擇力伺服液壓控制系統(tǒng)作為控制方案，并設(shè)計(jì)出其力伺服液壓系統(tǒng)原理圖。該方案在減少工程裝備在海洋作業(yè)過(guò)程中起吊繩索所受到交變載荷的同時(shí)，也能對(duì)被起吊貨物的速度進(jìn)行一定波浪補(bǔ)償，從而保證了海上作業(yè)的人員和物資安全，為新型主動(dòng)波浪補(bǔ)償功能海洋工程裝備的研發(fā)提供新的思路。

波浪補(bǔ)償器；液壓控制系統(tǒng)；力伺服液壓控制系統(tǒng)；交變載荷

0 前言

隨著人類向海洋領(lǐng)域進(jìn)軍，波浪補(bǔ)償器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，海上施工、鉆井平臺(tái)、船只補(bǔ)給、深海資源開(kāi)采等作業(yè)都要運(yùn)用波浪補(bǔ)償技術(shù)[1-5]。波浪補(bǔ)償器要減少吊裝鋼纜和被吊重物受到風(fēng)浪的影響，確保海上作業(yè)人員和物資的安全[6]。

波浪補(bǔ)償技術(shù)與液壓控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成新型的波浪補(bǔ)償技術(shù)，由液壓執(zhí)行元件、伺服閥、傳感器、伺服放大器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算機(jī)、液壓控制系統(tǒng)等組成，可以使系統(tǒng)組成更加簡(jiǎn)單，控制的精確性、快速性、穩(wěn)定性得到很大提高的同時(shí)，被控對(duì)象的自重也得到極大增加，在未來(lái)海洋裝備中具有較大的市場(chǎng)占有率和巨大的發(fā)展?jié)摿7]。

1 波浪補(bǔ)償器的液壓控制系統(tǒng)方案

傳統(tǒng)的波浪補(bǔ)償器的液壓控制系統(tǒng)方案[8-9]中，大多數(shù)采用被動(dòng)式、主動(dòng)式與牽引復(fù)合的波浪補(bǔ)償方式，通常以液壓缸為執(zhí)行元件，而液壓缸具有反應(yīng)速度慢、行程短、液壓沖擊比較大、控制的穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不能很好地滿足波浪補(bǔ)償需要，因此對(duì)波浪補(bǔ)償器的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，將以液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，擬定了以下3種控制方案。

圖1 波浪補(bǔ)償回路液壓控制方案

1.1 波浪補(bǔ)償回路液壓控制方案

波浪補(bǔ)償回路[10]如圖1所示，它是由比例換向閥、遠(yuǎn)程調(diào)壓閥、平衡閥、電磁換向閥、安全閥、壓力繼電器等主要液壓元件組成的液壓回路。當(dāng)比例換向閥處于打開(kāi)的狀態(tài)，保證進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油流量滿足液壓馬達(dá)的泄漏量，此時(shí)液壓馬達(dá)處于要工作又未能工作的臨界狀態(tài)，液壓馬達(dá)既可以正轉(zhuǎn)又可以反轉(zhuǎn)。壓力繼電器檢測(cè)液壓馬達(dá)入口的壓力，當(dāng)液壓馬達(dá)入口處的壓力低于設(shè)定值時(shí)，其向電磁換向閥發(fā)出換向信號(hào)，遠(yuǎn)程調(diào)壓閥接通安全閥的遙控口，安全閥被打開(kāi)，多余的壓力油經(jīng)過(guò)安全閥的遙控口、電磁換向閥、遠(yuǎn)程調(diào)壓閥，回到了油箱，從而調(diào)節(jié)了液壓馬達(dá)入口的液壓油的壓力。當(dāng)船只處于波峰時(shí)，吊裝的重物將產(chǎn)生向上的加速度，鋼纜的受力增大，導(dǎo)致液壓馬達(dá)的工作壓力增大，安全閥被打開(kāi)，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)釋放鋼纜；當(dāng)船只處于波谷時(shí)，負(fù)載的重物產(chǎn)生向下的加速度，鋼纜的受力減小，造成液壓馬達(dá)的工作壓力減小，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)回收鋼纜。

1.2 速度伺服液壓控制方案

速度伺服液壓控制回路[11]由伺服閥、速度傳感器、液壓馬達(dá)、伺服放大器等主要液壓元件組成，液壓回路的液壓原理如圖2所示。速度伺服液壓控制的工作原理是以船舶在洋面上的豎直升降為輸入信號(hào)與經(jīng)過(guò)速度傳感器反饋的液壓絞車的速度信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，再由此信號(hào)通過(guò)伺服放大器控制伺服閥的開(kāi)口的大小和方向，從而控制重物的起吊速度和方向。其控制過(guò)程方框圖如圖3所示。

圖2 速度伺服液壓控制回路原理圖

圖3 速度伺服液壓控制回路的控制過(guò)程方框圖

1.3 力伺服液壓控制方案

力伺服液壓控制回路[12-13]由伺服閥、力傳感器、液壓馬達(dá)、伺服放大器等主要液壓元件組成，補(bǔ)償回路的液壓原理如圖4所示。力伺服液壓控制回路的工作原理是以船舶豎直升降為輸入信號(hào)和經(jīng)過(guò)力傳感器k反饋的鋼纜的拉力信號(hào)U進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，再將此信號(hào)通過(guò)伺服放大器控制伺服閥的開(kāi)口的大小和方向進(jìn)而控制液壓馬達(dá)的輸出扭矩T來(lái)減小繩索所受的交變載荷。在控制繩索所受的交變載荷的同時(shí)，控制了起吊重物的速度。其控制過(guò)程的框圖如圖5所示，作用在液壓馬達(dá)上的外負(fù)載力矩T是影響馬達(dá)輸出扭矩的干擾因素。

圖4 力伺服液壓控制補(bǔ)償回路的液壓原理圖

圖5 力伺服液壓控制過(guò)程方框圖

2 波浪補(bǔ)償器的三種控制方案對(duì)比及選擇

方案1：利用液壓馬達(dá)壓力調(diào)節(jié)回路和比例閥浮動(dòng)控制回路，可以隨著負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)供給液壓馬達(dá)的進(jìn)油壓力，在未工作時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的“浮動(dòng)”控制狀態(tài)。該種控制方案的液壓回路簡(jiǎn)單、成本低，在一定程度上能實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償?shù)墓δ?，但是液壓系統(tǒng)的調(diào)試比較復(fù)雜，很難達(dá)到進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油流量滿足液壓馬達(dá)的泄漏量，絞車很難處于收攬卻收不動(dòng)的理想狀態(tài)，液壓系統(tǒng)的控制性能比較差。

方案2：速度伺服液壓控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件能以一定精度自動(dòng)地按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律而動(dòng)作，綜合了電氣控制和液壓控制兩方面的優(yōu)點(diǎn)。電液控制技術(shù)[14]能方便地與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，使電液控制系統(tǒng)有很大的靈活性和充分利用計(jì)算機(jī)的信息處理能力，使系統(tǒng)具有更復(fù)雜的功能和更廣泛的適應(yīng)性，成本比較高。相對(duì)于方案1，方案2是國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的新型主動(dòng)式波浪補(bǔ)償液壓伺服系統(tǒng)控制，其優(yōu)點(diǎn)是具有控制靈活和適用領(lǐng)域廣泛，同時(shí)控制性能好。

方案3：力伺服液壓控制系統(tǒng)采用伺服閥控制液壓馬達(dá)。相對(duì)于方案2，能夠直接快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制繩索所受到的交變載荷，同時(shí)也能對(duì)被吊貨物的速度進(jìn)行一定波浪補(bǔ)償作用；相對(duì)于方案1，具有良好的控制性能，而且便于實(shí)際的操作和控制。國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的新型主動(dòng)式波浪補(bǔ)償液壓伺服系統(tǒng)控制主要采用速度液壓伺服系統(tǒng)和位置液壓伺服系統(tǒng)，很少利用以閥控液壓馬達(dá)的力液壓伺服系統(tǒng)，因此采用力液壓伺服系統(tǒng)就有一定的新穎性，值得研究。

綜合以上三種方案分析比較，本課題采用方案3完成波浪補(bǔ)償功能。

3 波浪補(bǔ)償器力伺服液壓系統(tǒng)

3.1 波浪補(bǔ)償器力伺服液壓系統(tǒng)液壓回路方案[15]

構(gòu)成液壓系統(tǒng)的回路有主回路和輔助回路兩大類。該液壓系統(tǒng)有三條液壓回路：減壓節(jié)流回路、力伺服液壓控制回路、平衡回路+同步保壓回路。

3.2 調(diào)速方案和方向控制方案的擬訂[16]

執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是擬訂液壓系統(tǒng)的核心問(wèn)題。方向控制一般用換向閥或插裝閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的工作循環(huán)、動(dòng)作變換性能和自動(dòng)化程度等要求，確定了控制液壓馬達(dá)的換向閥是O型的三位四通的伺服換向閥，而控制液壓油缸的換向閥是Y型的三位四通的電磁換向閥?？刂埔簤厚R達(dá)的回轉(zhuǎn)速度是伺服控制器，而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度是節(jié)流調(diào)速閥。

3.3 油路循環(huán)方式的擬訂

液壓系統(tǒng)的油路循環(huán)方式有開(kāi)式和閉式兩種，油路循環(huán)方式主要取決于液壓調(diào)速方式，節(jié)流調(diào)速和容積—節(jié)流聯(lián)合調(diào)速只能采用開(kāi)式系統(tǒng)，因此波浪補(bǔ)償器的液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式系統(tǒng)。

3.4 動(dòng)力源方案的擬訂

液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源提供，液壓源的核心是液壓泵。液壓源型式與調(diào)速方案有關(guān)，該系統(tǒng)采用壓力補(bǔ)償式變量泵供油。

3.5 壓力控制方案的制訂[17]

液壓系統(tǒng)的工作壓力必須與所承受的負(fù)載相適應(yīng)。對(duì)于定量泵供油的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力采用溢流閥（與泵并聯(lián)）進(jìn)行恒壓控制。容積調(diào)速或容積—節(jié)流聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)最高壓力由安全閥限定。如果各回路的壓力要求不同，可采用減壓閥來(lái)控制。如在系統(tǒng)不同工作階段需要兩種以上的工作壓力，則可通過(guò)先導(dǎo)式溢流閥的遙控口，用換向閥接通遠(yuǎn)程調(diào)壓溢流閥以獲取多級(jí)壓力，則可通過(guò)先導(dǎo)式溢流閥的遙控口，用換向閥接通遠(yuǎn)程調(diào)壓溢流閥以獲取多級(jí)壓力；系統(tǒng)等待的工作期間，應(yīng)盡量使液壓泵卸載。

3.6 輔助回路方案的制訂

凈化裝置是液壓系統(tǒng)中不可缺少的一部分，一般泵的入口要設(shè)置粗過(guò)濾器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)保護(hù)元件的要求，通過(guò)相應(yīng)的精過(guò)濾器再次過(guò)濾。為了防止系統(tǒng)中的雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁性或其它型式的過(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備的工作環(huán)境及溫升的要求，可考慮設(shè)置冷卻器、加熱器等溫控裝置。根據(jù)系統(tǒng)壓力調(diào)整和觀測(cè)的要求，在液壓泵出口、各個(gè)壓力控制元件等處應(yīng)設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，多個(gè)測(cè)壓點(diǎn)（一般不多于6個(gè)）可共用一塊壓力表，通過(guò)壓力表開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)測(cè)壓點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，從而減少壓力表的數(shù)量。

3.7 液壓系統(tǒng)的組成以及原理圖

波浪補(bǔ)償器的力伺服液壓系統(tǒng)原理如圖6所示，構(gòu)成此液壓系統(tǒng)有三條液壓回路：減壓節(jié)流回路、力伺服液壓控制回路、平衡回路+同步保壓回路。利用減壓節(jié)流回路來(lái)對(duì)液壓回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行剎車，當(dāng)液壓閥20得電時(shí)，液壓馬達(dá)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)；利用力伺服液壓控制回路來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)裝置在減小起吊繩索所受交變載荷的前提下起吊重物；利用平衡回路+同步保壓回路實(shí)現(xiàn)變幅裝置中的的同步油缸穩(wěn)定可靠地工作。此液壓系統(tǒng)有軸向恒壓變量柱塞泵和手動(dòng)泵，當(dāng)裝置在工作時(shí)出現(xiàn)停電時(shí)，手動(dòng)泵啟用。

1液位計(jì) 2油箱 3空氣過(guò)濾器 4、17、31、32吸油過(guò)濾器 5截止閥 6變量泵 7聯(lián)軸器 8電動(dòng)機(jī) 9 壓力表組件10測(cè)力接頭 11、16單向閥 12手動(dòng)泵 13電磁溢流閥 14水冷卻器 15回油過(guò)濾器 18節(jié)流閥 19減壓閥 20、22電磁換向閥 21伺服閥 23同步馬達(dá) 24液控單向閥 25平衡閥 26正反轉(zhuǎn)馬達(dá) 27馬達(dá)剎車 28蓄能器 29 力傳感器30放大器 33變幅油缸

4 結(jié)論

（1）本文總結(jié)現(xiàn)有的波浪補(bǔ)償器的液壓控制系統(tǒng)方案，提出了三種比較可行的波浪補(bǔ)償器液壓控制系統(tǒng)方案；

（2）對(duì)以上三種液壓控制系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比研究，闡述了波浪補(bǔ)償器力伺服液壓控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；

（3）對(duì)波浪補(bǔ)償器的力伺服液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出力伺服液壓系的統(tǒng)原理圖。

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Study Of Force-Servo Hydraulic System for Wave Compensator

*ZHOU Ming-jian, SHI Liang-ma

（College of Electronic Engineering and Electrical Automation, Chaohu University, Chaohu , Anhui 238000, China)

With the exploitation of Marine resources, the operation performance of Marine engineering equipment is required more and higher. How to improve the security, stability and accuracy in the process of using the Marine engineering equipment has become an important study subject. Wave compensator as an important part of Marine engineering equipment, the study of the hydraulic control system is particularly important. Our purpose is to determine the wave force servo hydraulic control system is chosen as the compensator control scheme by studying of the typical hydraulic control systems for wave compensator and to design its force servo hydraulic system schematic diagram. The scheme not only reduce alternating load of lifting rope, but also compensate velocity of lifting good influenced by the wave on the sea, which can ensure safety of personnel and material in offshore operation and provide new ideas of developing a new type of the marine engineering equipment that owns active wave compensation function.

wave compensator; hydraulic control system; force servo hydraulic control system；alternating load

TH137.5

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.04.014

1674-8085(2014)04-0062-05

2014-03-20；

2014-04-15

*周明健(1987-)，男，安徽寧國(guó)人，助教，主要從事流體傳動(dòng)與控制研究(E-mail:zhoumingjian88@126.com);

史良馬(1966-)，男，安徽巢湖人，教授，主要從事物理學(xué)研究(E-mail:slm428@shu.edu.cn)