高海況打撈吊機(jī)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

王志勇,湯濤林,徐志強(qiáng),諶志新

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092; 2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

船用吊機(jī)在海上作業(yè)過(guò)程中,由于受到風(fēng)、洋流、海浪作用的影響,吊機(jī)會(huì)產(chǎn)生橫搖、縱搖、艘搖、升沉、橫蕩、縱蕩6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng).通常橫搖、縱搖和升沉為3個(gè)高頻自由度運(yùn)動(dòng),對(duì)吊機(jī)海上作業(yè)有很大影響.目前的船用吊機(jī)波浪補(bǔ)償主要是在垂直方向上進(jìn)行補(bǔ)償,可以滿(mǎn)足一定海況下吊運(yùn)作業(yè)需求[1-2].該打撈吊機(jī)主要用于4～6級(jí)海況以下海上漂浮物的打撈,打撈時(shí),吊機(jī)伸縮臂伸出舷外并垂直于船舷,伸縮臂上懸掛攔網(wǎng),支撐柔性攔網(wǎng)張開(kāi),工作示意如圖1所示[3].由于船舶在海上最容易發(fā)生橫搖且搖擺幅度大,為了使攔網(wǎng)入水保持一定的高度,將海面物體打撈入網(wǎng),需要對(duì)吊機(jī)橫搖方向進(jìn)行補(bǔ)償,通過(guò)補(bǔ)償系統(tǒng)保證吊機(jī)伸縮臂懸浮在水面上一定的高度范圍內(nèi).該波浪補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量吊機(jī)伸縮臂相對(duì)船舶姿態(tài)位置,實(shí)時(shí)控制打撈吊機(jī)變幅油缸運(yùn)動(dòng)方向與船舶橫搖方向成反方向運(yùn)動(dòng),以滿(mǎn)足高海況打撈漂浮物時(shí)伸截臂隨船搖擺的穩(wěn)定性,確保打撈攔網(wǎng)網(wǎng)形技術(shù)要求[4-5].

圖1 打撈吊機(jī)工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of salvage crane

1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

1.1 波浪補(bǔ)償過(guò)程分析

垂直方向吊機(jī)伸縮臂是通過(guò)變幅油缸進(jìn)行控制,該運(yùn)動(dòng)相對(duì)船舶是橫向搖擺,在4～6級(jí)海況下該船橫搖幅度為±15°.為了改善伸縮臂隨船橫搖對(duì)打撈效果造成影響,設(shè)計(jì)主被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)[6].利用船舶搖擺角度測(cè)試傳感器信號(hào),控制液壓系統(tǒng)方向比例調(diào)速閥,使伸縮臂變幅油缸運(yùn)動(dòng)方向與船舶搖擺方向成反方向運(yùn)動(dòng),從而減小伸縮臂與海面高度的過(guò)大變化,設(shè)計(jì)將伸縮臂最大變幅角度控制在±8°,周期11 s,以提高漂浮物打撈成功率,補(bǔ)償過(guò)程如圖2所示.

圖2 吊機(jī)油缸補(bǔ)償原理Fig.2 Compensation principle of crane cylinder

1.2 打撈吊機(jī)波浪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)主要包括泵站、操作閥、傾角傳感器及油缸位移傳感器、PID閉環(huán)控制模塊、補(bǔ)償油缸.系統(tǒng)可根據(jù)船體搖擺情況,自動(dòng)化控制操作閥開(kāi)閉,實(shí)現(xiàn)油缸伸縮高速響應(yīng)船體搖擺動(dòng)作,從而調(diào)整伸縮臂在高海況條件下的波浪補(bǔ)償位置.

液壓系統(tǒng)原理如圖3所示,主泵采用變量柱塞泵,主泵連接一小型恒壓泵用于系統(tǒng)控制油源.在打撈需要進(jìn)行波浪補(bǔ)償且伸縮臂變幅油缸有桿腔進(jìn)油,則主泵給1#蓄能器充油,無(wú)桿腔回油給2#蓄能器充油.當(dāng)伸縮臂變幅油缸無(wú)桿腔進(jìn)油需要大流量液壓油時(shí),蓄能器可以及時(shí)補(bǔ)充油源,以提高伸縮臂變幅控制的響應(yīng)速度,滿(mǎn)足惡劣海況要求.補(bǔ)償系統(tǒng)信號(hào)采集傳感器包括設(shè)置在船中的搖擺角度、角加速度指示信號(hào)發(fā)生器以及設(shè)置在油缸缸頭的油缸行程位置傳感器,并通過(guò)PID電氣控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行信號(hào)處理,輸出控制信號(hào)通過(guò)液壓系統(tǒng)中電比例調(diào)速換向閥進(jìn)行變幅油缸主動(dòng)補(bǔ)償控制[7-9].

圖3 打撈吊機(jī)液壓系統(tǒng)圖Fig.3 Hydraulic system drawing of the salvage crane

為了提高波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的穩(wěn)定性及快速響應(yīng)特性,增加被動(dòng)補(bǔ)償功能.當(dāng)伸縮臂在打撈作業(yè)下降變幅時(shí),重力做功并通過(guò)設(shè)置在變幅油缸附件的蓄能器儲(chǔ)能;當(dāng)伸縮臂上升時(shí),除液壓泵站供油外,蓄能器儲(chǔ)能釋放以快速提升伸縮臂.同時(shí),通過(guò)油缸位置傳感器控制油缸變幅角度,以適應(yīng)高海況返回艙打撈的要求.

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

測(cè)試設(shè)備:① 工業(yè)電腦,系統(tǒng)補(bǔ)償控制和數(shù)據(jù)采集;② 垂直陀螺儀,測(cè)量打撈吊機(jī)伸縮臂角度;③ 壓力傳感器MBS1250,測(cè)量變幅油缸的大小油腔壓力;④ 油缸位移傳感器GEL2478,測(cè)量變幅油缸位移變化.

設(shè)定吊機(jī)伸縮臂初始角度為-10°,主泵最大流量100%,此次海上實(shí)驗(yàn)啟用船上減搖鰭生搖裝置功能,船舶橫搖角8°～12°,周期12 s.

表1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of wave compensation system

注:設(shè)定船舶向右橫搖角度為負(fù)值,向左橫搖角度為正值.

根據(jù)海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出船舶以及吊機(jī)伸縮臂橫搖角度隨周期變化曲線,如圖4和圖5所示.船舶橫搖周期平均為11 s,當(dāng)橫搖角度在-7.8°～5.0°時(shí),吊機(jī)變幅油缸補(bǔ)償范圍為-2.3°～6.5°,滿(mǎn)足高海況下補(bǔ)償性能,可以有效控制吊臂搖擺穩(wěn)定性.

圖4 船舶橫搖角度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The variation curve of ship’srolling angle with time

圖5 吊臂橫搖角度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The variation curve of lifting armswing angle with time

3 結(jié)語(yǔ)

該打撈吊機(jī)采用主被動(dòng)復(fù)合的波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng),通過(guò)吊機(jī)變幅油缸位移補(bǔ)償方式,有效降低了高海況作業(yè)時(shí)吊機(jī)伸縮臂受波浪影響橫搖幅度,保持伸縮臂在水面一定高度范圍內(nèi)穩(wěn)定,提高漂海上浮物打撈的工況適應(yīng)性.