CN103922235B - 一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其包括主升降回路、刹车回路和恒张力控制回路；在主升降回路中采用三位四通电磁阀选择工作溢流阀，实现不同工况下系统背压值的切换，有效降低系统功耗；采用溢流阀控制恒张力控制回路背压，第四溢流阀的进口连接液控单向阀，液控单向阀由二位三通电磁阀控制，可实现恒张力回路不工作时与主升降回路有效隔离，同时保证恒张力回路投入工作时的快速性；并采用变量马达、变量泵组的驱动形式，通过改变变量液压马达变量机构的行程，即改变液压马达的排量，从而改变液压马达输出扭矩，同时变量泵组根据变量马达的液压功率需求对应改变输出功率，实现液压绞车输出能力的无级调节。
Description
技术领域
本发明涉及深水绞车液压驱动系统，具体的说是涉及一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统。
背景技术
随着我国海洋工程产业的发展，海洋资源开发已从浅海走向深海，甚至超深海，深海施工的难度也随之增大。深海施工过程中，船舶或海洋平台会随着风浪、洋流作不规则的摇荡、升沉运动，使得深水绞车下放安装作业时的负载始终处于变化状态。另外，深水绞车下放安装作业时，随着负载入水深度的变化，负载所受到的浮力会发生变化，吊放负载的缆绳自重也会发生变化，那么，如果绞车输出能力不变，缆绳中的张力会随着负载入水深度的变化而变化。由于上述原因，深水绞车下放安装作业时的负载始终处于变化状态，也即是缆绳中的张力始终处于变化状态，缆绳受到变化载荷的作用，容易产生疲劳断裂，而且缆绳中的张力也有可能超过最大负荷而被拉断。因此，有必要设计一种负载适应深水绞车波浪补偿液压驱动系统，使得深水绞车具有适应负载变化而保持缆绳张力恒定的能力，提高深水作业的安全性、平稳性。
目前，深水绞车缆绳恒张力控制采用的技术方案可以分为两类：一是采用液压油缸加蓄能器的方案，二是采用液压马达加溢流阀的方案。针对于液压油缸加蓄能器的方案，蓄能器压力与恒张力设定值有一定的对应关系，要想改变恒张力设定值就必须通过改变蓄能器的气体压力，而实际工程中蓄能器中的气体压力一般是事先整定好的，很难做到在线快速调整。针对于液压马达加溢流阀的方案，应用较多的是液压马达加普通溢流阀，溢流阀的开启压力只能靠工作人员手动调节，难于做到在线快速调整；中国专利CN102153027A公布了一种液压绞车无级调节恒张力装置，采用先导控制的比例溢流阀调节收绳侧压力，以达到在线快速调节恒张力设定值的目的，但是负载较小时通过比例溢流阀溢流的流量大，容易造成系统发热，且造成功率浪费。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，该系统具有可在线快速调整液压绞车的输出能力，且能够实现不同工况采用不同系统背压以降低系统功耗的优点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其特征在于：
该系统包括主升降回路、刹车回路和恒张力控制回路三部分；
所述主升降回路包括液压泵组主泵、电液伺服阀、三位四通电磁换向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、平衡阀、双向安全溢流阀、变量液压马达，液压泵组主泵的出口分别与电液伺服阀的进口和三位四通电磁换向阀的进口相连，电液伺服阀工作在左位时出口与变量液压马达的放绳侧相连，电液伺服阀工作在右位时出口通过平衡阀与变量液压马达的收绳侧相连，三位四通电磁换向阀工作在左位时出口与第一溢流阀相连，三位四通电磁换向阀工作在右位时出口与第二溢流阀相连，双向安全溢流阀连接在变量液压马达的两端，变量液压马达通过减速机构连接到液压绞车卷筒；
所述刹车回路包括液压泵组辅泵、第三溢流阀、第一二位三通电磁换向阀、液控二位三通换向阀、单向节流阀、液压制动器，液压泵组辅泵的出口分别与第三溢流阀、第一二位三通电磁换向阀进口相连，第一二位三通电磁换向阀的出口与液控二位三通换向阀的进口相连，液控二位三通换向阀的控制油口与主升降回路的收绳侧相连，液控二位三通换向阀的出口与单向节流阀的进口相连，单向节流阀的出口与液压制动器的进口相连；
所述恒张力控制回路包括上述变量液压马达、第二二位三通电磁换向阀、液控单向阀、第四溢流阀，液控单向阀连接在变量液压马达、第四溢流阀之间，液控单向阀的控制油口连接到第二二位三通电磁换向阀的出口；
所述第一溢流阀用于设定起升工况时主升降回路背压—卸荷压力p1；第二溢流阀用于设定降放工况时主升降回路背压—卸荷压力p2；第三溢流阀用于设定刹车回路背压—卸荷压力p3；且p1、p2、p3满足：p1>p2，p1>p3；
所述的第四溢流阀用于设定恒张力控制回路背压—卸荷压力p4，第四溢流阀的进口连接液控单向阀，液控单向阀由第二二位三通电磁换向阀控制。
在所述变量液压马达的进口处、出口处分别设置用于测量马达进口压力的第一压力传感器以及用于测量马达出口压力的第二压力传感器，利用第一压力传感器以及第二压力传感器得到变量液压马达两端压差Δpb；同时利用编码器测量变量液压马达的转速n，并结合变量液压马达的马达变量机构反馈的变量液压马达当前排量q0，得到变量液压马达的功率Pb＝Δpbnq0/60，当负载变化时，在保持压差Δpb基本不变的条件下，调节变量液压马达的马达变量机构行程进而改变变量液压马达的排量，从而实现液压马达输出扭矩的无级调节，同时，调节液压泵组主泵的变量机构的行程从而改变液压泵组主泵的排量，使得液压泵组主泵的输出功率为Pp＝Pb/(k1k2)，k1为液压泵组主泵到变量液压马达功率转化效率折算值，k2为保证驱动功率富余的增益系数，实现液压泵组主泵的输出功率与变量液压马达消耗功率的匹配控制。
一种具有负载适应能力的深水绞车液压驱动系统，其负载适应能力的具体实现途径为：
(a)在主升降回路中采用三位四通电磁换向阀选择工作溢流阀，可以实现不同工况下系统背压值的切换，使起升工况时系统背压为p1，降放工况时系统背压为p2，在起升工况、恒张力控制工况选用较高的背压值，在下降工况选用较低的背压值，有效降低系统功耗；
(b)采用第四溢流阀控制恒张力控制回路背压，第四溢流阀的进口连接液控单向阀，液控单向阀由第二二位三通电磁换向阀控制，可实现恒张力回路不工作时与主升降回路有效隔离，同时保证恒张力回路投入工作时的快速性；
(c)采用第一压力传感器、第二压力传感器测量马达进出口的压力，计算压差Δpb，采用编码器测量马达转速n，同时读取马达变量机构反馈的马达当前排量q0，可得到马达功率为Pb＝Δpbnq0/60，当负载变化时，改变变量液压马达变量机构的行程，改变液压马达的排量，从而实现液压马达输出扭矩的无级调节，同时保持压差Δpb基本不变；
(d)根据实时计算的马达功率Pb，调节液压泵组主泵变量机构的行程，改变液压泵的排量，使得液压泵的输出功率为Pp＝Pb/(k1k2)，k1为液压泵到液压马达功率转化效率折算值，k2为保证驱动功率富余的增益系数，k1、k2为经验数值，这样实现系统功率的有效利用，降低系统功耗、减轻系统发热。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
(1)在主升降回路中采用三位四通电磁阀选择工作溢流阀，可以实现不同工况下系统背压值的切换，在起升工况、恒张力控制工况选用较高的背压值，在下降工况选用较低的背压值，有效降低系统功耗；
(2)采用溢流阀控制恒张力控制回路背压，第四溢流阀的进口连接液控单向阀，液控单向阀由二位三通电磁阀控制，可实现恒张力回路不工作时与主升降回路有效隔离，同时保证恒张力回路投入工作时的快速性；
(3)根据负载的变化情况，采用变量马达、变量泵组的驱动形式，通过改变变量液压马达变量机构的行程，改变液压马达的排量，从而改变液压马达输出扭矩，而变量泵组根据变量马达的液压功率需求对应改变输出功率，可以实现液压绞车输出能力的无级调节，实现节能；
(4)根据负载的变化情况，对变量液压马达、液压泵组主泵变量机构进行联合控制，实现系统功率的有效利用，降低系统功耗、减轻系统发热。
附图说明
图1为本发明—一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统原理图。
图中：1、液压油箱，2、第一溢流阀，3第二溢流阀，4、冷却器，5、滤器，6第三溢流阀，7、三位四通电磁换向阀，8、电液伺服阀，9、液压泵组，9a、液压泵组主泵，9b、液压泵组辅泵，10、第一二位三通电磁换向阀，11、平衡阀，12、双向安全溢流阀，13、液控二位三通换向阀，14、单向节流阀，15、变量液压马达，16、液压制动器，17第四溢流阀，18、第二二位三通电磁换向阀，19、液控单向阀，20、第一压力传感器，21、第二压力传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
本发明设计了一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，该系统包括主升降回路、刹车回路和恒张力控制回路三部分；
如图1所示，所述主升降回路包括液压泵组主泵9a、电液伺服阀8、三位四通电磁换向阀7、第一溢流阀2、第二溢流阀3、平衡阀11、双向安全溢流阀12、变量液压马达15，液压泵组主泵9a的出口分别与电液伺服阀8和三位四通电磁换向阀7的进口相连，电液伺服阀8工作在左位时出口与变量液压马达15放绳侧相连，电液伺服阀8工作在右位时出口通过平衡阀11与变量液压马达15收绳侧相连，三位四通电磁换向阀7工作在左位时出口与第一溢流阀2相连，三位四通电磁换向阀工作在右位时出口与第二溢流阀3相连，双向安全溢流阀12连接在变量液压马达15两端，变量液压马达15通过减速机构连接到液压绞车卷筒；
所述刹车回路包括液压泵组辅泵9b、第三溢流阀6、第一二位三通电磁换向阀10、液控二位三通换向阀13、单向节流阀14、液压制动器16，液压泵组辅泵9b出口分别与第三溢流阀6、第一二位三通电磁换向阀10进口相连，第一二位三通电磁换向阀10出口与液控二位三通换向阀13进口相连，液控二位三通换向阀13控制油口与主升降回路收绳侧相连(连接点可位于平衡阀11与变量液压马达15之间)，液控二位三通换向阀13出口与单向节流阀14进口相连，单向节流阀14出口与液压制动器16进口相连；
所述恒张力控制回路包括变量液压马达15、第二二位三通电磁换向阀18、液控单向阀19、第四溢流阀17，液控单向阀19连接在变量液压马达15、第四溢流阀17之间，液控单向阀19控制油口连接到第二二位三通电磁换向阀18出口。
所述的液压泵组主泵9a采用伺服电机变量，液压泵组9的辅泵9b采用机械变量，两泵同轴，主动采用伺服电机变量是便于控制；而辅泵只是提供控制油压，不需要经常调整，只需要在系统初装调试时调好机械变量即可。
在所述变量液压马达15的进口处、出口处分别设置用于测量马达进口压力的第一压力传感器20以及用于测量马达出口压力的第二压力传感器21，利用第一压力传感器20以及第二压力传感器21得到变量液压马达15两端压差Δpb；同时利用编码器测量变量液压马达15的转速n，并结合变量液压马达15的马达变量机构反馈的变量液压马达15当前排量q0，得到变量液压马达15的功率Pb＝Δpbnq0/60，当负载变化时，在保持压差Δpb基本不变的条件下，调节变量液压马达15的马达变量机构行程进而改变变量液压马达15的排量，从而实现液压马达输出扭矩的无级调节，同时，调节液压泵组主泵9a的变量机构的行程从而改变液压泵组主泵9a的排量，使得液压泵组主泵9a的输出功率为Pp＝Pb/(k1k2)，k1为液压泵组主泵到变量液压马达功率转化效率折算值，k2为保证驱动功率富余的增益系数，实现液压泵组主泵9a的输出功率与变量液压马达15消耗功率的匹配控制。
所述的第四溢流阀17用于设定恒张力控制时的系统背压，液控单向阀19连接在变量液压马达15、第四溢流阀17之间，液控单向阀19由第二二位三通电磁换向阀18控制，可实现恒张力回路不工作时与主升降回路有效隔离，同时保证恒张力回路投入工作时的快速性。
所述第一溢流阀2卸荷压力设定p1，为起升工况时主升降回路背压；第二溢流阀3卸荷压力设定p2，为降放工况时主升降回路背压；第三溢流阀6卸荷压力设定p3，为刹车回路背压；第四溢流阀17卸荷压力设定p4，为恒张力控制回路背压；p1、p2、p3满足关系：p1>p2，p1>p3，其中p1、p2与系统内的负载大小及系统设计的起升、降放速度有关，p3与系统恒张力控制时缆绳中张力设定值有关。
同时为了要保证液压系统工作所需的控制温度和油液清洁度，添加了冷却器4及滤器5。
一种具有负载适应能力的深水绞车液压驱动系统，其负载适应能力的具体实现途径为：
(a)在主升降回路中采用三位四通电磁换向阀7选择工作溢流阀，可以实现不同工况下系统背压值的切换，使起升工况时系统背压为p1，降放工况时系统背压为p2，在起升工况、恒张力控制工况选用较高的背压值，在下降工况选用较低的背压值，有效降低系统功耗；
(b)采用第四溢流阀17控制恒张力控制回路背压，第四溢流阀17的进口连接液控单向阀19，液控单向阀19由第二二位三通电磁换向阀18控制，可实现恒张力回路不工作时与主升降回路有效隔离，同时保证恒张力回路投入工作时的快速性；
(c)采用第一压力传感器20、第二压力传感器21测量变量液压马达15进出口的压力，计算压差Δpb，采用编码器测量变量液压马达15转速n，同时读取变量液压马达15变量机构反馈的变量液压马达15当前排量q0，可得到变量液压马达15功率为Pb＝Δpbnq0/60，当负载变化时，改变变量液压马达15变量机构的行程，进而改变变量液压马达15的排量，从而实现变量液压马达15输出扭矩的无级调节，同时保持压差Δpb基本不变；
(d)根据实时计算的变量液压马达15功率Pb，调节液压泵组9的主泵9a的变量机构的行程，改变液压泵主泵9a的排量，使得液压泵主泵9a的输出功率为Pp＝Pb/(k1k2)，k1为液压泵到液压马达功率转化效率折算值，k2为保证驱动功率富余的增益系数，其中k1、k2为经验数值，的这样实现系统功率的有效利用，降低系统功耗、减轻系统发热。
系统的工作原理如下：
(1)水中恒张力控制：三位四通电磁换向阀7工作在左位，液压泵组9的主泵9a溢流压力由第一溢流阀2设定p1，第二二位三通电磁换向阀18通电，液控单向阀19开启，第四溢流阀17设定恒张力控制时的背压值p4，电液伺服阀8工作在右位最大开度，第一二位三通电磁换向阀10在上述阀动作后通电送入刹车油使刹车松开，液压泵组9的主泵9a处于大排量状态，向系统中供入大流量液压油，维持钢丝绳中恒张力的同时保持较快的补偿动作速度；
(2)起升工况：三位四通电磁换向阀7工作在左位，液压泵组9的主泵9a溢流压力由第一溢流阀2设定为p1，第二二位三通电磁换向阀18失电，液控单向阀19关闭，电液伺服阀8工作在右位，第一二位三通电磁换向阀10通电送入刹车油使刹车松开，主泵9a处于小排量状态向系统供入小流量高压液压油使重物上升，此时的流量需要保证驱动液压绞车以设定的最大起升速度提升重物，然后再通过电液伺服阀8的开度调节起升速度，使得起升速度可在零到设定的最大起升速度之间变化。从水中恒张力阶段向上升阶段过渡时，主泵9a的排量需要调节变小，在该部分完成后，才能切断第二二位三通电磁换向阀18，否则原动机会出现过载现象；
(3)降放工况：三位四通电磁换向阀7工作在右位，液压泵组9的主泵9a溢流压力由第二溢流阀3设定为p2，第二二位三通电磁换向阀18失电，液控单向阀19关闭，电液伺服阀8工作在左位，第一二位三通电磁换向阀10通电送入刹车油使刹车松开，主泵9a处于大排量状态向系统供入大流量低压液压油使重物下降，此时的流量需要保证驱动液压绞车以设定的最大降放速度降放重物，然后再通过电液伺服阀8的开度调节降放速度，使得降放速度可在零到设定的最大降放速度之间变化；
(4)不管从什么状态切换到停止状态，都需要使各个阀先断电，当卷筒几乎停止转动时，再使机械制动动作。为了防止刹车片的磨损，具体的时间调节，可以通过单向节流阀14的节流孔的大小调节；
(5)采用液压泵组9完成重物上升与下降过程中液压系统中压力与流量的调节，简化了原动机的配置；通过第四溢流阀17实现钢丝绳中恒张力的控制，恒张力控制时系统采用大流量以满足补偿速度变化要求；通过在线调节变量液压马达15变量机构的行程，即达到不改变收绳侧的压力，而是改变变量液压马达15的排量，实现液压绞车输出能力的无级调节，实现缆绳恒张力值的无级调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其特征在于：
该系统包括主升降回路、刹车回路和恒张力控制回路三部分；
所述主升降回路包括液压泵组主泵(9a)、电液伺服阀(8)、三位四通电磁换向阀(7)、第一溢流阀(2)、第二溢流阀(3)、平衡阀(11)、双向安全溢流阀(12)、变量液压马达(15)，液压泵组主泵(9a)的出口分别与电液伺服阀(8)的进口以及三位四通电磁换向阀(7)的进口相连，电液伺服阀(8)工作在左位时出口与变量液压马达(15)的放绳侧相连，电液伺服阀(8)工作在右位时出口通过平衡阀(11)与变量液压马达(15)的收绳侧相连，三位四通电磁换向阀(7)工作在左位时出口与第一溢流阀(2)相连，三位四通电磁换向阀(7)工作在右位时出口与第二溢流阀(3)相连，双向安全溢流阀(12)连接在变量液压马达(15)两端，变量液压马达(15)通过减速机构连接到液压绞车卷筒；
所述刹车回路包括液压泵组辅泵(9b)、第三溢流阀(6)、第一二位三通电磁换向阀(10)、液控二位三通换向阀(13)、单向节流阀(14)、液压制动器(16)，液压泵组辅泵(9b)的出口分别与第三溢流阀(6)进口、第一二位三通电磁换向阀(10)进口相连，第一二位三通电磁换向阀(10)的出口与液控二位三通换向阀(13)的进口相连，液控二位三通换向阀(13)的控制油口与主升降回路收绳侧相连，液控二位三通换向阀(13)的出口与单向节流阀(14)的进口相连，单向节流阀(14)的出口与液压制动器(16)的进口相连；
所述恒张力控制回路包括上述变量液压马达(15)、第二二位三通电磁换向阀(18)、液控单向阀(19)、第四溢流阀(17)，液控单向阀(19)连接在变量液压马达(15)、第四溢流阀(17)之间，液控单向阀(19)的控制油口连接到第二二位三通电磁换向阀(18)的出口。
2.根据权利要求1所述的具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其特征在于：第一溢流阀用于设定起升工况时主升降回路背压—卸荷压力p1；第二溢流阀用于设定降放工况时主升降回路背压—卸荷压力p2；第三溢流阀用于设定刹车回路背压—卸荷压力p3；且p1、p2、p3满足：p1>p2，p1>p3。
3.根据权利要求1所述的具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其特征在于：所述的第四溢流阀(17)用于设定恒张力控制回路背压—卸荷压力p4，第四溢流阀(17)的进口连接液控单向阀(19)，液控单向阀(19)由第二二位三通电磁换向阀(18)控制。
4.根据权利要求1所述的具有负载适应能力的深水绞车波浪补偿液压驱动系统，其特征在于：在所述变量液压马达(15)的进口处、出口处分别设置用于测量马达进口压力的第一压力传感器(20)以及用于测量马达出口压力的第二压力传感器(21)，利用第一压力传感器(20)以及第二压力传感器(21)得到变量液压马达(15)两端压差Δpb；同时利用编码器测量变量液压马达(15)的转速n，并结合变量液压马达(15)的马达变量机构反馈的变量液压马达(15)当前排量q0，得到变量液压马达(15)的功率Pb＝Δpbnq0/60，当负载变化时，在保持压差Δpb基本不变的条件下，调节变量液压马达(15)的马达变量机构行程进而改变变量液压马达(15)的排量，从而实现液压马达输出扭矩的无级调节，同时，调节液压泵组主泵(9a)的变量机构的行程从而改变液压泵组主泵(9a)的排量，使得液压泵组主泵(9a)的输出功率为Pp＝Pb/(k1k2)，k1为液压泵组主泵到变量液压马达功率转化效率折算值，k2为保证驱动功率富余的增益系数，实现液压泵组主泵(9a)的输出功率与变量液压马达(15)消耗功率的匹配控制。
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