二次調節波浪升沉補償液壓系統設計

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

波浪升沉補償起重機是指裝備有升沉補償系統的海洋工程起重機，該系統可補償由起重機母船在波浪作用下產生的搖蕩對起重機吊載貨物的附加升沉運動，以提高海上吊裝作業的安全性和作業效率。二次調節技術是一種恒壓液壓傳動控制技術，基于該技術的液壓控制系統具有能量傳遞效率高、控制響應快和能耗小的特點[1-2]，可以很好適應主動式波浪升沉補償起重機的需求。

現有的二次調節波浪升沉補償技術研究主要集中在控制策略和控制算法方面[3-5]，對于二次調節波浪升沉補償液壓系統的設計方法較少涉及，而且針對主要液壓元件的簡單選型計算缺乏工程實用性。限于波浪升沉補償技術實施技術文獻太少，從自主研發的角度依據二次調節升沉補償系統組成原理，明確液壓系統設計要求，按照總體輸入參數、機械部分設計計算參數、液壓部分設計計算參數的順序，提出二次調節升沉補償系統關鍵參數設計方法，并運用所提方法進行工程樣機實例驗證。

1 系統組成及原理

基于二次調節技術的波浪升沉補償起重機主起升液壓系統組成見圖1。

圖1 二次調節波浪升沉補償起重機主起升液壓系統組成

液壓系統具有2套泵組，分別為高壓泵組1和低壓泵組2，高壓泵組壓力油口與高壓蓄能器6連接，低壓泵組壓力油口與低壓蓄能器5連接，2組蓄能器分別配置有高壓氮氣瓶8、低壓氮氣瓶7。通過設定泵組輸出油壓力和氮氣瓶充氣壓力，可實現恒定壓力網絡。二次元件3的進出油口分別與恒壓網絡高壓油路、低壓油路連接，以保證二次元件進出油口壓力穩定。二次元件通過高速減速機11、齒輪箱12與主起升絞車13連接。操控電液伺服閥4，可改變二次元件排量擺角方向和擺角大小，當二次元件工作在馬達工況時，由于發動機進出油口壓力恒定，因此發動機輸出轉矩與其排量大小成正比；當二次元件工作在泵工況時，在貨物負載拖動下，二次元件反向轉動，所輸出高壓油通過高壓蓄能器進行存儲，實現能量回收。主起升機構不同工況下，二次元件工作特性見圖2。

圖2 主起升機構二次元件工作特性示意

起重機主起升機構具有兩種工作模式，常規模式和主動升沉補償模式(簡稱AHC模式)。常規模式下，AHC功能關閉，操作手柄可實現主鉤負載的正常起升或下放；AHC模式下，控制系統根據波浪升沉信號輸入，對二次元件排量進行閉環控制，實現貨物附加升沉運動的補償。

2 設計方法

2.1 設計流程

為實現高精度的波浪升沉補償效果，液壓系統設計必須滿足以下要求：二次元件作為轉矩輸出單元，其最大排量必須滿足系統最大負載的起升要求；泵組及蓄能器的輸出功率必須滿足起重機最大功率配置需求。

設計二次調節波浪升沉補償液壓系統設計計算過程見圖3。

圖3 液壓系統設計流程

2.2 機械部分設計

總體輸入參數是本系統的設計輸入，主要包括波浪激勵參數和起升負載參數等，其中波浪激勵參數決定了起重機升在AHC模式下貨物加速度、速度和位移等參數。為簡化波浪參數計算，將波浪近似為規則的正弦波進行處理[6]。

vm=Aπ/T

(1)

式中：A為波浪高度，AHC模式下貨物最大補償位移;T為最短波浪周期；vm為最大補償速度；am為最大補償加速度。

am=2Aπ2/T2

(2)

關于機械部分的設計參數，根據起重機結構形式、起升負載等條件，初步設計出相關機械零部件的關鍵尺寸，如絞車卷筒直徑、鋼絲繩徑、定滑輪直徑、二次元件與主絞車減速機的傳動比參數等。

將機械部分的計算參數分為2組，參數組I與主鉤負載的速度、加速度計算相關；參數組II與主絞車、二次元件的輸出轉矩計算相關。參數組I中，常規模式主絞車最高轉速n1由總體輸入確定，AHC模式主絞車最高轉速n2為

(3)

AHC模式主絞車最大角加速度α1為

(4)

通過減速機傳動比i1和齒輪箱傳動比i2，可計算出不同模式下二次元件的最高轉速和最大角加速度。

參數組Ⅱ中，常規模式主絞車最大輸出轉矩M1可由最大負載和絞車直徑計算得出，AHC模式主絞車最大輸出轉矩M2的鋼絲繩拉力由三部分組成：AHC模式主鉤最大負載拉力、主絞車轉動慣性力和定滑輪轉動慣性力。

(5)

式中：mL為主鉤最大負載；J1為主絞車(含纏繞鋼絲繩和齒輪箱)轉動慣量；η1為主絞車機械效率；J2為主鉤鋼絲繩定滑輪轉動慣量；α2定滑輪AHC模式下最大角加速度；nd為定滑輪個數，η2為定滑輪機械效率。

2.3 液壓部分設計

液壓部分的核心元器件包括二次元件、泵組、高低蓄能器及氣瓶等。

常規模式、AHC模式下二次元件最大輸出轉矩M3、M4為

(6)

(7)

式中：nu為二次元件個數；η3為高速減速機機械效率；η4為齒輪箱機械效率；J3為高速減速機轉動慣量；Ju為二次元件轉動慣量。

在液壓部分的設計計算中，首先需初步確定出恒壓壓差Δp、低壓恒定設定壓力pL、高壓恒定設定壓力pH等參數。

常規模式單個二次元件最大排量q1為

(8)

AHC模式單個二次元件最大排量q2為

(9)

式中：ηm、ηv分別為二次元件機械效率和容積效率。

泵站最大流量Qp必須滿足主絞車在常規模式最高轉速n1的流量需求，因此按下式確定Qp。

Qp≥q1n1i1i2

(10)

在恒壓二次調節液壓系統中，蓄能器主要作用是提高恒壓液壓網絡的壓力穩定性、儲存貨物下放的回收能量、為泵組提供輔助高壓油以降低泵組功率配置等。有關參數主要包括蓄能器有效最小容積、蓄能器所需最小容積、高壓氣瓶所需最小容積和低壓氣瓶所需最小容積等。

二次元件需要最大流量發生在最大負載、最大補償位移和最大補償速度的AHC模式下，由于負載補償位移近似為正弦運動，因此高壓、低壓蓄能器有效最小容積ΔV等于半個波浪周期內二次元件最大需求流量與泵組最大輸出流量之間的差值。起重機主起升工作在最大負載最大波高的AHC工況時，系統所需流量最大，此時單個二次元件排量qm隨時間t變化。

(11)

式中：qmax為二次元件最大排量；等號左側第2項為最大負載AHC工況下單個二次元件所需的額外排量變化。

同階段二次元件轉速ns隨時間t變化曲線與主絞車負載速度曲線一致，ns為

(12)

則所有二次元件所需流量Qs為

Qs(t)=nuqm(t)ns(t)/ηV

(13)

因此，半個波浪周期內高壓、低壓蓄能器有效最小容積ΔV為

(14)

式中：t0為最大負載運動至補償位移波谷時時間。

在確定蓄能器實際配置最小容積時，還需考慮環境溫差的影響;同時，如果蓄能器最大工作壓力大于20 MPa，需進行高壓修正。因此，高壓蓄能器所需最小容積V1為

(15)

式中：Ca為高壓修正系數，tH、tL分別為系統工作環境最高溫度和最低溫度。

再考慮到環境溫差的影響，高壓蓄能器及高壓氣瓶總體積V2為[7]

(16)

式中：p0、p1、p2分別為蓄能器氣瓶充氣壓力、最低工作壓力、最高工作壓力，Ca根據壓縮比p2/p1查表，由于波浪周期小于1 min，認為蓄能器工作在絕熱工程，n取1.4。

高壓氣瓶所需最小容積V3為

V3=V2-V1

(17)

采用相同方法計算低壓蓄能器及低壓氣瓶所需最小容積。

3 選型設計實例

3.1 設計計算

以200 t波浪補償升沉起重機主起升液壓系統設計為例。該起重機為油缸變幅折臂式海洋工程起重機，具有主動升沉補償功能，吊鉤倍率為單倍率，最大起升載荷為2 000 kN，AHC功能最大補償波高3 m，最短波浪周期9 s。部分起重機總體輸入參數見表1。

表1 起重機部分輸入參數

機械部分主要設計參數見表2，依據上述計算公式，計算得到機械部分設計計算結果,見表3。常規模式二次元件最輸出轉矩1.172 kN·m,以式(6)計。

表2 機械部分設計參數表

表3 AHC模式起重機機械部分計算公式及結果

液壓部分主要設計參數見表4，依據上述對應參數的計算公式，計算得到液壓部分設計的主要計算結果，見表5。

表4 液壓部分設計參數

3.2 工程樣機試驗

建造二次調節波浪升沉補償起重機工程樣機，見圖4。采用6自由度運動平臺模擬波浪升沉運動，運動參考單元MRU放置在平臺上，實現陸上試驗的波浪升沉信號輸入，見圖5。

表5 液壓部分計算參數表

圖4 波浪升沉補償起重機工程樣機

圖5 6自由度運動平臺

以相同海況參數、不同負載參數為試驗輸入進行工程樣機波浪升沉補償試驗，獲得負載位置升沉補償試驗結果見圖6、7。

圖6 負載200 kN工況位置升沉補償試驗結果

圖7 負載750 kN工況位置升沉補償試驗結果

為描述波浪補償控制效果，定義位置補償精度偏差Cp為

(18)

式中：Sg為負載目標位置；Sa為負載實際位置。位置補償精度偏差Cp越小，表明補償效果越好。

從圖6、7試驗結果可見，在6級模擬海況(最大波浪高度6 m，平均波浪周期9s)升沉信號輸入下，負載200 kN、750 kN工況的最大位置補償精度小于10%，升沉補償性能測試結果滿足控制精度要求(設計目標要求位置補償精度偏差小于15%)。在整個試驗過程中，二次調節液壓系統運行正常，泵組及蓄能器組件功率配置參數滿足升沉補償控制需求，表明設計方法可行。

3.3 分析與討論

二次調節波浪升沉補償液壓系統的功率配置與負載大小、常規模式負載最大速度、AHC模式負載最大速度相關。作為設計輸入，波浪補償參數將直接決定液壓系統的設計結果。實例中的波浪補償參數(波高、周期)直接取自于海況譜，并未考慮起重機船舶在該海況下對貨物產生的實際升沉運動。在實際海浪擾動下，起重機船舶運動呈現升沉、偏航、橫傾、橫蕩、縱傾、縱蕩6自由度運動，這些運動對于起重機起吊貨物在升沉位置、升沉速度將產生附加影響。因此，還應采取適當措施，以提高波浪補償參數等設計輸入的準確性。例如，對起重機船舶系統在海浪作用下的運動進行仿真計算或實船測試，獲得更為準確的貨物升沉運動參數。

對比圖6、7試驗的位置補償精度結果發現，在同等模擬海況激勵下，200 kN負載的升沉補償位置精度優于750 kN負載的情況。其原因是隨著負載增加，二次元件斜盤傾角穩態值變大，斜盤控制響應時間變慢，斜盤角調整時間變長，導致位置補償控制精度降低。

在相同海況參數激勵下，AHC模式起吊負載的增加，使得二次元件斜盤傾角穩態值變大，斜盤響應控制變慢，從而影響位置補償精度。關于波浪升沉補償控制精度的影響因素及影響程度，應作進一步研究。