深海折臂式起重機(jī)主動(dòng)升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)建模與仿真

戴煉

摘要：為了減小船用起重機(jī)在海上作業(yè)時(shí)風(fēng)浪對(duì)吊裝的影響，以深海折臂式起重機(jī)為例，介紹了一種船用起重機(jī)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，并運(yùn)用AMESim軟件對(duì)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)電液一體化仿真建模，對(duì)該系統(tǒng)的波浪補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

Abstract： In order to reduce the impact of wind and wave on the hoisting of marine cranes at sea， a deep-sea jib crane is taken as an example to introduce a heave compensation system for marine cranes. The AMESim software is used to simulate the electromechanical and hydraulic integration of the heave compensation system， and the wave compensation effect of the system is verified and analyzed.

關(guān)鍵詞：深海起重機(jī);波浪補(bǔ)償;AMESim

Key words： deep sea crane;wave compensation;AMESim

中圖分類號(hào)：U674.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0172-02

0? 引言

隨著海上貨物貿(mào)易的發(fā)展，船用起重機(jī)在上海運(yùn)輸中的地位越來越高，其成為執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的重要設(shè)備之一。船用起重機(jī)主要的作用就是實(shí)現(xiàn)船艦貨物之間的運(yùn)輸以及水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。然而由于船上作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，尤其是在海上作業(yè)的過程中船用起重機(jī)的控制容易受水流、風(fēng)力等方面的限制導(dǎo)致起重機(jī)出現(xiàn)左右搖擺或者起重機(jī)降落位置不準(zhǔn)等現(xiàn)象。具體而言船用起重機(jī)控制影響因素主要包括：一是由于起重機(jī)是固定在船舶等平臺(tái)上，起重機(jī)在工作的過程中會(huì)受到平臺(tái)本身移動(dòng)的影響，而導(dǎo)致起重機(jī)起吊的降落點(diǎn)與吊車本身的運(yùn)動(dòng)不一致;二是由于起重機(jī)負(fù)荷較大，其在海上作業(yè)的過程中會(huì)因?yàn)椴ɡ说纫蛩囟鴮?dǎo)致起重機(jī)與船舶等發(fā)生碰撞，最終導(dǎo)致纜繩出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果[1]。尤其在進(jìn)行艦船間彈藥補(bǔ)給時(shí)，這種耦合運(yùn)動(dòng)可能造成非常嚴(yán)重的后果。為了消除上述問題，本文設(shè)計(jì)一種深海折臂式起重機(jī)主動(dòng)升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，以此提升起重機(jī)的工作性能，降低纜繩疲勞損害。

1? 折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理

折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)的船用起重機(jī)所存在的受船體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的搖擺、碰撞船體等問題，可以大大提高起重機(jī)的工作性能。結(jié)合相關(guān)工作實(shí)踐及參照相關(guān)文獻(xiàn)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)一種固定在船體甲板上的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，并且將其進(jìn)行機(jī)電液一體化建模，其示意圖如圖1所示。

船體本身的運(yùn)動(dòng)對(duì)于吊車的工作性能起著關(guān)鍵性的作用，因此針對(duì)海上起重機(jī)的作業(yè)性能，應(yīng)該優(yōu)化船體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)合深海折臂式起重機(jī)的工作原理建立如圖2所示固定于船體的坐標(biāo)系IS，其原點(diǎn)位于船的質(zhì)心處，x正方向指向船頭，z軸正方向垂直于甲板向上（假設(shè)船位于靜水中時(shí)，甲板與水面平行）。假設(shè)船體為剛體，且在海面上可隨波浪自由運(yùn)動(dòng)，共有6自由度。分別為沿各軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度——橫搖、縱搖、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)平動(dòng)自由度——橫移、縱移、升沉運(yùn)動(dòng)。

而在貨物起吊過程中，尤其船體的升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)吊裝作業(yè)影響最大，因而本文著重對(duì)深海折臂式起重機(jī)的主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電液一體化建模分析。深海折臂式起重機(jī)的升沉補(bǔ)償裝置主要由液壓補(bǔ)償系統(tǒng)及滑輪組組成，主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制原理如圖3所示。主動(dòng)波浪補(bǔ)償液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)通過MRU海浪動(dòng)態(tài)參考裝置檢測船體的上下位移量，感知海浪的大小，然后將信號(hào)輸入PLC計(jì)算起重機(jī)臂端沉降速度并得出絞車鋼絲繩的收放量，然后輸出電流或電壓控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后調(diào)節(jié)比例方向閥（即三位四通閥）閥芯運(yùn)動(dòng)，增大或減少進(jìn)入液壓馬達(dá)的壓力油流量。絞車液壓馬達(dá)作為主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的執(zhí)行件，它以蓄能器作為能源，電控開啟，快速實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)動(dòng)，并以編碼器檢測鋼絲繩的收放量，實(shí)現(xiàn)精確控制及高效補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

深海折臂式起重機(jī)起吊系統(tǒng)分主絞車與副絞車，主絞車起重能力為100～250t，副絞車起重能力為15～25t。副絞車起重負(fù)載相對(duì)較少，只需比例方向閥控制液壓馬達(dá)壓力油流量，帶動(dòng)絞車進(jìn)行起吊作業(yè)。本文主要針對(duì)副絞車起吊系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電液一體化建模與仿真，驗(yàn)證其補(bǔ)償效果。

2? 折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)建模與仿真

2.1 仿真環(huán)境和建模

AMESim是一種常用的建模仿真平臺(tái)，其可以通過多學(xué)科的知識(shí)元件庫性能為用戶提供一個(gè)可以在單一平臺(tái)建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，并且通過仿真計(jì)算和優(yōu)化分析實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的仿真檢測。當(dāng)然構(gòu)建AMESim也是推動(dòng)物理系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)的重要因素。

本次設(shè)計(jì)主要是根據(jù)圖3與圖4所示系統(tǒng)升沉補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，通過運(yùn)用AMESim元件庫資源構(gòu)建折臂式起重機(jī)升沉補(bǔ)償仿真示意圖（見圖5）。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型主要由滑輪、卷筒、蓄能器取自液壓庫、液壓馬達(dá)以及鋼絲繩取自機(jī)械庫等組成。

在整個(gè)建模中需要考慮到吊鉤的慣力作用，需要在吊鉤位置設(shè)置位移檢測傳感器，其因素主要是需要利用吊鉤上端滑輪的橫向運(yùn)動(dòng)使得吊鉤產(chǎn)生上下升沉運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得出模擬船的升沉運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然在模擬中通過傳感器可以檢測出模擬船的沉降問題，但是在實(shí)踐中由于其受各方面影響，因此可以采取正弦或余弦信號(hào)作為吊鉤升沉運(yùn)動(dòng)的位移信號(hào)，利用位移傳感器檢測載荷升沉位移，控制部分采用PID閉環(huán)位置控制。

2.2 確定主要模型參數(shù)

整個(gè)系統(tǒng)中，絞車液壓馬達(dá)作為執(zhí)行件，同時(shí)忽略比例閥死區(qū)，仿真模型參數(shù)[2][3]設(shè)置見表1。

2.3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

憑借經(jīng)驗(yàn)并通過Design Exploration優(yōu)化工具箱對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，確定kp、ki、kd參數(shù)，其仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，深海折臂式起重機(jī)通過進(jìn)行主動(dòng)波浪（升沉）補(bǔ)償，吊裝載荷下降平穩(wěn)，避免起吊負(fù)載與甲板發(fā)生撞擊，增加了吊裝作業(yè)的安全性。

3? 結(jié)論

本文通過對(duì)深海折臂式起重機(jī)主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行基于AMESim的機(jī)電液一體化建模[5]，并以副絞車吊裝作業(yè)系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了折臂式起重機(jī)主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性及正確性，同時(shí)為主絞車吊裝作業(yè)系統(tǒng)仿真模型搭建提供了參考，也為下一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證打下了基礎(chǔ)。

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