虛擬海浪環(huán)境中船舶起重機(jī)的自動(dòng)穩(wěn)鉤研究

夏小新

摘 要：海面時(shí)常受到自然環(huán)境和生態(tài)因素的干擾，當(dāng)海面環(huán)境出現(xiàn)不穩(wěn)定情況時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致吊鉤明顯擺動(dòng)，這對(duì)于起重機(jī)的運(yùn)行使用來說是十分不利的。本文針對(duì)虛擬海浪環(huán)境下船舶起重機(jī)自動(dòng)穩(wěn)鉤的控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討分析，以期為海上運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展起到一份有力的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：虛擬海浪環(huán)境；船舶起重機(jī)；自動(dòng)穩(wěn)鉤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.047

1 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的逐漸進(jìn)步，海上運(yùn)輸行業(yè)也取得了巨大的發(fā)展和進(jìn)步并獲得了較為廣闊的發(fā)展空間。通過海上運(yùn)輸?shù)姆绞絹磉\(yùn)送貨物，一方面無需花費(fèi)較多的成本，一方面又可以一次性運(yùn)輸較大批量的貨物。

船舶起重機(jī)是指船舶自備的、用于裝卸貨的裝置和機(jī)械，主要由吊桿裝置、甲板起重機(jī)以及其他裝卸機(jī)械共同構(gòu)成，但是船舶起重機(jī)吊鉤晃動(dòng)的情況卻對(duì)起重機(jī)作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的干擾。下面我們就通過構(gòu)建起船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，來還原在海浪作用下所呈現(xiàn)出的甲板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而對(duì)于穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行實(shí)際的研究。

2 船舶起重機(jī)吊鉤擺動(dòng)控制研究的發(fā)展

早在幾十年以前，我國(guó)就已經(jīng)針對(duì)船舶起重機(jī)吊鉤擺動(dòng)的控制這一問題展開了研究，研究的對(duì)象普遍為橋式起重機(jī)，90年代以后逐步出現(xiàn)了關(guān)于起重機(jī)吊鉤消擺控制的相關(guān)研究。船舶起重機(jī)的吊鉤消擺主要就是通過跟鉤的能量來消除擺動(dòng)，但此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜性強(qiáng)且實(shí)用性較差，已經(jīng)很難滿足當(dāng)前階段發(fā)展過程中所提出的各類新要求，因此探索一條合適的途徑勢(shì)在必行。

3 虛擬海浪環(huán)境下船舶起重機(jī)吊鉤的穩(wěn)鉤設(shè)計(jì)

在本次研究當(dāng)中，我們擬通過在虛擬海浪環(huán)境下對(duì)船舶起重機(jī)進(jìn)行吊鉤擺動(dòng)穩(wěn)鉤控制的仿真研究。我們所構(gòu)建起的船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)主要以并聯(lián)機(jī)構(gòu)來體現(xiàn)，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)當(dāng)中，包括平臺(tái)、單伸出液壓缸、求鉸鏈以及虎克鉸鏈共同組成，其中平臺(tái)分為固定平臺(tái)和移動(dòng)平臺(tái)兩類，通過合理控制液壓的變化，來還原船舶在海中所呈現(xiàn)出來的各類運(yùn)動(dòng)情況。

在進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)的使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分將產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)與現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，同時(shí)將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于外形設(shè)計(jì)、零部件裝配、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等多個(gè)方面。

4 船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的起重機(jī)仿真

船舶起重機(jī)起升運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要是起重機(jī)在起升馬達(dá)的作用之下產(chǎn)生的，起重機(jī)卷筒對(duì)于繩子的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于吊鉤上下位移情況的調(diào)整，而變幅運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)則需要通過液壓缸來實(shí)現(xiàn)對(duì)于吊重方向的調(diào)整。在船舶當(dāng)中，起重機(jī)的回轉(zhuǎn)、起升等情況都需要依靠液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在液壓系統(tǒng)中，每一個(gè)分系統(tǒng)都是各自獨(dú)立的。船舶起重機(jī)在船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的作用下會(huì)引起起重機(jī)的擺動(dòng)，在起重機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程當(dāng)中，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也就是將起重機(jī)的吊鉤坐標(biāo)更替為大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。當(dāng)船舶起重機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行時(shí)，泵中所存儲(chǔ)的液壓油隨之流出，流至高壓球閥后再進(jìn)入比例閥當(dāng)中，最終涌入液壓馬達(dá)當(dāng)中。

5 船舶起重機(jī)吊鉤穩(wěn)鉤的控制

在自然條件下，船舶起重機(jī)的擺動(dòng)主要是由于風(fēng)力、海浪等多重因素的干擾而產(chǎn)生的，如果此時(shí)開展作業(yè)，起重機(jī)吊鉤的擺動(dòng)幅度較大，就會(huì)對(duì)起重機(jī)的總體效率及水平造成極為惡劣的影響。在研究的過程當(dāng)中我們需要注意，船舶起重機(jī)吊鉤擺動(dòng)的角度在自然條件下會(huì)受到空氣所產(chǎn)生的阻礙而出現(xiàn)逐步衰減的情況，但在進(jìn)行研究時(shí)，吊鉤穩(wěn)鉤仿真主要是在真空的環(huán)境下運(yùn)行的，因此，需要對(duì)于系統(tǒng)加設(shè)延遲反饋裝置，形成與自然條件下較為類似的空氣阻礙，以便合理對(duì)于船舶起重機(jī)吊鉤位置進(jìn)行控制，從而合理調(diào)整吊鉤的擺動(dòng)幅度和方向。在對(duì)于吊鉤的擺動(dòng)施加延遲反饋之后，面外角被控制在了一定范圍之內(nèi)，面內(nèi)角也得到了調(diào)整，由此可以看出，在研究過程當(dāng)中所設(shè)計(jì)出的延遲反饋裝置可以有效調(diào)整船舶起重機(jī)吊鉤的擺動(dòng)情況，將其應(yīng)用于肖伯過程當(dāng)中，發(fā)揮著十分積極的意義。

一般來說，當(dāng)船舶航行于海面之上時(shí)，起重機(jī)吊鉤會(huì)受到夾板作用力的干擾而出現(xiàn)擺動(dòng)情況，當(dāng)系統(tǒng)在橫搖5度、縱搖2度、垂蕩幅度為0.01米時(shí)，對(duì)比系統(tǒng)受控于未售空的情況，可以看出船舶起重機(jī)的吊鉤擺動(dòng)情況得到了明顯的控制。

6 船舶起重機(jī)吊鉤自動(dòng)穩(wěn)鉤控制研究缺陷分析

在上文當(dāng)中我們充分利用了虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建起了船舶運(yùn)動(dòng)模型平臺(tái)，并將起重機(jī)模型運(yùn)用至模擬平臺(tái)之上。但總體來看，在本次研究當(dāng)中仍然存在著明顯的不夠完善的地方，具體來說包括以下幾個(gè)方面：其一，海浪模擬存在一定缺陷。本次研究當(dāng)中，海浪作用情況主要是通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，無法切實(shí)體現(xiàn)出海浪對(duì)于甲板運(yùn)動(dòng)情況的影響，除此之外，船舶起重機(jī)以及船舶自身在相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生耦合作用，如果船舶的運(yùn)動(dòng)頻率與起重機(jī)吊鉤的擺動(dòng)幅度較為接近，就會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。其二，本次研究主要是對(duì)于船舶起重機(jī)在單回轉(zhuǎn)操作情況下、鋼絲繩長(zhǎng)度保持不變的條件下所開展的，沒能夠充分考慮到船舶起重機(jī)在變幅等階段中的吊鉤擺動(dòng)幅度變化情況。其三，本次研究由于受到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件的限制，所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著明顯的局限性。其四，研究當(dāng)中，我們通過利用延時(shí)反饋裝置來模擬起重機(jī)在自然條件下所受到的外界因素干擾情況，但此種模擬方式在甲板運(yùn)動(dòng)模擬條件下所體現(xiàn)的效果卻不夠明顯。

7 結(jié)語

綜上所述，本次研究當(dāng)中，我們通過利用虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了六自由度船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了同比建模，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多類型運(yùn)動(dòng)模擬。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉，張桂青，陳鵬.基于時(shí)間最優(yōu)的起重機(jī)消擺控制策略[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，28（02）：10-14.

[2]方曉旻.船用起重機(jī)和波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.