CN100439200C - 基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统。采用定量泵，比例溢流阀，先导式溢流阀，小容积蓄能器和减压阀在驱动水下拖体拖曳电缆收放绞车的液压马达两腔建立恒定压差，等效于常规被动升沉补偿系统中具有无限大储气瓶容积，提高了升沉补偿精度；采用小容积蓄能器，压力传感器，深度传感器和控制器组成稳态工作点二级测控系统，在线测量计算获得被动升沉补偿系统稳态工作点，调节比例溢流阀压力，实现水下拖体被动升沉补偿。

Description

基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统

技术领域

本发明涉及机、电、液控制技术为特征的流体传动与控制领域，是一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿液压系统及控制方法。

背景技术

水面的船舶在波浪的不规则运动中将产生围绕其原始平衡位置的纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇、首摇六个自由度的摇荡运动。恶劣海况下，母船的剧烈运动带动处于拖曳状态的水下拖体的位置发生变化，拖体的拖曳电缆受到较大张力的反复冲击。拖体的大幅度非控运动和拖曳电缆张力的剧烈变化不仅影响拖体中传感器的正常工作，而且给水下拖体和拖曳电缆的安全造成很大威胁。

为消除母船升沉运动对水下拖体和拖曳电缆的影响，水下拖体收放装置上常装备升沉补偿系统，这些升沉补偿系统的分类从执行器划分，分为油缸升沉补偿，液压马达升沉补偿两类，从工作原理划分，其又分为被动升沉补偿和主动升沉补偿两类。所谓被动型，即母船在波浪作用下上升时，水下拖体将蓄能器的气体再度压缩储存能量，母船下沉时，蓄能器释放能量以补偿升沉，升沉补偿系统的能量来自母船的升沉运动，故几乎不消耗动力，因此被动升沉补偿方法目前运用最多。所谓主动型，即使用液压泵控制液压缸或者液压马达的运动以达到补偿的目的，补偿器依靠外部动力驱动。

目前，常规的被动升沉补偿系统采用的技术方案为：在其执行器——液压油缸或液压马达的高压腔出口处串联一个气液蓄能器，通过空气压缩机，储气瓶，气动阀组件控制蓄能器压力，实现升沉补偿功能，补偿的精度随着储气瓶体积的增大而提高。此种技术方案不仅结构复杂，体积庞大，并且储气瓶体积越大，补偿系统的自适应能力和鲁棒性越差，系统对初始稳态工作点的准确性要求越高，而在复杂多变的海洋环境中，直接精确测量稳态工作点非常困难。

发明内容

为克服背景技术中涉及的常规被动升沉补偿系统在实际应用中的不足，本发明的目的在于提供一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿液压系统及控制方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

供油系统中的第一单向阀的输出端分三路，第一路接比例溢流阀的进油口，第二路接减压阀的进油口，第三路经第一截止阀后又分为三路，第一路接压力传感器，第二路接蓄能器，第三路经第二截止阀接液压马达高压腔，液压马达低压腔分为两路，第一路接先导式溢流阀进油口，第二路经第二单向阀接减压阀的出油口；控制器的输出端接比例溢流阀自带放大器的输入端，控制器的输入端分两路，第一路接安装在水下拖体内的深度传感器的输出端，第二路接压力传感器的输出端；自带刹车的液压马达固定在收放绞车基座上，液压马达的输出轴通过花键与绞车连接，拖曳电缆一端固定在绞车上，一端与水下拖体相连。

本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：

(1)本发明采用一个比例溢流阀连接液压马达高压腔，一个先导式溢流阀连接液压马达低压腔，等效为背景技术中涉及的常规被动升沉补偿系统中蓄能器无限大储气瓶容积的情况，保证升沉补偿时液压马达两腔压差和输出扭矩保持不变，减小了水下拖体拖曳电缆张力的变化，提高了升沉补偿精度；

(2)本发明的控制单元主要包括液压阀、压力传感器、深度传感器和控制器，避免采用背景技术中涉及的常规被动升沉补偿系统采用的储气瓶，空气压缩机，气动阀组件等调节单元，节约成本，缩小占地空间，提高装船性。

(3)本发明采用小容积蓄能器，压力传感器，深度传感器和控制器组成稳态工作点二级测控系统。蓄能器，压力传感器和控制器在线测量计算获得稳态工作点近似值，深度传感器和控制器在线测量计算获得稳态工作点的准确值，从而准确设置比例溢流阀的控制值，有利于提高升沉补偿精度。

(4)本发明自带蓄能器充油、放油、补油装置，结构简单，实用。

附图说明

附图为本发明的液压系统原理图。

图中：1、吸油滤油器，2、电动机，3、定量泵，4、高压滤油器，5、安全阀，6、比例溢流阀，7、单向阀，8、减压阀，9、控制器，10、截止阀，11、单向阀，12、深度传感器，13、压力传感器，14、蓄能器，15、截止阀，16、液压马达，17、先导式溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图所示，本发明包括：供油系统中的第一单向阀7的输出端分三路，第一路接比例溢流阀6的进油口，第二路接减压阀8的进油口，第三路经第一截止阀10后又分为三路，第一路接压力传感器13，第二路接蓄能器14，第三路经第二截止阀15接液压马达16高压腔，液压马达16低压腔分为两路，第一路接先导式溢流阀17进油口，第二路经第二单向阀11接减压阀8的出油口；控制器9的输出端接比例溢流阀6自带放大器的输入端，控制器9的输入端分两路，第一路接安装在水下拖体内的深度传感器12的输出端，第二路接压力传感器13的输出端；自带刹车的液压马达16固定在收放绞车基座上，液压马达16的输出轴通过花键与绞车连接，拖曳电缆一端固定在绞车上，一端与水下拖体相连。

所述的供油系统包括吸油滤油器1，电动机2，定量泵3，高压滤油器4，安全阀5和第一单向阀7；第一单向阀7的输入端分二路，第一路接安全阀5的输入端，第二路经电动机2驱动的定量泵3、吸油滤油器1接油箱。

系统的工作原理如下：

(1)水下拖体拖曳电缆收放绞车将水下拖体释放到指定拖曳电缆长度后，液压马达16刹车，切换为拖曳状态。开启截止阀10，关闭截止阀15，设置安全阀5压力为28Mpa，设置比例溢流阀6为卸荷压力，启动电动机2，待定量泵3稳定工作后，调节比例溢流阀6压力至5Mpa，调节减压阀8、先导式溢流阀17压力为2Mpa。根据液压马达负载压力与海况、母船航速、拖曳电缆长度之间相互关系的经验公式，计算液压马达16两腔负载压差ΔP，设定比例溢流阀6压力P＝ΔP+2(Mpa)，蓄能器14开始充油，蓄能器14压力达到比例溢流阀6设定压力以后，充油完成。

(2)关闭截止阀10，开启截止阀15，开启液压马达16刹车，液压马达16开始往复运动。

(3)控制器9对压力传感器13输出进行A/D转换，以一定时间T1内(T1为母船升沉运动周期的整数倍)压力传感器13输出值作为蓄能器14压力变化的样本(p₁，p₂，...，p_n)_i(n为样本容量，i为样本编号，i＝1，2，3...)，样本之间的时间间隔为零。每个样本A/D转换结束后，在线计算每个样本的样本均值，当均值趋于稳定后，保存此样本均值，液压马达16刹车。

(4)开启截止阀10和截止阀15，将步骤(3)中保存的样本均值设定为比例溢流阀6的调定压力，开启液压马达16刹车，液压马达16开始往复运动，被动升沉补偿系统开始工作。

(5)控制器9对装在水下拖体内的深度传感器12输出进行A/D转换，以一定时间T2内(T2为母船升沉运动周期)深度传感器12输出值作为拖体深度变化的样本(d₁，d₂，...，d_n)_i(n为样本容量，i为样本编号，i＝1，2，3...)，样本之间的时间间隔为零。每个样本A/D转换结束后，在线对每个样本的所有数据进行一次直线拟合，当拟合直线斜率大于预先设定斜率范围的最大值，控制器9调大比例溢流阀6设定压力；当拟合直线斜率小于预先设定斜率范围的最小值，控制器9调小比例溢流阀6设定压力；当拟合直线斜率处于预先设定斜率范围内，比例溢流阀6设定压力不变。重复第(5)步，被动升沉补偿系统正常工作。

(6)关闭截止阀15，液压马达16刹车，停止被动升沉补偿系统，调低比例溢流阀6压力，蓄能器14放油。

本发明中采用的控制器9为可编程逻辑控制器PLC。

Claims (2)

1、一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统，其特征在于：供油系统中的第一单向阀(7)的输出端分三路，第一路接比例溢流阀(6)的进油口，第二路接减压阀(8)的进油口，第三路经第一截止阀(10)后又分为三路，第一路接压力传感器(13)，第二路接蓄能器(14)，第三路经第二截止阀(15)接液压马达(16)高压腔，液压马达(16)低压腔分为两路，第一路接先导式溢流阀(17)进油口，第二路经第二单向阀(11)接减压阀(8)的出油口；控制器(9)的输出端接比例溢流阀(6)自带放大器的输入端，控制器(9)的输入端分两路，第一路接安装在水下拖体内的深度传感器(12)的输出端，第二路接压力传感器(13)的输出端；自带刹车的液压马达(16)固定在收放绞车基座上，液压马达(16)的输出轴通过花键与绞车连接，拖曳电缆一端固定在绞车上，一端与水下拖体相连。

2、根据权利要求1所述的一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统，其特征在于：所述的供油系统包括吸油滤油器(1)，电动机(2)，定量泵(3)，高压滤油器(4)，安全阀(5)和第一单向阀(7)；第一单向阀(7)的输入端分二路，第一路接安全阀(5)的输入端，第二路经电动机(2)驱动的定量泵(3)、吸油滤油器(1)接油箱。

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