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                        主動升沉補償液壓系統工作原理和模式設計

                        添加時間:2018/07/26 來源:黑龍江科學 作者:劉冬一 宋豫
                        海洋為人類的生存和發展提供著豐富的資源, 隨著科技的進步, 海洋中不斷探索出新的資源, 因此海洋已成為科研開發與國家競爭的重要領域。目前, 各國對海洋資源開發利用的深度與廣度日漸擴展, 海洋科技水平發展迅猛。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:本文介紹了不同類型升沉補償系統的特征, 研究提出了浮吊主動升沉補償系統的設計方法, 提供了浮吊主動升沉補償系統的結構、液壓系統、電氣系統方案, 分析了該方案的工作原理與工作模式, 突出分析了被動補償與主動補償組合后的技術優勢, 為產品開發奠定了基礎。該產品的研究與開發, 有助于打破技術壁壘, 提升海工裝備國產化水平與性能。

                          關鍵詞:浮吊; 主動升沉補償; 液壓系統; 補償液壓缸;

                          Abstract:This paper introduces the characteristics of different types of heave compensation system. The design method of the active heave compensation hydraulic system is put forward of the floating crane. The system structure, hydraulic system and electrical system scheme of the floating crane are provided. The working principle and working mode of the scheme are analyzed, and the technical advantages of passive compensation and active compensation are highlighted analyzed. Above research lay the foundation for product development. The research and development of this product is conducive to break down technical barriers and improve the domestication level and performance of marine equipment.

                          Keyword:Floating crane; The active heave compensation system; Hydraulic system; Compensation cylinder;

                          海洋為人類的生存和發展提供著豐富的資源, 隨著科技的進步, 海洋中不斷探索出新的資源, 因此海洋已成為科研開發與國家競爭的重要領域。目前, 各國對海洋資源開發利用的深度與廣度日漸擴展, 海洋科技水平發展迅猛。在海洋的開發中, 大型設備與物資的運送與吊裝均要依靠浮吊進行作業, 它已成為海洋開發的重要工具。

                          隨著人類對海洋的認識加深, 帶有特殊功能的浮吊也就應運而生。浮吊施工作業時會由于風浪、涌等作用產生六自由度的運動, 導致吊裝設備產生不定向的偏移, 惡劣時會導致鋼絲繩張力過大而斷裂, 造成設備儀器丟失的工程事故, 如日本的“海溝號”的ROV就曾因為繩索斷裂而丟失[1], 這種不可控的運動對施工作業造成了極大的威脅, 因此, 近年來浮吊設備中增加了波浪補償裝置, 避免事故的發生。

                          波浪補償技術具有大慣量、高精度的特性, 是海工裝備中難度較大的技術, 且我國海工高端裝備起步較晚, 國內自主研制的波浪補償系統鮮有百噸級產品[2,3]。在海工技術發達的部分歐美國家, 海洋鉆井平臺配套的波浪補償設備應用較普遍, 幾家公司具備成熟的產品配套能力[4]。

                          綜上, 為了確保操作人員和吊裝設備的安全性, 保證水下安裝的精準性, 減少因為天氣因素而帶來的作業停工期, 同時提升我國在該領域的技術水平, 很有必要開發一種大噸位主動升沉補償系統。

                          1、主動升沉補償系統方案設計

                          1.1、系統結構方案

                          升沉補償系統的基本結構有三類[5,6]:絞車收放型、液壓缸伸縮型、吊臂變幅型。絞車收放型升沉補償系統結構如圖1所示。浮吊本身就由絞車收放負載, 用該絞車進行波浪補償最方便。當船舶受波浪沖擊上升時, 絞車順時針旋轉, 放出鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時, 絞車逆時針旋轉, 收緊鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。

                        圖1 絞車收放型結構
                        圖1 絞車收放型結構

                          絞車收放型波浪補償系統的優點是不占用甲板空間、無須額外的波浪補償裝置、鋼絲繩的收放長度不受限制;缺點是絞車的轉動慣量大、絞車的功率需求大、大功率的艙內絞車威脅船載人員人身安全、被動補償功能較難實現、重物收放周期增加、絞車的壽命降低。

                          液壓缸伸縮型升沉補償系統結構如圖2所示。浮吊絞車僅負責收放負載, 液壓缸裝置負責波浪補償。當船舶受波浪沖擊上升時, 液壓缸裝置的下滑輪向上運動, 放出鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時, 液壓缸裝置的下滑輪向下運動, 收緊鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。

                        圖2 液壓缸伸縮型結構
                        圖2 液壓缸伸縮型結構

                          液壓缸伸縮型波浪補償系統的優點是易實現被動型波浪補償系統、波浪補償系統故障時不影響絞車工作、系統慣性小、補償系統功率小;缺點是占用甲板空間、鋼絲繩摩擦大。

                          吊臂變幅型升沉補償系統結構如圖3所示。浮吊絞車僅負責收放負載, 活動臂裝置負責波浪補償。當船舶受波浪沖擊上升時, 活動臂向下運動, 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時, 活動臂向上運動, 負載位置基本保持不變。

                        圖3 吊臂變幅型結構圖
                        圖3 吊臂變幅型結構圖

                          吊臂變幅型波浪補償系統的優點是波浪補償系統故障時不影響絞車工作、易于實現被動升沉補償;缺點是慣性大、補償裝置功率需求大、機構復雜。

                          升沉補償系統補償類型主要分為兩類:被動型和主動型。被動型升沉系統的優點是結構簡單, 無須外部能量輸入, 可靠性高。缺點是受結構摩擦、氣液轉換效率等因素影響, 補償效率一般在70%左右。主動型升沉補償系統的優點是控制精度高、可靠性強 (一旦主動補償裝置故障, 系統仍具有被動補償能力) 。這時, 系統的波浪補償精度由90%降到70%左右, 補償能力有約20%的損失, 系統的可靠性高。

                          從補償裝置復雜度、功率需求、鋼絲繩磨損、成本、甲板空間等因素綜合考慮, 本項目采用液壓缸伸縮型主動升沉補償系統。絞車承擔負載提升與下放, 補償系統負責升沉補償, 浮吊系統結構如圖4所示。

                        圖4 浮吊系統結構簡圖
                        圖4 浮吊系統結構簡圖

                          主動升沉補償系統安裝于船舶甲板上或船艙中, 主要包含液壓站、絞車、補償液壓缸等幾部分。

                          液壓站提供補償系統能源, 通過補償液壓缸的運動實現補償功能, 主鉤的收放由牽引絞車提供動力, 鋼絲繩儲存到儲纜絞車。補償液壓缸安裝于滑軌上, 通過傳感器采集船舶運動信號, 經控制器運算得到控制信號, 控制補償液壓缸的伸縮運動。

                          1.2、液壓系統方案

                          主動升沉補償液壓系統原理方案如圖5所示。

                        圖5 主動升沉補償液壓系統原理方案圖
                        圖5 主動升沉補償液壓系統原理方案圖

                          1油箱, 2主泵電動機, 3主泵, 4安全閥, 5主動補償比例閥, 6被動補償連通閥, 7被動補償開關閥, 8穩壓蓄能器, 9被動補償蓄能器充液閥, 10被動補償蓄能器, 11補償液壓缸

                          液壓系統主要由主泵、補償液壓缸、被動補償蓄能器、主動補償比例閥、氮氣瓶組等組成。其中補償液壓缸有三個工作油缸, 集成了一個柱塞缸與一個對稱液壓缸的功能, 分別實現被動補償和主動補償功能。

                          在被動補償工況下, 對稱缸兩腔連通, 柱塞缸油腔作用力直接作用于負載。在主動補償工況下, 對稱缸兩腔通過比例閥控制跟隨波浪的升沉運動, 柱塞缸油腔作用力抵消負載重量產生的載荷。

                          1.3、電氣系統方案

                          主動升沉補償電氣系統方案如圖6所示。

                        圖6 主動升沉補償電氣系統方案圖
                        圖6 主動升沉補償電氣系統方案圖

                          電氣系統主要由HC Controller (工控機) 、PLC (程序邏輯控制器) 、HNC100 (液壓伺服控制器) 、絞車電機變頻器、MRU (傳感器) 等組成。PLC提供整套系統的指令生成、運算與分發、交互接口, 是升沉補償系統的控制核心。HNC100是液壓系統控制核心, 負責液壓控制系統的算法實現并驅動控制比例閥, 同時完成與PLC的實時通信等任務。HC Controller負責系統運動控制和運動預測功能, 通過PLC執行。

                          2、主動升沉補償液壓系統工作原理設計

                          本研究采用的波浪補償液壓系統為主被動組合式系統, 應用閥控液壓缸原理, 具有系統響應快、精度高的特性, 并且采用三腔復合式補償液壓缸 (如圖5所示) , 結構更加緊湊。三腔復合式補償液壓缸中A、B腔為作用面積相等的主動補償控制腔, C腔為被動補償控制腔。主動補償控制腔與比例閥配合實現主動位置閉環控制, 同時被動補償控制腔與被動補償蓄能器配合平衡負載。當采用主動補償時, 由比例閥根據控制器指令信號實時控制液壓缸運動;當被動補償時, 將被動補償開關閥關閉, A、B腔連通, 通過被動補償蓄能器的液壓彈簧作用控制液壓缸運動。

                          根據主動升沉補償系統的結構特征分析兩種補償狀態的工作原理如下:

                          2.1、被動補償工作原理

                          工作前將被動補償蓄能器充氣壓力調整至與重物負載平衡, 打開被動補償連通閥將補償液壓缸A、B腔連通, C腔與被動補償蓄能器連通。當船舶隨波浪的作用而向上/下運動時, 由于A、B腔的作用面積與壓力均相等而相互抵消, 其補償作用全部由C腔及被動補償蓄能器組成的氣液彈簧承擔, 實現補償液壓缸缸桿的縮回/伸出。

                          2.2、主動補償工作原理

                          主動補償狀態下, 重物負載由C腔壓力平衡, 此時C腔與被動補償蓄能器連通。當浮吊本體在浪涌作用下上升時, 液壓伺服控制器采集MRU檢測到船舶運動信號經過控制算法計算后, 輸出控制信號控制比例閥工作在左位并實時調整閥口開度, 此時補償液壓缸A腔進入高壓油驅動液壓缸活塞桿左移, 實現上升過程的補償控制。當浮吊本體在浪涌作用下下降時, 液壓伺服控制器采集MRU檢測到船舶運動信號經過控制算法計算后, 輸出控制信號控制比例閥工作在右位并實時調整閥口開度, 此時補償液壓缸B腔進入高壓油驅動液壓缸活塞桿右移, 實現下降過程的補償控制。

                          本系統在升沉補償系統工作時, 被動補償與主動補償是同時工作的, 實現了高精度的位置閉環升沉補償控制, 同時又大幅降低系統能耗。

                          3、主動升沉補償系統工作模式設計

                          主動升沉補償系統的六種工作模式分別為:手動模式、常規模式、緩沖器模式、主動補償模式、張力模式、空鉤模式, 各個工作模式之間可以有條件平穩轉換。

                          手動模式用于調試、維修和為其他模式做準備工況。包括液壓缸的前進/后退、蓄能器充放液、液壓缸被動腔充液、液壓缸主動補償模式兩腔連通。常規模式用于無須補償工況, 系統作為常規絞車使用的場合。緩沖器模式針對被動補償工況, 減少起升過程中的周期性起伏沖擊。包括氮氣側壓力的精確調整 (匹配重物) 。主動補償模式針對重物起升但未到達海床的過程中, 減少隨機波浪起伏的沖擊。包括氮氣側壓力的精確調整 (匹配重物) , 比例閥對液壓缸精確控制。張力模式用于重物已經接近海床, 或者重物從海床吊起過程中, 為使重物能夠穩穩的放置/離開海床?浙^模式用于重物已經放到海床上, 需要解除吊鉤, 或者是準備從海床上掛上吊鉤。根據浮吊工作狀態的不同, 合理選擇與搭配上述六種工作模式, 完成預定工作, 實現最佳的工作效果。

                          4、結論

                          浮吊主動升沉補償系統是實現高精度海上吊裝作業的必要裝備, 本文針對浮吊主動升沉補償系統設計方案展開研究, 總體上確定了主動升沉補償系統的結構、液壓系統、電氣系統方案, 分析了該方案的工作原理與工作模式, 為產品開發提供了基礎。同時, 該方案具有一定的先進性, 為打破技術壁壘, 提升海工裝備國產化水平與性能提供一定的指導。

                          參考文獻
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                          [2]尹海兵, 劉冬一.復合型液壓缸在主動波浪補償系統中的應用[J].流體傳動與控制, 2015, (04) :36-38.
                          [3]蔡東偉, 劉榮華, 張作禮, 等.一種主動升沉波浪補償控制系統研究[J].船舶工程, 2012, (S2) :103-106.
                          [4]周亞輝, 徐小鵬, 彭俊威, 等.海洋吊機主動波浪補償技術及國產化建議[J].石油機械, 2016, (10) :80-83.
                          [5]Adamson J.E.Efficient heave motion compensation for cable-suspended systems[C]//Proceedings Underwater Intervention 2003 Conference, New Orleans, LA, 10-12 Feb, 2003:1-7.
                          [6]白玉, 胡永攀.海上并靠補給波浪補償技術發展趨勢[J].船舶與海洋工程, 2016, (05) :1-4.

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