CN104314058A - 围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统及其控制方法，包括安全溢流阀，电磁比例换向阀，双液控单向阀，减压阀，节流阀，顺序阀，液压马达，液压缸，本发明分为机身平移回路，机身摆动回路，扫油臂伸缩回路，变幅油缸回路，围油栏浮筒马达回路，气嘴与浮筒顺序动作回路，分别控制溢油回收机器人机身本体平移，机身本体及机器人扫油臂摆动，扫油臂伸缩、俯仰，围油栏浮筒旋转，围油栏浮筒的抓握与充气动作。本发明能准确锁紧或定位液压缸或液压马达；液压系统中电液比例控制技术的应用实现了对液压元件的精确及自动化控制。

Description

围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人及配套设备的液压驱动系统及其控制方法，尤其涉及一种用于海面溢油回收围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统及其控制方法。

背景技术

随着海上油田开发和石油运输的发展，海上溢油事故的风险不断加剧。溢油事故一旦发生，常会造成巨大的经济损失和严重的生态灾难。因此，尽可能地对海面上的溢油进行回收清理对减小事故损失和影响有着重要意义。

海面溢油回收清理的重要手段之一是物理机械方法。不管是在近海水域还是开放水域，用专门的设备对海面溢油进行围控及回收是理想的溢油应急处理方法。要处理海面溢油，首先是用溢油回收船拖带围油栏进行对浮油的拦截和围控。其目的，一是能够防止溢油的再次扩散，二是将溢油集中起来以便于回收。然后，用溢油回收设备(溢油回收船、收油机、撇油器等)将围油栏所围控的溢油进行回收，再通过集油井到达储油舱中。

由于海面情况复杂，溢油回收设备的工作主要依靠液压系统驱动，这也是海工产品常用的驱动方式。机身本体的旋转、侧移，扫油臂的伸缩、俯仰，围油栏浮筒的布放与回收都是通过液压站提供压力油驱动液压缸或液压马达带动设备运转。因此，根据设备的运转特性，合理的设计液压系统是制造溢油回收设备的重点。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种气嘴对准的动作与浮筒抓握机构的动作有一个先后顺序，以保证两个动作实施的可靠性；且充排气过程中气嘴可自动定位的围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统，包括机身平移回路，机身摆动回路，扫油臂伸缩回路，变幅油缸回路，围油栏浮筒马达回路，气嘴与浮筒顺序动作回路；其特征在于，所述机身平移回路用于控制机器人机身本体整体向外侧移或缩回，其包括平移油缸，双单向节流阀，双液控单向阀，电磁比例换向阀；

所述机身摆动回路、扫油臂伸缩回路和变幅油缸回路共同构成机器人扫油臂动作控制回路；

所述控制回路主要包括机身摆动液压马达、变幅缸、伸缩缸、双单向节流阀、单向节流阀、双液控单向阀、电磁比例换向阀和安全阀；

所述围油栏浮筒马达回路用于控制围油栏浮筒旋转，其主要包括电磁比例换向阀，双液控单向阀，液压马达；

所述气嘴与浮筒顺序动作回路，用于控制浮筒的抓握与气嘴的扣紧，其包括电磁比例换向阀、双单向节流阀、顺序阀、通气架摆动油缸和挂钩油缸；

所述扫油臂动作控制回路和围油栏浮筒马达回路的电磁比例换向阀均为比例换向阀；

所述机身平移回路、机身摆动回路、扫油臂伸缩回路、变幅油缸回路和围油栏浮筒马达回路所用电磁比例换向阀均为Y型中位机能。

上述技术方案的围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统，其工作原理是,由电磁比例换向阀控制溢油回收机器人平移油缸，带动机器人机身本体侧移架，以实现整体的平移；

由电磁比例换向阀控制机身摆动液压马达，液压马达通过减速机带动外啮合齿轮减速对实现扫油臂的旋转运动；

由电磁比例换向阀控制的变幅缸实现扫油臂的俯仰；

由电磁比例换向阀控制的伸缩缸实现扫油臂的伸缩。

由电磁比例电磁比例换向阀控制围油栏浮筒液压马达，当扫油臂拖拽围油栏浮筒时，液压马达经过减速机带动围油栏浮筒同步旋转。

浮筒的抓握与气嘴的扣紧采用的是液压顺序回路，实现了气嘴的动作与浮筒抓握机构的动作有一个先后顺序。同时液压锁与Y型中位机能的电磁比例换向阀组合，确保液压锁能准确锁紧或定位液压缸或液压马达。液压系统中电液比例控制技术实现了对液压元件的精确控制。

上述技术方案直接带来的技术效果是，通过液压顺序回路，实现了气嘴的动作与浮筒抓握机构的动作有一个先后顺序，避免两者相互干涉碰撞；

其在现有技术的基础上，减少了一条液压回路的控制要求，并且液压顺序动作回路实现了充排气过程中气嘴的自动定位，节省了围油栏的展开及回收的时间，有利于自动化控制。

作为优选，上述围油栏浮筒马达为双向马达；上述气嘴与浮筒顺序动作回路顺序阀为单向顺序阀。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，围油栏浮筒马达采用双向马达，利于动作的换向，且可替代现有技术的两台单相马达，降低设备投资；气嘴与浮筒顺序动作回路顺序阀采用单向顺序阀即可满足正常的使用功能，进一步降低成本。

本发明的目的之二是，提供一种上述围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统的控制方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

扫油臂拖拽围油栏浮筒之前，扫油臂前端机械手上安装的通气架气嘴扣紧在浮筒充气口上，将浮筒抓握固定，围油栏展开的同时不断往里充气；

围油栏开始展开时，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，通气架摆动油缸活塞杆缩回，通气架前端气嘴上翘；此时达不到浮筒扣紧动作回路的顺序阀的开启压力，上部挂钩无动作；当通气架摆动油缸活塞杆缩回到顶端无法动作时，浮筒扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀的开启压力，压力油驱动此回路挂钩油缸活塞伸出，带动浮筒上部挂钩打开；

随后将电磁比例换向阀滑阀处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定；随后系统机身本体扫油臂转动俯仰至围油栏浮筒抓握位置；

当扫油臂就位后，将电磁比例换向阀滑阀处于下位，浮筒扣紧动作回路的挂钩油缸活塞杆缩回，带动上部挂钩抓握住围油栏浮筒将其固定；此时达不到气嘴扣紧动作回路的顺序阀的开启压力，气嘴无动作；

当挂钩油缸活塞杆缩回到顶端无法动作时，气嘴扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀的开启压力，压力油驱动此回路通气架摆动油缸活塞杆伸出，带动通气架上气嘴下压扣紧浮筒；

当溢油回收工作完成，围油栏回收到位后，又将电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，气嘴和上部挂钩依次松开浮筒，方便将浮筒回收；

当围油栏展开时，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，左路进油，平移液压缸活塞杆伸出，带动机身本体外移；同时电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，左路进油，机身摆动马达旋转，带动扫油臂向外转过一个角度；电磁比例换向阀滑阀处于上位，左路进油，扫油臂伸缩缸活塞杆伸出，带动扫油臂前端机械手伸出；此时，电磁比例换向阀滑阀处于上位，左路进油，变幅缸活塞杆伸出，带动扫油臂向下俯仰一个角度；在此过程中，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，气嘴与上部挂钩依次打开；随后将电磁比例换向阀滑阀处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定；

通过控制比例电磁比例换向阀阀口的开度，各油路中输出压力油的流量不同，控制机械手准确定位在围油栏浮筒位置；随后电磁比例换向阀滑阀处于中位，机身本体不再外移；

当电磁比例换向阀处于中位时，扫油臂动作停止；

再将电磁比例换向阀滑阀处于下位，首先挂钩油缸活塞杆缩回，带动机械手上挂钩将浮筒抓握固定，其次通气架摆动油缸活塞杆伸出，带动气嘴扣紧；随后电磁比例换向阀滑阀处于上位，电磁比例换向阀滑阀处于上位，带动机身摆动马达和围油栏浮筒马达同步旋转，扫油臂拖拽围油栏将其展开；同时通过气嘴向围油栏充气；

围油栏展开到位后，电磁比例换向阀滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动；

围油栏回收时，电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，机身摆动马达反向旋转，带动扫油臂向船体方向转过一个角度；同时电磁比例换向阀滑阀处于下位，围油栏浮筒马达反向旋转，缓缓将围油栏卷曲回收；

当围油栏回收到位后，电磁比例换向阀滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动；随后电磁比例换向阀滑阀处于上位；首先挂钩油缸活塞杆伸出，带动机械手上挂钩将浮筒松开，依次通气架摆动油缸活塞杆缩回，气嘴松开；之后电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，扫油臂伸缩缸活塞杆缩回，带动扫油臂前端机械手缩回；电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，变幅缸活塞杆缩回，带动扫油臂向上抬起一个角度；

扫油臂返回初始位置。

综上所述，本发明相对于现有技术，通过液压顺序回路技术手段的采用，实现了气嘴对准的动作与浮筒抓握机构的动作有一个先后顺序，避免两者相互干涉碰撞；

其在现有技术的基础上，减少了一条液压回路的控制要求，并且液压顺序动作回路实现了充排气过程中气嘴的自动定位，节省了围油栏的展开及回收的时间，有利于自动化控制；

其具有液压系统结构简单、合理，围油栏机器人及配套设备的工作过程中自动化程度高，围油栏充排气过程中气嘴可自动定位，围油栏的展开及回收的时间短等有益效果。

附图说明

图1为本发明的液压系统控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。

说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例，所有应用本发明相关技术或方法的，都在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统，分为机身平移回路，机身摆动回路，扫油臂伸缩回路，变幅油缸回路，围油栏浮筒马达回路，气嘴与浮筒顺序动作回路。

机身平移回路用于控制溢油回收机身本体整体向外侧移或缩回，其包括平移油缸1，双单向节流阀2，双液控单向阀3，电磁比例换向阀4。

电磁比例换向阀4滑阀处于中位时，液压缸在两个单向阀的作用下处于静止状态。当滑阀在上位机能时，左路进油，活塞杆伸出，机身本体向外侧移；

当滑阀在下位机能时，右路进油，活塞杆缩回，机身本体向里侧移。

机身摆动回路、扫油臂伸缩回路、变幅油缸回路共同构成了溢油回收船扫油臂动作液压控制回路。该控制回路主要包括机身摆动液压马达5，变幅缸11，伸缩缸10，双单向节流阀12，单向节流阀15，双液控单向阀8,13和16，电磁比例换向阀9,14和17，安全阀6和7。

伸缩缸10与机身本体相连，末端带有机械手的大型液压缸，其具有伸缩功能。当海上作业时，伸缩缸10将机械手伸出，可以准确地抓举浮筒，稳步地拖拽围油栏。

变幅缸11是两端分别于机身本体回转支架、扫油臂相铰接的液压缸，其具有俯仰功能。当伸缩缸10伸出时，变幅缸10负责调整扫油臂的上下俯仰角度，便于准确抓握围油栏的浮筒。

机身本体摆动液压马达5是双向柱塞式定量液压马达，可以正反旋转，其具有体积小，噪声低，效率高，运转稳定性好等一系列特点。

马达与二级行星减速机共同安装在机身本体回转支架上。其输出经过安装在下方的外啮合齿轮对传递到扫油臂，带动扫油臂在一个不大的角度范围内往复摆动。

双液控单向阀8,13和16也称为液压锁。当电磁比例换向阀9滑阀处于中位时，液压马达5在液压锁两个单向阀的作用下处于静止状态，变幅缸10和伸缩缸11也在液压锁单向阀的作用下处于静止状态；

当滑阀处于上位机能时，左路单向阀进油，同时控制油路把右路单向阀打开进行泄油；

当滑阀处于下位机能时，油路单向阀进油，同时控制油路把左路单向阀打开进行泄油。

液压锁与Y型中位机能的电磁比例换向阀组合，当电磁阀失电，滑阀处于中位机能时，其A、B两腔均通油箱，故液压锁的背压很低，以确保液压锁能准确锁紧或定位液压缸或液压马达。

围油栏浮筒液压马达18同样采用双向柱塞式定量液压马达，可以正反旋转；该双向柱塞式定量液压马达与二级行星减速机共同安装在围油栏浮筒内部。扫油臂拖拽围油栏浮筒时，围油栏浮筒同步旋转。

上述围油栏浮筒马达采用双向马达；气嘴与浮筒顺序动作回路顺序阀为单向顺序阀。

如图1所示，上述围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统的控制方法，其包括以下步骤：

扫油臂拖拽围油栏浮筒之前，需要将浮筒抓握固定。扫油臂前端机械手上安装的通气架气嘴扣紧在浮筒充气口上，围油栏展开的同时不断往里充气。

气嘴的扣紧、打开与浮筒的抓握采用的是顺序回路设计，包括电磁比例换向阀26，双单向节流阀25，顺序阀23和24，通气架摆动油缸21，挂钩油缸22。本发明的液压顺序回路工作原理：经过电磁比例换向阀26，系统油路被分成浮筒扣紧动作回路与气嘴扣紧动作回路，两条回路上各有一个液压单向顺序阀23及24。

围油栏开始展开时，电磁比例换向阀滑阀26处于上位机能，通气架摆动油缸21活塞杆缩回，通气架前端气嘴上翘。此时达不到浮筒扣紧动作回路的顺序阀24的开启压力，上部挂钩22无动作。当通气架摆动油缸21活塞杆缩回到顶端无法动作时，浮筒扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀24的开启压力，压力油驱动此回路挂钩油缸22活塞伸出，带动浮筒上部挂钩打开。随后将电磁比例换向阀26滑阀处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定。随后系统机身本体扫油臂转动俯仰至围油栏浮筒抓握位置。

当扫油臂就位后，将电磁比例换向阀26滑阀处于下位，浮筒扣紧动作回路的挂钩油缸22活塞杆缩回，带动上部挂钩3抓握住围油栏浮筒将其固定。此时达不到气嘴扣紧动作回路的顺序阀23的开启压力，气嘴无动作。当挂钩油缸22活塞杆缩回到顶端无法动作时，气嘴扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀23的开启压力，压力油驱动此回路通气架摆动油缸21活塞杆伸出，带动通气架上气嘴下压扣紧浮筒。

当溢油回收工作完成，围油栏回收到位后，又将电磁比例换向阀滑阀26处于上位机能，气嘴和上部挂钩依次松开浮筒，方便将浮筒回收。

当围油栏展开时，电磁比例换向阀4滑阀处于上位机能，左路进油，平移液压缸1活塞杆伸出，带动机身本体外移。同时电磁比例换向阀9滑阀处于上位机能，左路进油，机身摆动马达5旋转，带动扫油臂向外转过一个角度。电磁比例换向阀14滑阀处于上位，左路进油，扫油臂伸缩缸10活塞杆伸出，带动扫油臂前端机械手伸出。

此时，电磁比例换向阀17滑阀处于上位，左路进油，变幅缸11活塞杆伸出，带动扫油臂向下俯仰一个角度。

在此过程中，电磁比例换向阀滑阀26处于上位机能，气嘴与上部挂钩依次打开。随后将电磁比例换向阀滑阀17处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定。

通过控制比例电磁比例换向阀9,14和17阀口的开度，各油路中输出压力油的流量不同，控制机械手准确定在围油栏浮筒位置。

随后电磁比例换向阀4滑阀处于中位，机身本体不再外移。当电磁比例换向阀处于中位时，扫油臂动作停止。

再将电磁比例换向阀26滑阀处于下位，首先挂钩油缸22活塞杆缩回，带动机械手上挂钩将浮筒抓握固定，其次通气架摆动油缸21活塞杆伸出，带动气嘴扣紧。

随后电磁比例换向阀9滑阀处于上位，电磁比例换向阀20滑阀处于上位，带动机身摆动马达5和围油栏浮筒马达18同步旋转，扫油臂拖拽围油栏将其展开。同时通过气嘴向围油栏充气。

围油栏展开到位后，电磁比例换向阀9和20滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动。

围油栏回收时，电磁比例换向阀9滑阀处于下位，右路进油，机身摆动马达5反向旋转，带动扫油臂向船体方向转过一个角度。同时电磁比例换向阀20滑阀处于下位，围油栏浮筒马达18反向旋转，缓缓将围油栏卷曲回收。

当围油栏回收到位后，电磁比例换向阀9和20滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动。

随后电磁比例换向阀26滑阀处于上位。首先挂钩油缸22活塞杆伸出，带动机械手上挂钩将浮筒松开，依次通气架摆动油缸21活塞杆缩回，气嘴松开。

之后电磁比例换向阀14滑阀处于下位，右路进油，扫油臂伸缩缸10活塞杆缩回，带动扫油臂前端机械手缩回。电磁比例换向阀17滑阀处于下位，右路进油，变幅缸11活塞杆缩回，带动扫油臂向上抬起一个角度。

扫油臂返回初始位置。

Claims (3)

1.一种围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统，包括机身平移回路，机身摆动回路，扫油臂伸缩回路，变幅油缸回路，围油栏浮筒马达回路，气嘴与浮筒顺序动作回路；其特征在于，所述机身平移回路用于控制机器人机身本体整体向外侧移或缩回，其包括平移油缸，双单向节流阀，双液控单向阀，电磁比例换向阀；

所述机身摆动回路、扫油臂伸缩回路和变幅油缸回路共同构成机器人扫油臂动作控制回路；

所述控制回路主要包括机身摆动液压马达、变幅缸、伸缩缸、双单向节流阀、单向节流阀、双液控单向阀、电磁比例换向阀和安全阀；

所述围油栏浮筒马达回路用于控制围油栏浮筒旋转，其主要包括电磁比例换向阀，双液控单向阀，液压马达；

所述气嘴与浮筒顺序动作回路，用于控制浮筒的抓握与气嘴的扣紧，其包括电磁比例换向阀、双单向节流阀、顺序阀、通气架摆动油缸和挂钩油缸；

所述机身平移回路、机身摆动回路、扫油臂伸缩回路、变幅油缸回路和围油栏浮筒马达回路所用电磁比例换向阀均为Y型中位机能。

2.根据权利要求1所述的围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统，其特征在于，所述围油栏浮筒马达为双向马达；

所述气嘴与浮筒顺序动作回路顺序阀为单向顺序阀。

3.如权利要求1所述的围油栏布放机器人及其配套设备的液压系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

扫油臂拖拽围油栏浮筒之前，扫油臂前端机械手上安装的通气架气嘴扣紧在浮筒充气口上，将浮筒抓握固定，围油栏展开的同时不断往里充气；

围油栏开始展开时，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，通气架摆动油缸活塞杆缩回，通气架前端气嘴上翘；此时达不到浮筒扣紧动作回路的顺序阀的开启压力，上部挂钩无动作；当通气架摆动油缸活塞杆缩回到顶端无法动作时，浮筒扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀的开启压力，压力油驱动此回路挂钩油缸活塞伸出，带动浮筒上部挂钩打开；

随后将电磁比例换向阀滑阀处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定；随后系统机身本体扫油臂转动俯仰至围油栏浮筒抓握位置；

当扫油臂就位后，将电磁比例换向阀滑阀处于下位，浮筒扣紧动作回路的挂钩油缸活塞杆缩回，带动上部挂钩抓握住围油栏浮筒将其固定；此时达不到气嘴扣紧动作回路的顺序阀的开启压力，气嘴无动作；

当挂钩油缸活塞杆缩回到顶端无法动作时，气嘴扣紧动作回路的油压升高，达到顺序阀的开启压力，压力油驱动此回路通气架摆动油缸活塞杆伸出，带动通气架上气嘴下压扣紧浮筒；

当溢油回收工作完成，围油栏回收到位后，又将电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，气嘴和上部挂钩依次松开浮筒，方便将浮筒回收；

当围油栏展开时，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，左路进油，平移液压缸活塞杆伸出，带动机身本体外移；同时电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，左路进油，机身摆动马达旋转，带动扫油臂向外转过一个角度；电磁比例换向阀滑阀处于上位，左路进油，扫油臂伸缩缸活塞杆伸出，带动扫油臂前端机械手伸出；此时，电磁比例换向阀滑阀处于上位，左路进油，变幅缸活塞杆伸出，带动扫油臂向下俯仰一个角度；在此过程中，电磁比例换向阀滑阀处于上位机能，气嘴与上部挂钩依次打开；随后将电磁比例换向阀滑阀处于中位机能，气嘴及上部挂钩保持固定；

通过控制比例电磁比例换向阀阀口的开度，各油路中输出压力油的流量不同，控制机械手准确定在围油栏浮筒位置；随后电磁比例换向阀滑阀处于中位，机身本体不再外移；

当电磁比例换向阀处于中位时，扫油臂动作停止；

再将电磁比例换向阀滑阀处于下位，首先挂钩油缸活塞杆缩回，带动机械手上挂钩将浮筒抓握固定，其次通气架摆动油缸活塞杆伸出，带动气嘴扣紧；随后电磁比例换向阀滑阀处于上位，电磁比例换向阀滑阀处于上位，带动机身摆动马达和围油栏浮筒马达同步旋转，扫油臂拖拽围油栏将其展开；同时通过气嘴向围油栏充气；

围油栏展开到位后，电磁比例换向阀滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动；

围油栏回收时，电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，机身摆动马达反向旋转，带动扫油臂向船体方向转过一个角度；同时电磁比例换向阀滑阀处于下位，围油栏浮筒马达反向旋转，缓缓将围油栏卷曲回收；

当围油栏回收到位后，电磁比例换向阀滑阀处于中位，围油栏浮筒停止旋转，扫油臂固定不动；随后电磁比例换向阀滑阀处于上位；首先挂钩油缸活塞杆伸出，带动机械手上挂钩将浮筒松开，依次通气架摆动油缸活塞杆缩回，气嘴松开；之后电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，扫油臂伸缩缸活塞杆缩回，带动扫油臂前端机械手缩回；电磁比例换向阀滑阀处于下位，右路进油，变幅缸活塞杆缩回，带动扫油臂向上抬起一个角度；

扫油臂返回初始位置。