船用起重機(jī)恒張力系統(tǒng)的設(shè)計仿真研究

徐 偉，徐化文

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

船用起重機(jī)是在海洋環(huán)境中進(jìn)行起吊作業(yè)的特種起重機(jī)械。起重機(jī)在海上作業(yè)的過程中，通過起重機(jī)的回轉(zhuǎn)和變幅，改變起重臂的角度及位置，并通過主、副絞車的收、放繩，將貨物由補給船移至目標(biāo)船。

由于作業(yè)船舶會因風(fēng)浪的影響，而相對上下運動，在起吊或釋放的過程中，貨物會與上升的船體發(fā)生二次碰撞；已放落到甲板上的貨物，也可能由于船體的下沉而出現(xiàn)再次懸空的現(xiàn)象，這給海上的安全有效作業(yè)，造成了很大的困難。

為在惡劣海況條件下，將貨物安全可靠地從補給船移到目標(biāo)船上，起重機(jī)除需要具有較高的起吊速外，還應(yīng)具有起吊鋼絲繩的恒張力控制功能，這可以使起吊鋼絲繩始終保持在張緊狀態(tài)，以減小補給船升沉運動和波浪起伏運動對貨物和船體產(chǎn)生的沖擊。

本文對起重機(jī)液壓系統(tǒng)的恒張力系統(tǒng)，進(jìn)行了建模，針對恒張力控制模式進(jìn)行了仿真，并通過了現(xiàn)場試驗驗證。結(jié)果表明，通過起吊絞車的液壓系統(tǒng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對起吊鋼絲繩的恒張力控制，從而大大降低了起重機(jī)作業(yè)過程中海浪的運動沖擊，提高了作業(yè)的安全性，進(jìn)而驗證了該設(shè)計是可行性的。

1 船用起重機(jī)工作原理及恒張力系統(tǒng)

本文研究的船用起重機(jī)的結(jié)構(gòu)總成見圖1。

船用起重機(jī)主要有吊臂、轉(zhuǎn)臺、主絞車、副絞車、大鉤、小鉤及動力裝置和控制設(shè)備等部分組成。動力裝置一般由柴油機(jī)或電動機(jī)提供動力，動力裝置一般置于動力室內(nèi)，控制設(shè)備主要控制起重機(jī)的各種動作，一般置于在操作室中。

圖1 船用起重機(jī)的結(jié)構(gòu)總成

1.1 船用起重機(jī)工作原理

船用起重機(jī)工作原理是：船用起重機(jī)主要通過電機(jī)（或柴油機(jī)）提供動力，帶動整個起重機(jī)的液壓系統(tǒng)，驅(qū)動各個液壓馬達(dá)，為絞車和回轉(zhuǎn)馬達(dá)提供動力，從而完成起重機(jī)的各個起吊和回轉(zhuǎn)動作。

其中，變幅絞車，完成吊臂的上下擺動；回轉(zhuǎn)馬達(dá)，則完成起重機(jī)的回轉(zhuǎn)；通過兩者的動作，改變起吊重物的位置；主、副絞車的收放鋼絲繩，完成起吊重物的高度控制。

1.2 恒張力系統(tǒng)工作原理

本文闡述的恒張力系統(tǒng)，屬于起重機(jī)液壓系統(tǒng)的一部分，與副絞車聯(lián)接，構(gòu)成恒張力絞車。其研究的是一種被動波浪補償系統(tǒng)，這種工作模式主要用于“面操作”，即在海上兩條船之間，或固定平臺和供應(yīng)船之間，或船舶和海面之間，或船舶和海床之間吊運貨物，當(dāng)貨物到達(dá)支持面后（下放貨物）或離開支持面前（起吊貨物）使用。

恒張力系統(tǒng)的工作原理是：工作時，操作人員發(fā)出起升或下放指令，通過副絞車馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，重物將被吊起或釋放至補給船甲板。跟隨時，副絞車馬達(dá)帶動卷筒始終向著收繩方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)快速收繩，達(dá)到張緊狀態(tài)。通過恒張力液壓系統(tǒng)的控制，當(dāng)重物由波峰跌入波谷時，由船只帶動卷筒反向放繩；當(dāng)重物由波谷升向波峰時，鋼絲繩即被張緊。

2 恒張力系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

本文所設(shè)計的具有恒張力系統(tǒng)的船用起重機(jī)，船廠已經(jīng)給定的所在海域的海況，數(shù)據(jù)顯示最高海浪為4 m，并按照船廠的要求進(jìn)行設(shè)計。因此，本文所研究的起重機(jī)恒張力系統(tǒng)，不需要再加隨動吊鉤系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。只需在船用起重機(jī)的副絞車，增加恒張力系統(tǒng)，即其副鉤在起吊重物時，具有波浪補償?shù)男阅堋?/p>

2.1 恒張力液壓系統(tǒng)

本液壓系統(tǒng)主要有：液壓電機(jī)1、比例溢流閥2、梭閥3、節(jié)流閥4、換向電磁球閥5 以及控制單元等組成。

絞車恒張力系統(tǒng)液壓原理圖如圖2所示。

圖2 絞車恒張力系統(tǒng)液壓原理圖

根據(jù)吊鉤的起吊能力等，確定比例溢流閥2、梭閥3 兩端的壓差。當(dāng)正常起吊貨物時，電磁閥5 不得電，泄油管路是斷開的，液壓油由液壓電機(jī)的B 口進(jìn)，A 口出，控制絞車收放鋼絲繩起吊貨物；當(dāng)跟隨時，電磁閥5 得電，L 油路導(dǎo)通，根據(jù)起吊貨物的總質(zhì)量，A、B 口存在一定的壓差，液壓油除了要給液壓電機(jī)供油，維持鋼絲繩張緊力矩外，多余的油將通過L口管路回到油箱。

當(dāng)貨物由波峰到達(dá)波谷時，補給船拖動鋼絲繩使得絞車旋轉(zhuǎn)釋放鋼絲繩；當(dāng)貨物由波谷到達(dá)波峰的過程中，液壓電機(jī)旋轉(zhuǎn)收緊鋼絲繩；當(dāng)?shù)竭_(dá)波峰的瞬間，鋼絲繩張緊，絞車電機(jī)工作，將貨物吊離補給船，此時恒張力系統(tǒng)工作完畢。

其中，比例溢流閥2 控制A、B 口兩端的壓力差，保證絞車的正反轉(zhuǎn)，同時起到保護(hù)該部分油路的作用；梭閥3 保證梭閥兩端高油壓從中間油口通過，進(jìn)而控制油路的壓力；電磁換向球閥5 通過給定電信號，來開啟恒張力系統(tǒng)功能。

總之，起重機(jī)從補給船上吊取貨物，并將貨物吊離或放到另一船上。在這個過程中，無實時的測距裝置，在波浪跟隨時，副絞車馬達(dá)始終輸出一個與重力無關(guān)、與重力方向相反的快速張緊力矩。通過對給定溢流閥的溢流壓力，設(shè)定恒張力絞車的張力，使得鋼絲繩始終保持一定的張緊狀態(tài)，保證恒張力絞車的電機(jī)吊著重物，隨波浪一起做正向或反向的旋轉(zhuǎn)運動，從而保證了在重物的起吊、釋放過程中的相對平穩(wěn)性。

2.2 恒張力系統(tǒng)的仿真

被動式波浪補償控制系統(tǒng)在海上作業(yè)時，海浪的運動形式為正弦波形式，故在系統(tǒng)仿真時，選取正弦波信號即可。

（1）恒張力系統(tǒng)仿真的條件。一是根據(jù)船東提供的海況，海浪浪高為4 m，波浪周期為12 s；二是設(shè)定貨物距離補給船4 m，啟動恒張力系統(tǒng)；三是重物跟隨速度設(shè)定為10 m/min。

恒張力系統(tǒng)仿真界面如圖3所示。

圖3 恒張力系統(tǒng)仿真界面

在波浪模擬模塊中，根據(jù)仿真條件設(shè)定波浪情況；在波浪跟隨模塊中，通過操縱桿使重物緩緩下降至與補給船距離差為4 m，同時通過操作室中手柄，或者通過觸摸屏，設(shè)定重物跟隨速度；左側(cè)為仿真模塊，顯示在給定的條件下，重物隨著時間的推移與補給船之間的距離，及跟隨的時間檢測。

（2）恒張力系統(tǒng)仿真過程與結(jié)束。當(dāng)點擊波浪模擬模塊START，系統(tǒng)進(jìn)行波浪檢測，所檢測到的波浪為正弦波，浪高為4 m，周期為12 s；當(dāng)控制操作桿使重物與補給船距離為4 m 時，啟動波浪跟隨模塊，重物將按設(shè)定好的速度跟隨波浪運動，跟隨距離差逐漸變小，直至重物與補給船接觸，仿真停止。

恒張力系統(tǒng)仿真的過程與結(jié)束如圖4，圖5所示。

圖4 恒張力系統(tǒng)仿真某時刻過程

圖5 恒張力系統(tǒng)仿真結(jié)束時刻

（3）仿真界面結(jié)果分析。由圖4、圖5結(jié)果顯示，隨著時間的推移，跟隨的距離差逐漸變小，當(dāng)重物與補給船接觸時即著陸，波浪跟隨結(jié)束，總時間為24.2 s。

正弦波結(jié)果輸出如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)正弦波仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，海浪的周期為12 s，幅值為4 m。該系統(tǒng)對正弦波的響應(yīng)與正弦波基本保持一致；基本達(dá)到了恒張力波浪補償控制系統(tǒng)的響應(yīng)要求。

3 結(jié)束語

本文針對船用起重機(jī)的工作狀況，以及起重機(jī)的特殊要求，對其絞車進(jìn)行了功能上的改進(jìn)。通過恒張力液壓系統(tǒng)的設(shè)計，滿足其海浪跟隨的功能；并通過模擬仿真界面，驗證了系統(tǒng)的可行性；最終通過工廠的現(xiàn)場試驗，證明了該系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，滿足了船東的要求。通過本文的理論探討，希望能為今后恒張力系統(tǒng)的設(shè)計提供理論借鑒與參考。

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