波浪補償起重機液壓系統(tǒng)設(shè)計與分析

王孝霖，顧 含，許 歷，李乙邁，韓星星，雷 雨

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

船用起重機是在海洋環(huán)境中進行作業(yè)的特種起重機械，遠洋船舶在海上進行貨物運輸及物資補給時，往往要使用船載起重機進行轉(zhuǎn)載作業(yè)。轉(zhuǎn)載作業(yè)時，兩船一般處于錨泊或漂泊狀態(tài)，通過系纜并靠在一起，利用船用起重機進行物資吊運，這一過程也被稱為并靠吊裝作業(yè)。海上并靠吊裝作業(yè)過程中，受風(fēng)、浪、涌、流等因素的影響，兩作業(yè)船舶之間會呈現(xiàn)橫搖、縱搖及升沉等復(fù)雜的相對運動，下放中的貨物會與上升的船體發(fā)生碰撞，即將放落到甲板的貨物，由于船體的下沉與甲板的距離突然增大，會造成貨物懸空[1]，這給船舶海上吊裝作業(yè)帶來了安全隱患。因此，為了滿足惡劣海況下危險及特殊物品吊裝作業(yè)的要求，需要采用具有波浪補償功能的船用起重機。

1 波浪補償原理

1.1 載體形式及主尺度

船舶海上并靠吊裝時，兩船之間的升沉運動是主要影響因素，對升沉運動進行補償是最有效可行的手段。圖1為并靠吊裝作業(yè)時兩船的垂向相對升沉運動示意圖，若設(shè)定向下為正方向，則貨物相對于接受船B的下降速度為[2]：

式中：0v?為起重機的吊具收放速度；1v?為補給船的垂向升沉速度；2v?為接受船的垂向升沉速度。

由式(1)可知，只要使兩船相對運動速度為零，即貨物相對于接受船B的下放速度與兩船的相對速度（）無關(guān)，貨物就可以由起重機以速度平穩(wěn)地下放到接受船上，也就達到了波浪補償?shù)哪康摹?/p>

2 波浪補償技術(shù)分類

當前波浪補償實現(xiàn)的方式主要有兩種類型：被動式波浪補償和主動式波浪補償，兩者的主要區(qū)別在于船舶運動狀態(tài)的采集方式和補償裝置的控制方式[3]。

被動式波浪補償技術(shù)又稱為隨動補償技術(shù)，是最早出現(xiàn)的波浪補償技術(shù)。被動式波浪補償起重機與普通船用起重機相比，在原起吊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，另外加裝了一套隨動吊鉤裝置。兩套系統(tǒng)之間彼此獨立，起重吊鉤用來起吊貨物；而隨動吊鉤連接在接收船上，用來反饋吊裝船與接收船的相對升沉運動，隨動吊索的拉力隨兩船相對升沉運動相應(yīng)變化，機械式地牽引補償裝置動作，達到波浪補償?shù)男Ч?/p>

主動式波浪補償技術(shù)將電氣控制應(yīng)用于船用起重機，是近些年廣泛使用起來的波浪補償技術(shù)。它通過裝設(shè)的傳感器對兩船的相對運動速度、加速度等運動參數(shù)以及貨物的速度、加速度等運動參數(shù)進行檢測，然后將檢測信號傳到控制模塊，由控制模塊控制補償裝置對起重機吊索的收放進行控制，從而實現(xiàn)波浪補償功能。

被動式波浪補償技術(shù)依靠設(shè)備的撓性結(jié)構(gòu)進行機械控制，不需要動力源、較為簡單，但要求接收船有能夠連接補償?shù)跛鲯旖狱c，并且對起重機臂架結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)強度等要求很高，適用于控制精度要求不高的場合。主動式波浪補償技術(shù)利用電子元件進行控制，裝置的整體重量輕、占用空間小，對起重機本體機架和接收船沒有特殊要求，但需要增加控制器、傳感器等電子設(shè)備，對傳感器及控制設(shè)備、控制算法要求高，適用于控制精度要求高的場合。

3 波浪補償起重機的設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

某大型船舶在近遠海物質(zhì)補給和物品轉(zhuǎn)載時，需要采用船載起重機進行轉(zhuǎn)載作業(yè)，對船載起重機的設(shè)計要求如下：

1）船用起重機工作條件

航區(qū)：近遠海開敞水域；吊鉤使用工況：三級海浪；大氣溫度：-10～+40℃；兩船相對運動（垂向）頻率：0.4Hz。

2）波浪補償要求

補償方式：鉛垂方向的速度補償。補償目標：貨物下落過程中，距離被補給船甲板≤400mm時，開啟波浪補償裝置，實現(xiàn)貨物相對接收船以不變的額定速度進行補給，貨物下落至接觸甲板瞬間相對船的速度≤5mm/s。

3.2 起重機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

波浪補償起重機本體由起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、起重臂架、旋轉(zhuǎn)平臺、電氣控制系統(tǒng)、安全裝置等組成，其中起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)均采用液壓馬達驅(qū)動。

起升機構(gòu)是用來提升和下降貨物的機構(gòu)，該機構(gòu)通過液壓馬達驅(qū)動卷揚機工作，實現(xiàn)貨物的起升、下降和停止；變幅機構(gòu)為液壓折臂式，通過改變臂架的角度達到變幅的目的，由一根液壓變幅缸驅(qū)動的臂架構(gòu)成；回轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用是繞起重機回轉(zhuǎn)中心線在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)移貨物，可實現(xiàn) 360°全回轉(zhuǎn)，并可與起升、變幅機構(gòu)共同配合運動。

3.3 波浪補償系統(tǒng)組成

圖2 波浪補償系統(tǒng)原理圖

為了使船舶起重機滿足高控制精度的波浪補償要求，在對波浪補償原理及波浪補償技術(shù)深入分析的基礎(chǔ)上，該起重機采用了一種主動式的波浪補償系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由激光測距傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、波浪補償控制器、比例換向閥和補償液壓缸等組成。激光測距傳感器安裝在起重機吊臂前端，加速度傳感器安裝在接受船上，位移傳感器裝設(shè)在補償液壓缸上，控制模塊和液壓閥件安裝在控制室內(nèi)。起補償作用的液壓缸安裝在船舶起重機的吊臂上，液壓缸活塞桿的端部裝設(shè)有滑輪組，起重吊索纏繞于滑輪組上，通過補償液壓缸直接對起重機的起重吊索的收縮進行控制，實現(xiàn)對波浪運動的補償。

其工作原理是，補償系統(tǒng)工作時，補償液壓缸的活塞初始位置為缸體中部，激光測距傳感器實時檢測出起重機吊臂與接受甲板之間的距離，加速度傳感器實時檢測接收船的加速度信號，信號采集裝置將距離和加速度信號實時傳遞給波浪補償控制器，控制器計算得到兩船相對運動速度，作為系統(tǒng)輸入。位移傳感器對補償液壓缸活塞桿的位移量進行實時檢測，測得的信號作為補償系統(tǒng)的反饋。控制器對輸入和反饋脈沖計數(shù)并計算偏差，偏差信號經(jīng)過一定的處理后，輸入比例閥的放大器，放大后的偏差信號對電磁比例換向閥的開度和方向進行控制，補償油缸則隨之的伸出或縮回，進而控制貨物上升或下降的速度，以實現(xiàn)波浪補償功能[4]。

3.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計與分析

波浪補償起重機液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、多路閥組、高頻響比例方向閥、液壓執(zhí)行元件及相應(yīng)的平衡安全閥塊等組成，各子系統(tǒng)按照功能的不同，可分為回轉(zhuǎn)回路、變幅回路、起升回路、補償回路，其液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

液壓泵站主要由液壓油箱、主泵、應(yīng)急備用泵、冷卻器、過濾器等組成。主泵為變量泵，泵的控制形式是：負荷傳感控制，即泵排量隨負載壓力的變化而變化，由負載壓力調(diào)節(jié)，使排量符合執(zhí)行器的流量要求。變量泵自帶離心泵，其作用是輔助變量泵吸油，提高變量泵的額定轉(zhuǎn)速，同時對油液粘度較高的冷啟動有利。備用泵控制形式與主泵完全相同，出油口與主泵并聯(lián)。

回轉(zhuǎn)回路中，有兩個壓力型平衡閥9和兩個安全溢流閥11.1，平衡閥的最大流量為250L/min，最大工作壓力為31.5Mpa，用于避免回轉(zhuǎn)馬達在倒拖工況下出現(xiàn)失速狀況，提高液壓回路的可靠性；安全溢流閥的作用是調(diào)節(jié)回路的壓力，在回路壓力驟升時，進行溢流泄壓，避免液壓馬達受損，其最大流120L/min，最大工作壓力31.5Mpa。位于回轉(zhuǎn)制動回路的減壓閥12.2的主要作用是為制動回路提供一定壓力的控制油，根據(jù)要求其調(diào)定壓力值為16MPa。起重機回轉(zhuǎn)時，梭閥8.1從主回路引出壓力油，由定差減壓閥12.1減壓，經(jīng)二位三通電磁閥14.1和單向節(jié)流閥15.1，到達制動缸17.1，使制動打開；同時主油路壓力油到達回轉(zhuǎn)馬達，驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達18旋轉(zhuǎn)。

圖3 波浪補償起重機液壓系統(tǒng)原理圖

變幅回路中，有一個液控單向順序閥10.1和兩個液控單向閥13，其中兩個液控單向閥的最大流量為60L/min，最大工作壓力為31.5Mpa。換向閥中位時，在彈簧的作用下兩個液控單向閥將變幅缸鎖緊，液控單向順序閥用于限制貨物的下降速度，防止超速下降，起平衡作用。

起升回路回路中，有一個液控單向順序閥10.2和兩個安全溢流閥11.2，液控單向順序閥的作用是對貨物的下降速度進行限制，避免超速下降；安全溢流閥對馬達20的A、B工作油口的壓力進行限定，在回路壓力驟升時，進行溢流泄壓，以避免對馬達的損傷。當二位三通電磁換向閥14.2右位工作時，回路中的壓力信號會通過梭閥8.2、減壓閥12.2、二位三通電磁換向閥、單向節(jié)流閥 15.2進入制動缸17.2，使得制動缸動作，即馬達兩油口的壓力需達到一定之后制動缸才會打開，防止馬達可能因柱塞內(nèi)無壓力油而突然失速。二位三通電磁換向閥恢復(fù)左位時，制動缸與卸油口相通，制動缸縮回，起升絞車被剎住。

補償回路中，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，電液比例換向閥16與補償缸21集成在一起，中間不設(shè)任何液壓閥。由于補償回路要求換向閥響應(yīng)速度快，時滯小，采用了力士樂4WRE, 3X系列高頻響比例方向閥，其先導(dǎo)閥進油壓力25Mpa，主閥最大流量1000L/min，帶內(nèi)置控制放大器。

4 結(jié)束語

本文對船舶海上并靠吊裝作業(yè)過程中的波浪補償問題展開研究，在對波浪補償?shù)幕驹砗筒ɡ搜a償技術(shù)進行深入分析的基礎(chǔ)上，對普通液壓起重機本體進行系統(tǒng)改進，通過加裝主動式波浪補償系統(tǒng)，使其具有波浪補償?shù)墓δ?，對波浪補償起重機的工程化具有指導(dǎo)意義。

[1]徐小軍, 陳循, 尚建忠.一種新型主動式波浪補償系統(tǒng)的原理及數(shù)學(xué)建模[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2007,29(3):118-122.

[2]邵曼華, 寇雄, 趙鵬程.幾種船用起重機波浪補償裝置[J].機械工程師,2004(2):14-15.

[3]平建濤, 李海明, 宋立忠.船用起重機波浪補償控制技術(shù)研究[J].計算機技術(shù)與自動化,2009,28(4):42-52.

[4]王洪波.基于波浪補償技術(shù)的船用起重機系統(tǒng)的改進[J].機床與液壓,2012,40(16):131-132.