A字架液壓系統(tǒng)的設計與應用

丁業(yè)升

(湖北工業(yè)大學工程技術學院， 湖北武漢 430068)

引言

近年來，國家重點部署海洋工程建設，海洋工程裝備制造業(yè)也取得了飛速發(fā)展，但也面臨著許多挑戰(zhàn)。深水和超深水吊裝運輸設備是海洋工程裝備建設的重點領域之一[1-4]，特別是海洋油氣田的開發(fā)建設。深海作業(yè)環(huán)境變得復雜，對深海吊裝運輸技術要求也十分苛刻[5-9]。A字架是海上工程船深海吊裝設備之一，安裝于船體尾部，主要用于海上大噸貨物的起重吊裝、海洋深水區(qū)電纜管溝挖掘、鋪設等作業(yè)。目前，國內外船用A字架均采用單油缸控制其變幅，應用均為小噸位，技術已趨成熟，我國尚且沒有自主設計的利用雙油缸控制變幅的大型噸位船用A字架，關鍵技術研究已被相關科研單位作為重要研究課題。本研究設計的A字架，最大額定吊裝載荷250 t，船體甲板面上起升高度16 m，能夠滿足大型石油海船深水區(qū)大噸位貨物吊裝運輸作業(yè)的需求。開展A字架液壓系統(tǒng)設計與應用，對海上工程船起重運輸設備的優(yōu)化設計和研究提供了重要的理論基礎和借鑒價值。

1 A字架結構

A字架結構圖如圖1所示，變幅運動范圍為-57°～+39°，A字架結構形式為門架型式結構，門架支腿底部與鉸座采用鉸接形式，基座和鉸座通過螺栓與焊接在甲板面上的底座連接。A字架變幅運動采用雙油缸變幅形式，即A字架左右側各有2只同型號油缸；吊裝的起升運動采用拖纜絞車牽引鋼絲繩進行動作，利用轉向滑輪、動、定滑輪進行連接，從而實現(xiàn)A字架由船外向船內吊裝作業(yè)，吊裝過程中A字架的變幅運動與貨物起升運動不聯(lián)動。

圖1 A字架結構圖

左右變幅雙油缸鉸接安裝位置分別于A字架、基座、鉸接座構成連桿機構，且單側兩支油缸并不是同步運動，故單側兩支油缸伸縮變化隨著A字架不同變幅區(qū)域長短不一致，受力狀況不同，對應不同的控制策略和方法。

2 A字架變幅控制分析

2.1 工況分析

A字架前移變幅油缸伸縮如圖2所示，圖中O，A，B，C點是油缸與A字架結構的鉸接點。當A字架向船外前移運動過程中，AC變幅油缸由最長位置縮短至最短位置，然后又伸長，BC變幅油缸由長縮到最短位置，然后伸長至最長位置，圖中C1點和C2點分別是AC油缸和BC油缸最短長度時所對應的變幅角度，即變幅過程中的死角位置。

圖2 A字架前移變幅油缸伸縮示意圖

A字架在后移變幅過程中，AC油缸、BC油缸伸縮變化如圖3所示。與A字架前移變幅過程相反，BC變幅油缸由最長位置縮短至最短位置，然后又伸長，AC變幅油缸由長縮到最短位置，然后伸長至最長位置，圖中O，A，B，C點是油缸與A字架結構的鉸接點，C1點和C2點分別是AC油缸和BC油缸最短長度時所對應的變幅角度，即變幅過程中的死角位置。

圖3 A字架后移變幅油缸伸縮示意圖

油缸在變幅過程中，除了C1點和C2點是變幅死角位置外，C點也是其變幅死角位置。因在此變幅處，CAB鉸接點構成等腰三角形，A字架此時受力均衡，在設計變幅控制系統(tǒng)時須予以避開死點位置，確保變幅運動連續(xù)平穩(wěn)通過死角。

2.2 油缸受力分析

根據(jù)變幅工況分析，工作中變幅油缸活塞桿以受拉為主，在起吊最大噸位250 t的變幅過程中,最大受力在船外最大幅度-57°時工況，AC變幅油缸、BC變幅油缸均受最大拉力586 t,BC油缸伸長最長為10182 mm；在AC油缸最短安裝位置時，只有BC油缸受力，在BC油缸最短安裝位置時，只有AC油缸受力,且受力大小均為440 t。

3 A字架變幅油缸控制策略

3.1 油缸變幅區(qū)域劃分

圖4 A字架前移變幅區(qū)域劃分圖

圖5 A字架后移變幅區(qū)域劃分圖

3.2 油缸工作控制策略

A字架在變幅的過程中，控制雙油缸工作關系是關鍵環(huán)節(jié)。因A字架左右側(如圖1)均有AC油缸、BC油缸，控制好單側AC油缸、BC油缸工作關系是確保整體變幅運動穩(wěn)定性的重要保證。單側雙油缸隨變幅角度不同，按照劃分區(qū)域控制，其控制策略如下：當A字架由船內向船外變幅運動時，按照區(qū)域劃分，其油缸工作關系如表1所示。

表1 變幅前移油缸工作關系

當A字架由船外向船內變幅運動時，按照區(qū)域劃分，其油缸工作關系如表2所示。在區(qū)域Ⅱ′，Ⅲ′內AC油缸、BC油缸工作相反。

表2 變幅后移油缸工作關系

4 A字架液壓控制原理設計與設計要點

4.1 控制原理設計

1) 變幅速度控制

根據(jù)結構設計要求，該系統(tǒng)主要采用雙側AC、BC變幅油缸按照不同的組合進行工作，調速方式采用泵控，泵為電比例柱塞變量泵，按照電比例變量特性曲線，匹配在變幅區(qū)域油缸所需流量，確保前后變幅速度的勻速穩(wěn)定。

針對控制區(qū)域的劃分，通過計算每個區(qū)域油缸所需流量，對照電比例變量泵排量調節(jié)電流控制特性曲線，換算出此區(qū)域所對應的排量，從而使變幅運動穩(wěn)定勻速。

2) 變幅油缸換向控制

左右側AC變幅油缸、BC變幅油缸在4個區(qū)域其工作關系如表1、表2所示。根據(jù)其工作關系，利用P型中位機能的電液換向閥控制變幅油缸大小腔油路，其換向動作指令是通過油缸位移傳感器，變幅角度傳感器以及操作信號形成的閉環(huán)控制實現(xiàn)的。

電液換向閥均帶有行程位移信號，在變幅運動過程中，當換向信號指令發(fā)出時，如電磁閥桿沒有換向動作，系統(tǒng)便會報警并限制啟動，防止A字架發(fā)生扭曲及跌伏現(xiàn)象。

3) 變幅壓力控制

變幅壓力由吊裝重物決定，根據(jù)變幅油缸受力分析，A字架在船外最大幅度-57°時，AC油缸、BC油缸受力最大，且油缸承受的是拉力?？捎勺兎透赘讖?、桿徑設計出變幅液壓系統(tǒng)最大系統(tǒng)壓力。

變幅油缸大小腔均設有壓力傳感器，左右側AC油缸、BC油缸大小腔壓力分別相互比較，當左側油缸一腔壓力相對高于其右側相應一腔壓力時，可反饋給控制器去調整壓力。

4.2 控制原理設計要點

1) 防傾伏控制

AC油缸、BC油缸每個油缸大、小腔均設有液控單向閥作為停止制動器，防止A字架在吊裝過程中，發(fā)生意外事故時，A字架能及時停留在該位置，而不發(fā)生傾倒，以免造成嚴重后果。

在AC油缸、BC油缸每個油缸大腔設置限壓閥限制活塞桿所受壓力，限制壓力為8 MPa，防止活塞桿因壓力過大而失穩(wěn)。

2) 負載平衡控制

因A字架與變幅油缸結構安裝特殊性，A字架在吊裝過程中，均是油缸小腔承載，且在吊裝下放區(qū)域運動過程中需要平衡負載，故在油缸進回油油路上設有雙向平衡閥組，以確保動態(tài)時雙向不失速，靜態(tài)時雙向能鎖閉功能，并且能超載保護。

3) 同步控制

如圖1所示，A字架左右均有AC、BC油缸，在A字架吊裝貨物變幅運動過程中，必須要保證左右側AC、BC油缸同步運動。同步主要采取2個措施：第1個措施將系統(tǒng)動力油源分開，通過元器件本身精度來進行初步保證，即左右側AC、BC油缸采用單獨泵站提供動力源；第2個措施采用位移傳感器，同步控制路線圖如圖6所示，檢測油缸活塞桿絕對位置信號并反饋到控制器，通過控制器換算發(fā)出指令控制左右油缸同步。

圖6 A字架左右油缸同步控制路線圖

控制器采用虛軸法控制油缸位移同步，通過理論計算，設計好油缸理論運行曲線，實際油缸運行過程中，兩油缸位移與理論曲線進行偏差對比進行修正，實際位移與理論位移量差值最大均不得超過15 mm，當超過7 mm時就開始進行調整，將位移快的一邊油泵排量減量調整(減量約20 mA)，確保位移差量值在控制范圍內。

5 A字架液壓系統(tǒng)設計

如圖7所示，A字架液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，控制方式采用電控，換向方式采用閥控，調速方式采用泵控。本系統(tǒng)組成主要由主系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成；主系統(tǒng)通過油缸完成A字架的變幅工況工作，控制系統(tǒng)完成電液閥的先導壓力控制、換向閥以及液控單向閥的開啟控制。

5.1 主系統(tǒng)設計

1) 主系統(tǒng)組成

主系統(tǒng)由變幅系統(tǒng)組成，主系統(tǒng)動力由電機驅動，分主回路一和主回路二。

主回路一主要為A字架左邊AC、BC油缸組供油， 有2組泵組并聯(lián)提供動力油源，主要由電磁換向閥、平衡閥組、溢流閥、液控單向閥、油缸、管件等組成。液控單向閥設計安裝于油缸大小腔油口，以便及時閉鎖油缸油路，防止A字架傾伏；系統(tǒng)進回油路均設有平衡閥組，以便控制負載；油缸內部均設有位移傳感器，實時檢測油缸位移信號，控制左右油缸同步運動；電液換向閥(14)用于切換油缸大小腔高壓油路，電液換向閥(7)用于控制油缸浮動回路，即油缸大小腔均與回油路相通，實現(xiàn)浮動油缸隨主動油缸被動變幅運動。主回路二組成同主回路一，為A字架右邊AC、BC油缸組供油，其控制閥件型號規(guī)格同主回路一。

2) 主系控制原理

主回路一主要為左邊油缸組供油，油泵(1)經蝶閥、吸油濾從油箱吸出液壓油后，經單向閥和另一路液壓油匯合后進入電液換向閥(14)進油口，同時分出一路到溢流閥(13)控制供油壓力，電液換向閥(14)中位時其進油口經過其內部通道直接回到回油口，回油經并聯(lián)的單向閥組和風冷卻器后經回油濾回油箱，完成循環(huán)。

電液換向閥(14)兩工作油口分別經過單向調速閥后，分別進入電液換向閥(7)進油口，同時其中之一分出一路到溢流閥控制進入油缸大腔壓力，電液換向閥中位時其進油口經過其內部通道直接和兩工作油口相通，完成對2個變幅油缸總成供油，實現(xiàn)其伸或縮；電液換向閥(7)換向后即完成對一個變幅油缸總成供油，另一個變幅油缸總成油路則和系統(tǒng)回油相通，實現(xiàn)一個變幅油缸伸或縮時另一個油缸浮動。主回路二控制原理同主回路一。

圖7 A字架液壓系統(tǒng)

3) 主系統(tǒng)主要參數(shù)

主系統(tǒng)主要參數(shù)如下：系統(tǒng)設計壓力為26 MPa；系統(tǒng)工作壓力為25.3 MPa；系統(tǒng)主流量為4×167.5 L/min；回油背壓為0.2 Pa。

5.2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)壓力源來自主泵串聯(lián)的齒輪泵，油泵經旋式閥門、吸油濾從油箱吸出液壓油后，經單向閥和另三路液壓油匯合后進入壓油濾進油口，其出油口分成四路分別到電磁閥、變量泵等作為控制油路。其主要參數(shù)如下：系統(tǒng)工作壓力為5 MPa，系統(tǒng)主流量為4×19 L/min。

6 應用

A字架在海上現(xiàn)場吊裝工作圖如圖8所示，在使用過程中，由船內向船外前移變幅時間為350 s，由船外向船內后移變幅時間為330 s，左右油缸同步誤差在5～9 mm范圍內波動，變幅比較平穩(wěn)連貫。

圖8 A字架現(xiàn)場吊裝作業(yè)圖

在變幅的過程中，均能保證負載平衡，運動平穩(wěn)。當A字架開啟應急裝置，均能將A字架閉鎖在當前位置，防傾伏性能良好，通過吊裝最大噸位250 t，其變幅過程受力穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)技術指標均滿足設計要求，較好地應用于吊裝工況作業(yè)中。

7 結論

本研究所設計的A字架，如圖8所示，其成品在某海洋石油船上的應用良好，其A字架液壓系統(tǒng)控制策略以及液壓變幅運動穩(wěn)定。通過應用證明本研究的利用油缸控制變幅區(qū)域劃分及其液壓控制原理可行，A字架液壓系統(tǒng)可靠性好，具有重要的應用和理論研究價值。