虛擬海浪環(huán)境中船舶起重機的自動穩(wěn)鉤研究

夏小新

摘 要：海面時常受到自然環(huán)境和生態(tài)因素的干擾，當海面環(huán)境出現(xiàn)不穩(wěn)定情況時，就會導(dǎo)致吊鉤明顯擺動，這對于起重機的運行使用來說是十分不利的。本文針對虛擬海浪環(huán)境下船舶起重機自動穩(wěn)鉤的控制進行了簡要的探討分析，以期為海上運輸行業(yè)的發(fā)展起到一份有力的推動作用。

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

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

1 引言

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

船舶起重機是指船舶自備的、用于裝卸貨的裝置和機械，主要由吊桿裝置、甲板起重機以及其他裝卸機械共同構(gòu)成，但是船舶起重機吊鉤晃動的情況卻對起重機作業(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)建起船舶運動模擬平臺，來還原在海浪作用下所呈現(xiàn)出的甲板運動狀態(tài)，從而對于穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行實際的研究。

2 船舶起重機吊鉤擺動控制研究的發(fā)展

早在幾十年以前，我國就已經(jīng)針對船舶起重機吊鉤擺動的控制這一問題展開了研究，研究的對象普遍為橋式起重機，90年代以后逐步出現(xiàn)了關(guān)于起重機吊鉤消擺控制的相關(guān)研究。船舶起重機的吊鉤消擺主要就是通過跟鉤的能量來消除擺動，但此種結(jié)構(gòu)復(fù)雜性強且實用性較差，已經(jīng)很難滿足當前階段發(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在必行。

3 虛擬海浪環(huán)境下船舶起重機吊鉤的穩(wěn)鉤設(shè)計

在本次研究當中，我們擬通過在虛擬海浪環(huán)境下對船舶起重機進行吊鉤擺動穩(wěn)鉤控制的仿真研究。我們所構(gòu)建起的船舶運動模擬平臺主要以并聯(lián)機構(gòu)來體現(xiàn)，在并聯(lián)機構(gòu)當中，包括平臺、單伸出液壓缸、求鉸鏈以及虎克鉸鏈共同組成，其中平臺分為固定平臺和移動平臺兩類，通過合理控制液壓的變化，來還原船舶在海中所呈現(xiàn)出來的各類運動情況。

在進行虛擬樣機技術(shù)的使用時，應(yīng)當充分將產(chǎn)品的具體設(shè)計與現(xiàn)代化的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，同時將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用于外形設(shè)計、零部件裝配、機構(gòu)運動學(xué)仿真等多個方面。

4 船舶運動模擬平臺的起重機仿真

船舶起重機起升運動的實現(xiàn)主要是起重機在起升馬達的作用之下產(chǎn)生的，起重機卷筒對于繩子的控制可以實現(xiàn)對于吊鉤上下位移情況的調(diào)整，而變幅運動機構(gòu)則需要通過液壓缸來實現(xiàn)對于吊重方向的調(diào)整。在船舶當中，起重機的回轉(zhuǎn)、起升等情況都需要依靠液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。在液壓系統(tǒng)中，每一個分系統(tǒng)都是各自獨立的。船舶起重機在船舶運動模擬平臺的作用下會引起起重機的擺動，在起重機運動的過程當中，需要進行坐標轉(zhuǎn)換，也就是將起重機的吊鉤坐標更替為大地坐標系下的坐標。當船舶起重機回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)開始運行時，泵中所存儲的液壓油隨之流出，流至高壓球閥后再進入比例閥當中，最終涌入液壓馬達當中。

5 船舶起重機吊鉤穩(wěn)鉤的控制

在自然條件下，船舶起重機的擺動主要是由于風(fēng)力、海浪等多重因素的干擾而產(chǎn)生的，如果此時開展作業(yè)，起重機吊鉤的擺動幅度較大，就會對起重機的總體效率及水平造成極為惡劣的影響。在研究的過程當中我們需要注意，船舶起重機吊鉤擺動的角度在自然條件下會受到空氣所產(chǎn)生的阻礙而出現(xiàn)逐步衰減的情況，但在進行研究時，吊鉤穩(wěn)鉤仿真主要是在真空的環(huán)境下運行的，因此，需要對于系統(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，以便合理對于船舶起重機吊鉤位置進行控制，從而合理調(diào)整吊鉤的擺動幅度和方向。在對于吊鉤的擺動施加延遲反饋之后，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，在研究過程當中所設(shè)計出的延遲反饋裝置可以有效調(diào)整船舶起重機吊鉤的擺動情況，將其應(yīng)用于肖伯過程當中，發(fā)揮著十分積極的意義。

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

6 船舶起重機吊鉤自動穩(wěn)鉤控制研究缺陷分析

在上文當中我們充分利用了虛擬樣機技術(shù)構(gòu)建起了船舶運動模型平臺，并將起重機模型運用至模擬平臺之上。但總體來看，在本次研究當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方面：其一，海浪模擬存在一定缺陷。本次研究當中，海浪作用情況主要是通過并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)的，無法切實體現(xiàn)出海浪對于甲板運動情況的影響，除此之外，船舶起重機以及船舶自身在相互作用時會產(chǎn)生耦合作用，如果船舶的運動頻率與起重機吊鉤的擺動幅度較為接近，就會出現(xiàn)不可預(yù)測的不規(guī)則運動。其二，本次研究主要是對于船舶起重機在單回轉(zhuǎn)操作情況下、鋼絲繩長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在變幅等階段中的吊鉤擺動幅度變化情況。其三，本次研究由于受到現(xiàn)有實驗室設(shè)備條件的限制，所獲得的實驗結(jié)果存在著明顯的局限性。其四，研究當中，我們通過利用延時反饋裝置來模擬起重機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動模擬條件下所體現(xiàn)的效果卻不夠明顯。

7 結(jié)語

綜上所述，本次研究當中，我們通過利用虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)了六自由度船舶運動模擬平臺的整體系統(tǒng)設(shè)計，并在計算機網(wǎng)絡(luò)平臺上實現(xiàn)了同比建模，可以實現(xiàn)對于船舶運動平臺的多類型運動模擬。

參考文獻：

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