重載半主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)功率特性試驗(yàn)研究

宋 豫

(1.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 陸上重工設(shè)計(jì)研究院， 上海 200125；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 國(guó)家海上起重鋪管核心裝備工程技術(shù)研究中心， 上海 200125；3.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海港口機(jī)械工程技術(shù)研究中心， 上海 200125)

引言

近年來(lái)，我國(guó)海洋科技進(jìn)入了快速躍升的時(shí)期，包括海洋通用工程技術(shù)、海洋資源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)、海洋環(huán)境檢測(cè)技術(shù)等諸多領(lǐng)域都得到了充分的發(fā)展，取得了突破性的進(jìn)展，大大縮短了與海洋技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的差距。

海洋工程及開(kāi)發(fā)中，船舶起重機(jī)是重要的基礎(chǔ)性裝備，并且需求量也在逐年的增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著越來(lái)越多的作業(yè)對(duì)吊裝定位精度、平穩(wěn)性的要求的提升，除采用自升式平臺(tái)外，更多的是需要起重機(jī)配備波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，并且該技術(shù)也廣泛應(yīng)用于打撈裝備上[1]?，F(xiàn)有的重載波浪補(bǔ)償技術(shù)主要由國(guó)外廠商壟斷，通過(guò)本次研究，突破了重載波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、母船運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)傳感、補(bǔ)償控制算法等關(guān)鍵核心技術(shù)，具備國(guó)產(chǎn)化成套的能力，大幅降低了產(chǎn)品的價(jià)格與供貨周期，有助于進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)海洋技術(shù)的發(fā)展。

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)主要分為[2]被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)[3-5](passive heave compensation，PHC)、主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)[6-8](active heave compensation，AHC)和半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)[9-11]。PHC系統(tǒng)采用蓄能器與液壓缸組成的液壓彈簧系統(tǒng)，對(duì)外載荷變化進(jìn)行開(kāi)環(huán)的被動(dòng)自適應(yīng)，其補(bǔ)償精度不可控，但能耗極低。AHC系統(tǒng)通過(guò)主控元件實(shí)時(shí)閉環(huán)控制補(bǔ)償液壓缸或馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，控制精度高，但能耗巨大。半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)是PHC與AHC系統(tǒng)的整合，即獲得PHC的節(jié)能特性，又保留了AHC的高精度特性。

目前，波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)構(gòu)型及控制方法上，鮮有對(duì)系統(tǒng)功率特性的深入分析。本研究以重載半主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析負(fù)載、運(yùn)動(dòng)幅值、運(yùn)動(dòng)周期變化時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償控制精度與功率特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究的重載波浪補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于海上浮吊，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)最大載荷200 t，最大波高±2.5 m，最大波浪周期8 s情況下的主動(dòng)波浪補(bǔ)償功能，補(bǔ)償率大于90%。

若選用被動(dòng)型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，系統(tǒng)裝機(jī)功率最小，經(jīng)濟(jì)性最好，但是補(bǔ)償率一般在70%左右，不能滿(mǎn)足高精度定位安裝的要求；若選用主動(dòng)型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，則裝機(jī)功率約4 MW，對(duì)于工程船，用電壓力負(fù)擔(dān)過(guò)大。因此，采用半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，兼?zhèn)渖鲜?種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，大幅降低裝機(jī)功率并且保證補(bǔ)償控制精度，同時(shí)，半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)如果主動(dòng)補(bǔ)償裝置故障，系統(tǒng)仍可工作于被動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

本試驗(yàn)系統(tǒng)的重載半主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，具備主動(dòng)補(bǔ)償與被動(dòng)補(bǔ)償功能，補(bǔ)償液壓缸采用了復(fù)合液壓缸方案設(shè)計(jì)。

圖1 重載半主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理圖

在半主動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)下，連通閥與充液閥關(guān)閉，補(bǔ)償蓄能器充氣壓力根據(jù)負(fù)載調(diào)定，實(shí)現(xiàn)重物負(fù)載的平衡，主控制閥采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合液壓缸的運(yùn)動(dòng)與船舶的升沉運(yùn)動(dòng)相抵消。

依次通過(guò)空載試驗(yàn)、輕載試驗(yàn)、滿(mǎn)載試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試?？蛰d試驗(yàn)完成系統(tǒng)功能驗(yàn)證與程序調(diào)試，輕載試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)功能及控制系統(tǒng)參數(shù)匹配，重載試驗(yàn)完成性能測(cè)試。試驗(yàn)系統(tǒng)的整體布局如圖2所示，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)景圖

在實(shí)際海況下，波浪的起伏可視為不同幅值、頻率的正弦曲線的疊加，因此，試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試輸入信號(hào)采用正弦信號(hào)，可以較好的測(cè)試補(bǔ)償系統(tǒng)的性能，反映系統(tǒng)的功率狀態(tài)。

半主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)在重載條件下工作時(shí)，復(fù)合液壓缸的負(fù)載為貨物重力負(fù)載與補(bǔ)償蓄能器作用于復(fù)合液壓缸產(chǎn)生的負(fù)載，同時(shí)貨物一旦與海水接觸，所產(chǎn)生的浮力也疊加在總載荷中，導(dǎo)致補(bǔ)償液壓系統(tǒng)負(fù)載存在時(shí)變非線性特性，單純采用位置閉環(huán)控制已無(wú)法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償控制精度的要求。本系統(tǒng)采用多狀態(tài)復(fù)合控制，將負(fù)載速度反饋、負(fù)載加速度反饋與位置控制相結(jié)合，并引入大慣量負(fù)載的前饋補(bǔ)償，大幅改善了補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。補(bǔ)償液壓系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示[12]。

圖4 液壓系統(tǒng)控制方框圖

2 試驗(yàn)分析

采用重載波浪補(bǔ)償試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償控制精度、功率特性分別進(jìn)行了輕載試驗(yàn)與滿(mǎn)載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)分析。

在補(bǔ)償系統(tǒng)中，液壓缸兩端滑輪可視為動(dòng)滑輪與定滑輪組，因此，負(fù)載的位移是補(bǔ)償液壓缸位移的兩倍，由于位移傳感器安裝于復(fù)合液壓缸，因此，下面的分析中均采用復(fù)合液壓缸位移描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，其最大幅值為±1.25 m。

本研究中位移補(bǔ)償精度定義為:

(1)

式中,ε—— 位移補(bǔ)償精度

e—— 位移補(bǔ)償誤差，m

A—— 負(fù)載運(yùn)動(dòng)幅值，m

2.1 補(bǔ)償幅值/周期與補(bǔ)償精度的相關(guān)性

1) 輕載(20 t)試驗(yàn)補(bǔ)償特性

在20 t載荷輕載試驗(yàn)中，分別改變運(yùn)動(dòng)幅值與周期，半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的位移補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

輕載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)周期為8 s條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)幅值的增加，其位移補(bǔ)償精度分別為93.53%， 93.44%， 93.41%，補(bǔ)償控制精度變化不明顯，系統(tǒng)抗運(yùn)動(dòng)幅值變化能力較強(qiáng)。

圖5 輕載試驗(yàn)幅值變化時(shí)位移補(bǔ)償結(jié)果

圖6 輕載試驗(yàn)周期變化時(shí)位移補(bǔ)償結(jié)果

輕載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)幅值為1.25 m條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)周期的增加，其位移補(bǔ)償精度分別為93.41%， 95%， 96.58%，補(bǔ)償控制精度隨之提高但變化不大，系統(tǒng)隨運(yùn)動(dòng)周期的增加補(bǔ)償效果逐漸提升。

2) 滿(mǎn)載(200 t)試驗(yàn)補(bǔ)償特性

在200 t載荷滿(mǎn)載試驗(yàn)中，分別改變運(yùn)動(dòng)幅值與周期，半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的位移補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 滿(mǎn)載試驗(yàn)幅值變化時(shí)位移補(bǔ)償結(jié)果

圖8 滿(mǎn)載試驗(yàn)周期變化時(shí)位移補(bǔ)償結(jié)果

滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)周期為8 s條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)幅值的增加，其位移補(bǔ)償精度分別為93.35%，93.05%，92.65%，補(bǔ)償控制精度變化不明顯。

滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)幅值為1.25 m條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)周期的增加，其位移補(bǔ)償精度分別為92.65%，93.34%，95.24%，補(bǔ)償控制精度隨之提高但變化不大?？刂品椒S著運(yùn)動(dòng)周期的增加補(bǔ)償效果逐漸提升。

綜合輕載和滿(mǎn)載試驗(yàn)補(bǔ)償控制結(jié)果，當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅值、運(yùn)動(dòng)周期按照上述情況變化時(shí)，半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)能夠很好的完成補(bǔ)償控制，并且在載荷不同、幅值與周期相同時(shí)，補(bǔ)償精度變化最大值僅為1.66%，控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

針對(duì)最?lèi)毫拥臐M(mǎn)載工況，由圖7、圖8所示，位移補(bǔ)償精度如表1所示。

表1 滿(mǎn)載試驗(yàn)位移補(bǔ)償精度

滿(mǎn)載試驗(yàn)位移補(bǔ)償精度均在92.65%以上，典型工況下補(bǔ)償精度均值可達(dá)到93.52%。補(bǔ)償控制結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)備位置精度90%的需求。

滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)周期不變條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)幅值的增加，其位移補(bǔ)償精度小幅降低，降低范圍在0.7%以?xún)?nèi)，補(bǔ)償控制精度變化不明顯。

滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)幅值不變條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)周期的增加，其位移補(bǔ)償精度小幅提高，提高范圍在2.59%以?xún)?nèi)，補(bǔ)償控制精度逐漸提升。

綜上，在載荷一定的條件下，運(yùn)動(dòng)周期與幅值均對(duì)位移補(bǔ)償精度產(chǎn)生一定的影響。其中，運(yùn)動(dòng)幅值的影響更為明顯，若要保持更穩(wěn)定的補(bǔ)償控制效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要合理設(shè)計(jì)復(fù)合液壓缸的行程。并且，在實(shí)際條件下，運(yùn)動(dòng)周期和幅值均受到海況的影響，盡可能將系統(tǒng)配置與海況條件相匹配。

2.2 滿(mǎn)載補(bǔ)償幅值/周期與補(bǔ)償能耗的相關(guān)性

為研究半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的能耗規(guī)律，復(fù)合液壓缸位移傳感器與壓力傳感器分別測(cè)得滿(mǎn)載狀態(tài)下液壓缸的速度與壓力，并經(jīng)過(guò)處理得到典型信號(hào)工況下主動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓β首V，分別如圖9、圖10所示。

圖9 滿(mǎn)載試驗(yàn)幅值變化時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償功率結(jié)果

圖10 滿(mǎn)載試驗(yàn)周期變化時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償功率結(jié)果

由圖9、圖10所示，滿(mǎn)載試驗(yàn)復(fù)合液壓缸主動(dòng)補(bǔ)償功率如表2所示。

表2 滿(mǎn)載試驗(yàn)主動(dòng)補(bǔ)償功率

滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)周期不變條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)幅值的增加，其功率明顯上升，平均功率最大上升幅度44.29%，極限功率最大上升幅度66.3%；滿(mǎn)載試驗(yàn)在運(yùn)動(dòng)幅值不變條件下，隨著載荷運(yùn)動(dòng)周期的增加，其功率明顯下降，平均功率最大下降幅度39.87%，極限功率最大下降幅度40.78%。滿(mǎn)載主動(dòng)補(bǔ)償功率隨著系統(tǒng)工況的變化，產(chǎn)生明顯變化，運(yùn)動(dòng)的幅值與周期對(duì)功率的影響很大。

2.3 滿(mǎn)載補(bǔ)償幅值/周期與被動(dòng)補(bǔ)償節(jié)能效果的相關(guān)性

在典型信號(hào)工況下，系統(tǒng)負(fù)載功率為：

PL=FL×υL

(2)

式中，PL—— 負(fù)載的功率，kW

FL—— 負(fù)載的重力，N

υL—— 負(fù)載的速度，m/s

在滿(mǎn)載試驗(yàn)中，分別改變運(yùn)動(dòng)幅值與周期，半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的復(fù)合液壓缸速度試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 滿(mǎn)載試驗(yàn)幅值變化時(shí)復(fù)合液壓缸速度結(jié)果

圖12 滿(mǎn)載試驗(yàn)周期變化時(shí)復(fù)合液壓缸速度結(jié)果

根據(jù)圖11、圖12的速度曲線，計(jì)算得到半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在不同運(yùn)動(dòng)幅度和周期時(shí)，負(fù)載的理論功率如表3所示。

表3 滿(mǎn)載試驗(yàn)負(fù)載理論功率

表3可以看到，當(dāng)周期固定為8 s時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)幅值的變大，負(fù)載的平均功率、極限功率均在逐步變大。當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅值固定為1.25 m時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)周期的變大，負(fù)載的平均功率、極限功率在逐步變小。

工作狀態(tài)下，負(fù)載功率主要由AHC功率和PHC功率組成。PHC功率由存儲(chǔ)在蓄能器中的壓縮空氣提供，因此，AHC功率為實(shí)際的使用能耗。

AHC的功率貢獻(xiàn)比為復(fù)合液壓缸功率與負(fù)載功率之比。比值越小，半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)節(jié)能效果越好。

表4給出了半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在不同運(yùn)動(dòng)幅度和周期時(shí)AHC的功率貢獻(xiàn)比。

表4 滿(mǎn)載試驗(yàn)AHC的功率貢獻(xiàn)比

由表4可知，當(dāng)運(yùn)動(dòng)周期一定時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)幅值的增大，AHC的平均功率貢獻(xiàn)比逐漸變小，即PHC的貢獻(xiàn)在逐漸變大。當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅值一定時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)周期的增大，AHC的平均功率貢獻(xiàn)比逐步變大，即PHC的貢獻(xiàn)在逐漸變小。滿(mǎn)載時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅值、周期變化，AHC的平均功率貢獻(xiàn)比從0.1686到0.2028變化，均值為0.1867，PHC平均功率的貢獻(xiàn)為：1-0.1867=0.8133。

AHC的極限功率貢獻(xiàn)比從0.2431到0.2928變化，均值為0.2604，PHC極限功率的貢獻(xiàn)為：1-0.2604=0.7396。由于極限功率出現(xiàn)的隨機(jī)性與偶然性較大，因此，其變化規(guī)律不能客觀表征系統(tǒng)功率的變化趨勢(shì)，但其表征了系統(tǒng)裝機(jī)功率的范圍。

因此，半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，總負(fù)載能耗中約25%為實(shí)際消耗的能量，較主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)節(jié)能75%。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償控制精度與能耗，研究了運(yùn)動(dòng)參量變化對(duì)補(bǔ)償控制精度及能耗的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1) 輕載和滿(mǎn)載試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)幅值、周期按照典型信號(hào)變化時(shí)，位移補(bǔ)償精度均在92.65%以上，補(bǔ)償精度變化均控制在2.59%以?xún)?nèi)，并且隨著負(fù)載、運(yùn)動(dòng)幅值的增加及運(yùn)動(dòng)周期的降低，補(bǔ)償控制精度逐漸提升。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)配置液壓系統(tǒng)參數(shù)與海況條件相匹配；

(2) 滿(mǎn)載試驗(yàn)表明，在運(yùn)動(dòng)周期不變、運(yùn)動(dòng)幅值增加條件下，其功率明顯上升，主動(dòng)補(bǔ)償平均功率最大上升幅度44.29%，極限功率最大上升幅度66.3%；在運(yùn)動(dòng)幅值不變、運(yùn)動(dòng)周期增加條件下，其功率明顯下降，主動(dòng)補(bǔ)償平均功率最大下降幅度39.87%，極限功率最大下降幅度40.78%。主動(dòng)補(bǔ)償功率受系統(tǒng)工況的變化影響很大，是功率波動(dòng)的主要因素。使用中應(yīng)盡量避免極限功率的大幅波動(dòng)，降低對(duì)船舶電力系統(tǒng)的擾動(dòng)；

(3) 半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)載功率由主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)功率和被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)功率組成，使用中系統(tǒng)的能耗主要是主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。滿(mǎn)載時(shí)，主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的平均功率貢獻(xiàn)比均值為0.1867，極限功率貢獻(xiàn)比均值為0.2604，因此，半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，總負(fù)載能耗中約25%為實(shí)際消耗的能量，該參數(shù)可作為系統(tǒng)裝機(jī)功率選定的重要依據(jù)。