CN101723257B - 一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统，由油箱、分别包括液压马达的用于重物吊放的起重油路和用于波浪补偿的补偿油路组成；起重油路和补偿油路中的液压马达通过减速器共同驱动起重机的绞车转动。系统具有如下特点：一是重物的吊放与波浪补偿互不干扰，在没有海浪的情况下，可以关闭补偿回路，此时整个系统功能与普通起重机相同，在海浪较大的情况下，打开补偿回路，可以进行有波浪补偿的吊装。二是波浪补偿精度高。三是系统柔性可调。四是系统安全可靠，两个油路均使用双向平衡阀的组合，防止重物滑车。

Description

一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统

技术领域

本发明属于船用起重机驱动系统，具体涉及一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统。

背景技术

船舶在海上航行或作业时，所消耗的物资必须在海上得到不间断的补给。但是在海上有风浪的情况下，海浪的起伏会引起补给船和被补给船的相对运动。在这种状况下，如果使用常规船用起重机进行海上补给，很容易造成货物在补给过程中撞击被补给船甲板，同时已经放到被补给船甲板的货物也可能因为被补给船下沉而出现再次悬空现象，这对海上补给的安全作业构成很大威胁。因此，研究新型的波浪补偿起重机，通过控制货物的运动补偿两船的相对运动，对提高海上补给装备的综合性能，实现海上安全补给具有重要意义。波浪补偿起重机需要使用液压系统作为驱动，而液压系统的动态特性对主动式波浪补偿起重机的整体性能具有重要影响。

对于大负载的液压系统，由于固有频率较低，阻尼较大，系统的动态特性较差，响应时间往往不能满足主动式波浪补偿的要求。本发明针对基于差动式行星轮绞车的主动式波浪补偿起重机，设计了它的液压系统。该系统充分发挥机电液控一体化的优势，采用不同的方式分别驱动重物的吊放和补偿运动，具有控制精准、结构简单、安全可靠等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制精准、结构简单、安全可靠的用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统。

实现本发明目的采用的技术方案是，用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统，由油箱、分别包括液压马达的用于重物吊放的起重油路和用于波浪补偿的补偿油路组成；起重油路和补偿油路中的液压马达共同驱动起重机的差动式行星轮绞车转动。

所述起重油路由包括依次连接的第一吸油过滤器、第一液压泵、第一单向阀、第一高压过滤器、电液比例阀、第一进油平衡阀、第一液压泵和第一出油平衡阀组成，在第一单向阀出口处分别安装有第一溢流阀、第一压力继电器和第一压力表，第一压力继电器控制第一电磁制动器作为绞车的制动元件。

所述补偿油路由包括依次连接的第二吸油过滤器、第二液压泵、第二单向阀、第二高压过滤器、电磁阀、电液伺服阀、第二进油平衡阀、第二液压泵、第二出油平衡阀组成，在第二单向阀的出口处分别连接有第二溢流阀、第二压力继电器、蓄能器和第二压力表，压力补偿器与电液伺服阀并联使用，第二压力继电器控制第二电磁制动器作为绞车的制动元件。

本发明系统中的起重油路采用电液比例控制，用于重物的吊放；补偿油路采用电液伺服控制，用于波浪补偿。系统具有如下特点：一是重物的吊放与波浪补偿互不干扰，在没有海浪的情况下，可以关闭补偿回路，此时整个系统功能与普通起重机相同，在海浪较大的情况下，打开补偿回路，可以进行有波浪补偿的吊装。二是波浪补偿精度高，将电液伺服阀与压力补偿器一起使用，避免负载的改变引起系统流量的改变。三是系统柔性可调，通过电手柄加电液比例阀，可以无级调节起重油路的流量。另外电液伺服阀的增益具有很大的调节范围，适于较多的海况条件。四是系统安全可靠，两个油路均使用双向平衡阀的组合，防止重物滑车，使用压力继电器和常闭式电磁制动器，使系统在没有工作时制动器处于闭合状态，保证系统安全。

附图说明

图1是本发明系统示意图。

图2是NGW差动式行星轮绞车示意图。

图3是电手柄加电液比例阀控制示意图。

图4是补偿油路电液伺服系统控制框图。

图5是压力补偿器与电液伺服阀联合使用原理图。

图6是双向平衡阀使用原理图。

图7是压力继电器与电磁制动器的连接形式。

具体实施方式

本发明的结构如图1所示，由油箱1、起重油路和补偿油路组成；起重油路由吸油过滤器2、液压泵4、单向阀5、溢流阀8、压力继电器7、压力表6、高压过滤器9、电液比例阀11、进出油平衡阀12、23和液压马达13等液压元件组成，各元件的连接按照油液的流动路线依次为：吸油过滤器2-液压泵4-单向阀5-高压过滤器9-电液比例阀11-进油平衡阀12-液压马达13-出油平衡阀23，溢流阀8、压力继电器7和压力表6分别安装在单向阀5出口处；所述补偿油路由吸油过滤器2′、液压泵4′、单向阀5′、溢流阀8′、压力继电器7′、蓄能器19、压力表6′、高压过滤器9′、电磁阀20、电液伺服阀22、压力补偿器21、进出油平衡阀12′、23′、液压马达13′和传感器18等元件组成，各元件的连接按照油液的流动路线依次为：吸油过滤器2′-液压泵4′-单向阀5′-高压过滤器9′-电磁阀20-电液伺服阀22-进油平衡阀12′-液压马达13′-出油平衡阀23′，溢流阀8′、压力继电器7′、蓄能器19和压力表6′分别连接在单向阀5′的出口处，压力补偿器21与电液伺服阀22并联使用，在电液伺服阀的两个出口之间连接有梭阀24；起重油路和补偿油路中的液压马达13、13′共同驱动起重机的差动式行星轮绞车15转动；压力继电器7，7′分别控制电磁制动器14，14′作为绞车15的制动元件。

由电动机3驱动双联的液压泵4、4′分别为起重和补偿两个液压油路供油，这样就保证了两个油路的流量不会彼此影响。起重油路采用电液比例控制，主要功能是控制重物16吊放的速度，即重物16与接收船甲板17的相对速度，控制方式为电手柄10加电液比例阀11。补偿油路采用电液伺服系统，主要功能为控制波浪补偿，使重物16跟随甲板17运动。两个液压马达13、13′的运动通过NGW差动式行星齿轮绞车合成为重物16的运动。

在起重油路中，吸油过滤器2用来过滤油液，保护液压泵4。液压泵4为整个油路提供能源和动力。单向阀5用来防止油液倒流，保护液压泵4不受损坏。溢流阀8限定了系统的最高压力，起到了一定的安全保护作用。压力表6用来显示系统的工作压力。电液比例阀11接收电手柄10给定的电压信号并产生一定大小的开口，用来控制系统流量和液压马达13的转动。电液比例阀11采用局部位置反馈，可使定位更精确。

在补偿油路中，吸油过滤器2′、液压泵4′、单向阀5′、溢流阀8′、压力表6′等元件的作用与起重油路相同，蓄能器19用来吸收和释放能量，保证系统稳定。补偿油路采用带反馈的电液伺服控制，由设置在甲板17上的传感器18测量船舶甲板17的速度信号，由设置在液压马达13，13′输出轴上的旋转编码器25，25′测量并通过计算得到重物16的速度信号，计算二者之间的偏差，然后将偏差信号通过伺服放大器输入电液伺服阀22，控制伺服阀的开口大小和方向，最终控制重物16完成波浪补偿运动。伺服放大器的增益连续可调，因此该液压系统可适合于各种海况条件。电液伺服阀22与压力补偿器21联合使用，使电液伺服阀22进出口压差恒定，系统流量不受负载变化的影响。电磁阀20是二位四通阀，当在左位时系统处于卸荷状态，液压马达13′没有动作；在右位时系统处于工作状态，波浪补偿开启。

下面结合附图详细说明本发明：

1)液压马达转速的计算方法

NGW差动式行星轮绞车如图2所示，包括太阳轮a、内齿圈b，行星轮g、行星架H。NGW差动式行星轮为双输入单输出的机构，它的输入为中心轮轴25和内齿圈轴26，分别连接起重液压马达和补偿液压马达；输出为行星架H，连接绞车15的卷筒，通过绳索直接控制重物的运动。

设基本构件的齿数分别为z_a、z_b和z_H，转速分别为z_a、z_b和n_H，定轴轮系部分传动比为u₀，则满足如下关系式：

$i_{\mathrm{ab}}^H=\frac{n_a-n_H}{n_b-n_H}=-\frac{z_b}{z_a}=-u_0$

那么

$n_H=\frac{1}{1+u_0}{n}_a-\frac{u_0}{1+u_0}{n}_b$

假设卷筒直径为d，

$v_C=\frac{\mathrm{\πd}}{60}{n}_H$

要实现波浪补偿功能，需使重物与接收船甲板之间的相对速度与两船的运动速度无关。通过控制器调节补偿马达的转速，使：

$n_b=\frac{60(1+u_0)}{\mathrm{\π}{\mathrm{du}}_0}(v_A-v_B)$

那么重物与接收船甲板的相对速度：

$v_{\mathrm{BM}}=v_A+\frac{\mathrm{\πd}}{60(1+u_0)}{n}_a-\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{du}}_0}{60(1+u_0)}{n}_B-v_B=\frac{\mathrm{\πd}}{60(1+u_0)}{n}_a$

与两船的运动速度无关，即实现了波浪补偿。通过以上两个式子可以得到两个液压马达转动速度的计算方法。

起重液压马达：首先明确希望的重物与接收船甲板的相对速度(即吊放速度)，然后根据如下公式计算：

$n_a=\frac{60(1+u_0)}{\mathrm{\πd}}{v}_{\mathrm{BM}}$

补偿液压马达：首先通过传感器检测到两船各自的运动速度，然后通过以下公式计算：

$n_b=\frac{60(1+u_0)}{\mathrm{\π}{\mathrm{du}}_0}(v_A-v_B)$

2)电手柄加电液比例阀控制起重油路

起重油路采用电手柄加电液比例阀的控制方式，通过人工操作来控制重物的吊放速度，控制原理如图3所示。电手柄实际上是由机械操纵杆和旋转电位计两部分组成的，在图中用滑动变阻器L代替。当操纵电手柄时，电位计的阻值发生改变，则其输出电压也响应改变。输出电压信号通过比例放大器进入电液比例阀，控制阀口的开口大小，进而控制系统流量。为了使阀口定位更为准确，比例阀与比例放大器之间增加位置反馈，这样操纵更为精准。

电手柄加比例阀的控制方法与传动的先导阀式控制方法相比具有以下优点：结构简单，不需要复杂的先导阀和响应的油路，只需要电手柄即可；操作精准，采用位置负反馈，能够精确确定阀口的位置；维修保养方便。

3)补偿油路电液伺服控制

补偿油路的控制框图见图4，系统的传感器检测到船舶运动的姿态，将该信号传输到伺服放大器，并且与经速度传感器反馈来的重物的速度信号进行比较，计算偏差，根据偏差的大小输出一定的电信号。此信号进入电液伺服阀后控制电液伺服阀产生一定大小的开口量，进而控制系统的流量和液压马达的转速。

4)压力补偿器与电液伺服阀联合使用方式

主动式波浪补偿起重机的负载经常变化，而且变化范围较大。假设C_d为流量系数，W为滑阀的面积梯度，K_xv为伺服阀的增益，i为线圈输入电流，p_s为伺服阀的供油压力，p_L为伺服阀的负载压力。

根据电液伺服阀的流量计算公式：

$q_L=C_d{\mathrm{WK}}_{\mathrm{xv}}i\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\ρ}}(p_s-p_L)}$

可知，当系统的负载压力发生变化时，在输入电流不变的情况下，系统的流量也会发生变化，因此系统控制的精确性不高。为了保证波浪补偿的控制精度，将电液伺服阀22与压力补偿器21联合使用，如图5所示。图中A和B为电液伺服阀22的两个出口，它们分别连接梭阀24的两端。P为电液伺服阀22进油口，T为回油口。梭阀24的作用是将A和B中压力较大的(p_L)作为控制油导入液控减压阀。这样就保证了P口压力与控制油的压力p_s-p_L为恒定值。这样，系统的流量就不受到负载变化的影响，使控制更为精确。

5)系统的安全保护

对主动式波浪补偿起重机这种复杂海况下的起重设备，安全保护是非常重要的。为此，本发明通过以下两处设计，保证了系统的安全性。一是在起重油路和补偿油路液压马达的两端均安装双向平衡阀组，二是通过压力继电器加常闭式电磁制动器来制动。

以起重油路为例，图6所示为双向平衡阀组使用原理图。这种使用方式可以防止重物过载或系统失压情况下的滑车现象。其工作原理是：当重物过载或系统失压时，重物会带动液压马达13转动，此时液压马达13类似于泵的工作状态，其一端有压力而另一端压力为零。对于压力为零的一端，进出油平衡阀12、23阀口在弹簧力作用下关闭，滑车现象停止。

为了使绞车在不工作状态下及时刹车，本发明设计了由压力继电器7，7′分别控制的电磁制动器14，14′作为制动元件，它们的连接方式(以起重油路为例)见附图7。压力继电器7，7′本质上是一个开关，当系统中没有压力时，开关断开；当系统压力达到压力继电器7，7’的设定值，开关闭合。将压力继电器7，7′作为开关分别与常闭电磁制动器14，14′联合使用，可以保证制动器在系统不工作或者工作在卸荷状态时制动器始终处于制动状态，只有当系统压力到达一定值时制动器才打开，行星轮绞车才能开始转动。这种方式与传统的液压制动器制动性能毫不逊色，而且更加便于安装与维修。

综上所述，本发明针对基于NGW差动式行星轮绞车的主动式波浪补偿系统设计了其液压系统，可用于重物吊放与波浪补偿控制，具有结构简单、补偿精准、安全可靠等优点。

Claims (1)

1.一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统，其特征在于由油箱、分别包括液压马达的用于重物吊放的起重油路和用于波浪补偿的补偿油路组成；起重油路和补偿油路中的液压马达通过减速器共同驱动起重机的绞车转动；

所述起重油路由包括依次连接的第一吸油过滤器、第一液压泵、第一单向阀、第一高压过滤器、电液比例阀、第一进油平衡阀、第一液压泵和第一出油平衡阀组成；所述电液比例阀的一个出口与第一进油平衡阀连接，另一个出口与第一出油平衡阀连接；在第一单向阀出口处分别安装有第一溢流阀、第一压力继电器和第一压力表，第一压力继电器控制第一电磁制动器作为绞车的制动元件；

所述补偿油路由包括依次连接的第二吸油过滤器、第二液压泵、第二单向阀、第二高压过滤器、电磁阀、电液伺服阀、第二进油平衡阀、第二液压泵、第二出油平衡阀组成；所述电液伺服阀的一个出口与第二进油平衡阀连接，另一个出口与第二出油平衡阀连接；在电液伺服阀的两个出口之间连接有梭阀；在第二单向阀的出口处分别连接有第二溢流阀、第二压力继电器、蓄能器和第二压力表，压力补偿器与电液伺服阀并联使用，第二压力继电器控制第二电磁制动器作为绞车的制动元件。

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