海洋平臺(tái)起重機(jī)的恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)

余小兵 顧寶群 劉國(guó) 張健 韋正生

（江蘇威和海洋工程設(shè)備有限公司，江蘇揚(yáng)中 212219）

海洋平臺(tái)起重機(jī)的恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)

余小兵 顧寶群 劉國(guó) 張健 韋正生

（江蘇威和海洋工程設(shè)備有限公司，江蘇揚(yáng)中 212219）

針對(duì)海洋平臺(tái)起重機(jī)的特種工況，設(shè)計(jì)了一種隨負(fù)載情況變化而變化的自動(dòng)恒張力系統(tǒng)，并通過對(duì)各種工況原理簡(jiǎn)析，驗(yàn)證這種系統(tǒng)滿足其在起吊過程中的要求，從而為海洋平臺(tái)起重機(jī)氣動(dòng)貨物過程其相對(duì)平穩(wěn)性，使得貨物裝卸過程的安全可靠，也為以后更智能化補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供參考。此恒張力系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒張力、成本低、操作性高、維修方便、工作穩(wěn)定等許多優(yōu)點(diǎn)。

恒張力 海洋平臺(tái)起重機(jī) 壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)

1 前言

根據(jù)工業(yè)部和信息化部下發(fā)的《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《船用設(shè)備科研項(xiàng)目指南》，有必要進(jìn)行高性能海洋平臺(tái)吊機(jī)的研究工作。海洋平臺(tái)吊機(jī)在海洋環(huán)境中進(jìn)行起吊作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，它在海上作業(yè)時(shí)，由于作業(yè)時(shí)船舶之間通常會(huì)因風(fēng)浪的影響相對(duì)上下運(yùn)動(dòng)，前后或左右運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的現(xiàn)象。具有恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)的海洋平臺(tái)吊機(jī)是一種新型的高性能吊裝作業(yè)系統(tǒng)，其主要目的是保證吊機(jī)作業(yè)時(shí)不受波浪起伏的影響，避免一些危險(xiǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，使海洋平臺(tái)吊機(jī)在惡劣海況下進(jìn)行可靠、安全、準(zhǔn)備的完成各項(xiàng)任務(wù)。

通過電磁換向閥用來(lái)轉(zhuǎn)換回路，以便自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒張力液壓系統(tǒng)，保證恒張力絞車的馬達(dá)吊著貨物隨波浪一起作正向或者反向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而保證了在貨物的吊放過程其相對(duì)平穩(wěn)性，使得貨物裝卸過程的安全可靠。其恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖見圖1。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)析

圖1 恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖

一種恒張力壓力補(bǔ)償控制系統(tǒng)，包括液壓泵、第一溢流閥、單向閥、第一手動(dòng)換向閥、第二溢流閥、截止閥、電磁換向閥、順序閥、第二手動(dòng)換向閥、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、壓力繼電器、液壓馬達(dá)；所述第一手動(dòng)換向閥為三位四通閥有A、B、C、D四個(gè)油口，所述第二手動(dòng)換向閥為二位四通換向閥A1、B1、C1、D1的四個(gè)油口，所述電磁換向閥為二位三通電磁閥有A2、B2、C2的三個(gè)油口，所述動(dòng)力繼電器控制電磁換向閥的切換；所述液壓泵和第一溢流閥并聯(lián)后與單向閥進(jìn)油口連接，所述第一手動(dòng)換向閥的油口A和第二手動(dòng)換向閥的油口A1并聯(lián)后與單向閥的出油口連接；所述第二節(jié)流閥和液壓馬達(dá)并聯(lián)后與第一手動(dòng)換向閥的油口D連接，所述第二節(jié)流閥和液壓馬達(dá)的另一端油口分別與第二手動(dòng)換向閥的油口D1和油口C1的兩個(gè)油口連接，所述截止閥和電磁換向閥的油口A2并聯(lián)后與第一手動(dòng)換向閥的油口B連接；所述順序閥和電磁換向閥的油口C2并聯(lián)后與第一手動(dòng)換向閥的油口C連接；所述第一節(jié)流閥與電磁換向閥的油口B2連接；所述截止閥、第一節(jié)流閥、順序閥以及第二手動(dòng)換向閥的油口B1并聯(lián)后與第二溢流閥連接，第二溢流閥另一油口通向油箱。為防止誤操作，所述第二手動(dòng)換向閥9內(nèi)設(shè)有復(fù)位彈簧。

3 各元件在系統(tǒng)中的作用

液壓泵1為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力；第一溢流閥2限制系統(tǒng)最高壓力，安全保護(hù)液壓系統(tǒng)；單向閥3用來(lái)防止油液倒流而影響液壓泵1；第一手動(dòng)換向閥4控制液壓馬達(dá)13正、反轉(zhuǎn)動(dòng)，中位時(shí)使液壓馬達(dá)13橫緊，液壓泵1卸荷；第二溢流閥5作為液壓系統(tǒng)的背壓，以提高液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，保證液壓馬達(dá)13正常運(yùn)轉(zhuǎn)；截止閥6用來(lái)連接油路；電磁換向閥7用來(lái)轉(zhuǎn)換回路，以便自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒張力液壓系統(tǒng)；順序閥8提供恒張力的壓力；第二手動(dòng)換向閥9用來(lái)控制下放工況；第一節(jié)流閥10和第二節(jié)流閥11是控制下放速度的，第二節(jié)流閥11控制空載下降速度，第一節(jié)流閥10控制負(fù)載下降速度；壓力繼電器12當(dāng)壓力變化時(shí)向電磁換向閥7發(fā)出接通，斷開信號(hào)；液壓馬達(dá)13是執(zhí)行元件，對(duì)外做功。

4 各種工況的工作原理介紹

下降工況，第一手動(dòng)換向閥右位工作，第二手動(dòng)換向閥右位工作，由于第一手動(dòng)換向閥使液壓馬達(dá)壓力油口經(jīng)電磁換向閥、第一節(jié)流閥、第二手動(dòng)換向閥與液壓馬達(dá)另一油口接通，形成了回路，在重力的作用下，液壓馬達(dá)作為工作泵向系統(tǒng)供油做功，第一節(jié)流閥作為液壓馬達(dá)的負(fù)載，并可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)的速度，此時(shí)系統(tǒng)有二個(gè)油路。一是液壓馬達(dá)出口經(jīng)第一手動(dòng)換向閥到電磁換向閥到第一節(jié)流閥到第二手動(dòng)換向閥再回到液壓馬達(dá)，二是液壓泵經(jīng)第一手動(dòng)換向閥到順序閥到第二溢流閥回油箱。但這兩路油在第二溢流閥處匯合，這樣可以對(duì)液壓馬達(dá)補(bǔ)油，保證液壓馬達(dá)吸油壓力，當(dāng)液壓馬達(dá)在外負(fù)載作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液壓馬達(dá)出口壓力高，壓力繼電器不工作；當(dāng)無(wú)外負(fù)載作用，液壓馬達(dá)出口壓力降低，壓力繼電器工作，切斷第一手動(dòng)換向閥到第一節(jié)流閥的通路，接通液壓泵到液壓馬達(dá)通路和液壓泵到順序閥通路形成恒張力回路。外負(fù)載大于調(diào)定張力時(shí)油路流向，液壓泵、液壓馬達(dá)經(jīng)第一手動(dòng)換向閥到順序閥到第二手動(dòng)換向閥回到油箱、液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)放繩。外負(fù)載小于調(diào)定張力時(shí)油路流向：液壓泵經(jīng)第一手動(dòng)換向閥到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)排油經(jīng)第二手動(dòng)換向閥到第二溢流閥回油箱。順序閥、第二手動(dòng)換向閥控制液壓泵輸出壓力，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)收放鋼絲繩。此系統(tǒng)在恒張力工作時(shí)，對(duì)外負(fù)載變化的響應(yīng)較快，由于外負(fù)載變化幅度大，對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力變化值也就大，得到恒張力信號(hào)就強(qiáng)，

············當(dāng)外負(fù)載變化周期慢，馬達(dá)能適應(yīng)變化周期。

起升工況，第一手動(dòng)換向閥左位工作，第二手動(dòng)換向閥右位工作。由于第一手動(dòng)換向閥將截止閥、電磁換向閥、順序閥、第一節(jié)流閥隔開與系統(tǒng)工作無(wú)關(guān)，系統(tǒng)成了一簡(jiǎn)單上升回路，其油路流向?yàn)橐簤罕媒?jīng)第一手動(dòng)換向閥到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)排油，經(jīng)第二手動(dòng)換向閥到第二溢流閥回油箱。最大起升負(fù)載為第一溢流閥調(diào)定。

空放工況，第一手動(dòng)換向閥在中位工作，第二手動(dòng)換向閥左位工作，由于第一手動(dòng)換向閥改變了液壓馬達(dá)進(jìn)出油口的油路，液壓馬達(dá)在液壓泵的作用下進(jìn)行下降，第二節(jié)流閥回油調(diào)速。在控制下降速度，順序閥限制液壓泵的最高供油壓力，使系統(tǒng)減少功率消耗。其油路流向?yàn)橐簤罕媒?jīng)第二手動(dòng)換向閥到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)排油經(jīng)第二節(jié)流閥到第二手動(dòng)換向閥再到第二溢流閥回油箱。

停止工況，第一手動(dòng)換向閥閥芯在中位，第二手動(dòng)換向閥右位工作，由于液壓馬達(dá)進(jìn)油口被第一手動(dòng)換向閥和第二手動(dòng)換向閥切斷，不得進(jìn)出油液，不能形成回路，液壓馬達(dá)停止運(yùn)動(dòng)。液壓泵提供的油經(jīng)第一手動(dòng)換向閥至順序閥、第二溢流閥卸荷，當(dāng)液壓馬達(dá)支承負(fù)載時(shí)，壓力繼電器不工作，第一節(jié)流閥也能卸荷。當(dāng)液壓馬達(dá)無(wú)支承負(fù)載時(shí)，壓力電器工作，第一節(jié)流閥不工作，此時(shí)，經(jīng)順序閥卸荷，因此電磁換向閥工作狀態(tài)工況無(wú)關(guān)。

其它工況，如需快速放物品時(shí)，將第一手動(dòng)換向閥右位工作，第一手動(dòng)換向閥右位工作，接通截止閥，就實(shí)現(xiàn)其快速下降。

為防止誤操作，所述第二手動(dòng)換向閥內(nèi)設(shè)有復(fù)位彈簧。兩個(gè)手動(dòng)換向閥有六種組合進(jìn)行工作，其中四種組合為正常工作位置，另兩種為誤操縱位置，如果誤操縱會(huì)出現(xiàn)以下情況：

第一手動(dòng)換向閥左位工作，第二手動(dòng)換向閥左位工作，其油路為液壓泵經(jīng)第一手動(dòng)換向閥、第二手動(dòng)換向閥到液壓馬達(dá)兩個(gè)進(jìn)出油口，液壓馬達(dá)進(jìn)出壓力相等，在外力作用下液壓馬達(dá)下降，液壓泵的最高壓力由背壓第二溢流閥和第二節(jié)流閥決定。

第一手動(dòng)換向閥右位工作，第二手動(dòng)換向閥右位工作，其油路流向?yàn)橐簤罕媒?jīng)第二手動(dòng)換向閥向液壓馬達(dá)進(jìn)油，順序閥控制液壓泵的最高壓力。液壓馬達(dá)經(jīng)第二節(jié)流閥到第二手動(dòng)換向閥及第一手動(dòng)換向閥到第一節(jié)流閥一起到第二溢流閥回油箱，液壓馬達(dá)工況為下降。

從分析看，誤操作帶來(lái)的結(jié)果是回路變成了下降回路，對(duì)系統(tǒng)影響不大，但為防止誤操作，第二手動(dòng)換向閥采用彈簧復(fù)位，一般情況下，都是處在右位，處于工作狀態(tài)，只要一只手進(jìn)行操作就不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載情況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒張力；通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)下降速度，比用變量馬達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)速度更節(jié)約成本；操作性高、即使出現(xiàn)誤操作對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成損害；增加第二溢流閥保證液壓馬達(dá)吸油壓力，不出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，提供了馬達(dá)使用壽命。

［1］魏洪興.智能化工程機(jī)械及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］工程機(jī)械，2004（5）：1-4.

［2］徐小軍，徐循.波浪補(bǔ)償系統(tǒng)差動(dòng)行星傳動(dòng)多目標(biāo)模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì).中國(guó)機(jī)械工程第19卷第四期.

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［4］烏建中，鄭福來(lái).船用起重機(jī)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)自整定模糊PID控制.機(jī)電一體化2010 Vol.16 No.9.

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余小兵（1983—），男，漢，重慶人，本科，工程師，研究方向：船舶和機(jī)械。