波浪補償起重機液壓系統設計與分析

王孝霖，顧 含，許 歷，李乙邁，韓星星，雷 雨

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

船用起重機是在海洋環境中進行作業的特種起重機械，遠洋船舶在海上進行貨物運輸及物資補給時，往往要使用船載起重機進行轉載作業。轉載作業時，兩船一般處于錨泊或漂泊狀態，通過系纜并靠在一起，利用船用起重機進行物資吊運，這一過程也被稱為并靠吊裝作業。海上并靠吊裝作業過程中，受風、浪、涌、流等因素的影響，兩作業船舶之間會呈現橫搖、縱搖及升沉等復雜的相對運動，下放中的貨物會與上升的船體發生碰撞，即將放落到甲板的貨物，由于船體的下沉與甲板的距離突然增大，會造成貨物懸空[1]，這給船舶海上吊裝作業帶來了安全隱患。因此，為了滿足惡劣海況下危險及特殊物品吊裝作業的要求，需要采用具有波浪補償功能的船用起重機。

1 波浪補償原理

1.1 載體形式及主尺度

船舶海上并靠吊裝時，兩船之間的升沉運動是主要影響因素，對升沉運動進行補償是最有效可行的手段。圖1為并靠吊裝作業時兩船的垂向相對升沉運動示意圖，若設定向下為正方向，則貨物相對于接受船B的下降速度為[2]：

式中：0v?為起重機的吊具收放速度；1v?為補給船的垂向升沉速度；2v?為接受船的垂向升沉速度。

由式(1)可知，只要使兩船相對運動速度為零，即貨物相對于接受船B的下放速度與兩船的相對速度（）無關，貨物就可以由起重機以速度平穩地下放到接受船上，也就達到了波浪補償的目的。

2 波浪補償技術分類

當前波浪補償實現的方式主要有兩種類型：被動式波浪補償和主動式波浪補償，兩者的主要區別在于船舶運動狀態的采集方式和補償裝置的控制方式[3]。

被動式波浪補償技術又稱為隨動補償技術，是最早出現的波浪補償技術。被動式波浪補償起重機與普通船用起重機相比，在原起吊系統的基礎上，另外加裝了一套隨動吊鉤裝置。兩套系統之間彼此獨立，起重吊鉤用來起吊貨物；而隨動吊鉤連接在接收船上，用來反饋吊裝船與接收船的相對升沉運動，隨動吊索的拉力隨兩船相對升沉運動相應變化，機械式地牽引補償裝置動作，達到波浪補償的效果。

主動式波浪補償技術將電氣控制應用于船用起重機，是近些年廣泛使用起來的波浪補償技術。它通過裝設的傳感器對兩船的相對運動速度、加速度等運動參數以及貨物的速度、加速度等運動參數進行檢測，然后將檢測信號傳到控制模塊，由控制模塊控制補償裝置對起重機吊索的收放進行控制，從而實現波浪補償功能。

被動式波浪補償技術依靠設備的撓性結構進行機械控制，不需要動力源、較為簡單，但要求接收船有能夠連接補償吊索掛接點，并且對起重機臂架結構的材質、結構強度等要求很高，適用于控制精度要求不高的場合。主動式波浪補償技術利用電子元件進行控制，裝置的整體重量輕、占用空間小，對起重機本體機架和接收船沒有特殊要求，但需要增加控制器、傳感器等電子設備，對傳感器及控制設備、控制算法要求高，適用于控制精度要求高的場合。

3 波浪補償起重機的設計

3.1 設計要求

某大型船舶在近遠海物質補給和物品轉載時，需要采用船載起重機進行轉載作業，對船載起重機的設計要求如下：

1）船用起重機工作條件

航區：近遠海開敞水域；吊鉤使用工況：三級海浪；大氣溫度：-10～+40℃；兩船相對運動（垂向）頻率：0.4Hz。

2）波浪補償要求

補償方式：鉛垂方向的速度補償。補償目標：貨物下落過程中，距離被補給船甲板≤400mm時，開啟波浪補償裝置，實現貨物相對接收船以不變的額定速度進行補給，貨物下落至接觸甲板瞬間相對船的速度≤5mm/s。

3.2 起重機本體結構設計

波浪補償起重機本體由起升機構、變幅機構、回轉機構、起重臂架、旋轉平臺、電氣控制系統、安全裝置等組成，其中起升機構、變幅機構和回轉機構均采用液壓馬達驅動。

起升機構是用來提升和下降貨物的機構，該機構通過液壓馬達驅動卷揚機工作，實現貨物的起升、下降和停止；變幅機構為液壓折臂式，通過改變臂架的角度達到變幅的目的，由一根液壓變幅缸驅動的臂架構成；回轉機構的作用是繞起重機回轉中心線在水平面內轉移貨物，可實現 360°全回轉，并可與起升、變幅機構共同配合運動。

3.3 波浪補償系統組成

圖2 波浪補償系統原理圖

為了使船舶起重機滿足高控制精度的波浪補償要求，在對波浪補償原理及波浪補償技術深入分析的基礎上，該起重機采用了一種主動式的波浪補償系統，如圖2所示。該系統主要由激光測距傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、波浪補償控制器、比例換向閥和補償液壓缸等組成。激光測距傳感器安裝在起重機吊臂前端，加速度傳感器安裝在接受船上，位移傳感器裝設在補償液壓缸上，控制模塊和液壓閥件安裝在控制室內。起補償作用的液壓缸安裝在船舶起重機的吊臂上，液壓缸活塞桿的端部裝設有滑輪組，起重吊索纏繞于滑輪組上，通過補償液壓缸直接對起重機的起重吊索的收縮進行控制，實現對波浪運動的補償。

其工作原理是，補償系統工作時，補償液壓缸的活塞初始位置為缸體中部，激光測距傳感器實時檢測出起重機吊臂與接受甲板之間的距離，加速度傳感器實時檢測接收船的加速度信號，信號采集裝置將距離和加速度信號實時傳遞給波浪補償控制器，控制器計算得到兩船相對運動速度，作為系統輸入。位移傳感器對補償液壓缸活塞桿的位移量進行實時檢測，測得的信號作為補償系統的反饋。控制器對輸入和反饋脈沖計數并計算偏差，偏差信號經過一定的處理后，輸入比例閥的放大器，放大后的偏差信號對電磁比例換向閥的開度和方向進行控制，補償油缸則隨之的伸出或縮回，進而控制貨物上升或下降的速度，以實現波浪補償功能[4]。

3.4 液壓系統設計與分析

波浪補償起重機液壓系統主要由液壓泵站、多路閥組、高頻響比例方向閥、液壓執行元件及相應的平衡安全閥塊等組成，各子系統按照功能的不同，可分為回轉回路、變幅回路、起升回路、補償回路，其液壓系統原理如圖3所示。

液壓泵站主要由液壓油箱、主泵、應急備用泵、冷卻器、過濾器等組成。主泵為變量泵，泵的控制形式是：負荷傳感控制，即泵排量隨負載壓力的變化而變化，由負載壓力調節，使排量符合執行器的流量要求。變量泵自帶離心泵，其作用是輔助變量泵吸油，提高變量泵的額定轉速，同時對油液粘度較高的冷啟動有利。備用泵控制形式與主泵完全相同，出油口與主泵并聯。

回轉回路中，有兩個壓力型平衡閥9和兩個安全溢流閥11.1，平衡閥的最大流量為250L/min，最大工作壓力為31.5Mpa，用于避免回轉馬達在倒拖工況下出現失速狀況，提高液壓回路的可靠性；安全溢流閥的作用是調節回路的壓力，在回路壓力驟升時，進行溢流泄壓，避免液壓馬達受損，其最大流120L/min，最大工作壓力31.5Mpa。位于回轉制動回路的減壓閥12.2的主要作用是為制動回路提供一定壓力的控制油，根據要求其調定壓力值為16MPa。起重機回轉時，梭閥8.1從主回路引出壓力油，由定差減壓閥12.1減壓，經二位三通電磁閥14.1和單向節流閥15.1，到達制動缸17.1，使制動打開；同時主油路壓力油到達回轉馬達，驅動回轉馬達18旋轉。

圖3 波浪補償起重機液壓系統原理圖

變幅回路中，有一個液控單向順序閥10.1和兩個液控單向閥13，其中兩個液控單向閥的最大流量為60L/min，最大工作壓力為31.5Mpa。換向閥中位時，在彈簧的作用下兩個液控單向閥將變幅缸鎖緊，液控單向順序閥用于限制貨物的下降速度，防止超速下降，起平衡作用。

起升回路回路中，有一個液控單向順序閥10.2和兩個安全溢流閥11.2，液控單向順序閥的作用是對貨物的下降速度進行限制，避免超速下降；安全溢流閥對馬達20的A、B工作油口的壓力進行限定，在回路壓力驟升時，進行溢流泄壓，以避免對馬達的損傷。當二位三通電磁換向閥14.2右位工作時，回路中的壓力信號會通過梭閥8.2、減壓閥12.2、二位三通電磁換向閥、單向節流閥 15.2進入制動缸17.2，使得制動缸動作，即馬達兩油口的壓力需達到一定之后制動缸才會打開，防止馬達可能因柱塞內無壓力油而突然失速。二位三通電磁換向閥恢復左位時，制動缸與卸油口相通，制動缸縮回，起升絞車被剎住。

補償回路中，為了提高系統的響應速度，電液比例換向閥16與補償缸21集成在一起，中間不設任何液壓閥。由于補償回路要求換向閥響應速度快，時滯小，采用了力士樂4WRE, 3X系列高頻響比例方向閥，其先導閥進油壓力25Mpa，主閥最大流量1000L/min，帶內置控制放大器。

4 結束語

本文對船舶海上并靠吊裝作業過程中的波浪補償問題展開研究，在對波浪補償的基本原理和波浪補償技術進行深入分析的基礎上，對普通液壓起重機本體進行系統改進，通過加裝主動式波浪補償系統，使其具有波浪補償的功能，對波浪補償起重機的工程化具有指導意義。

[1]徐小軍, 陳循, 尚建忠.一種新型主動式波浪補償系統的原理及數學建模[J].國防科技大學學報,2007,29(3):118-122.

[2]邵曼華, 寇雄, 趙鵬程.幾種船用起重機波浪補償裝置[J].機械工程師,2004(2):14-15.

[3]平建濤, 李海明, 宋立忠.船用起重機波浪補償控制技術研究[J].計算機技術與自動化,2009,28(4):42-52.

[4]王洪波.基于波浪補償技術的船用起重機系統的改進[J].機床與液壓,2012,40(16):131-132.