CN104828721A - 自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法 - Google Patents

自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法，属于工程机械领域。一种自平衡补偿系统，包括吊机油缸、姿态采集系统和油缸补偿系统；其中，姿态采集系统由倾角传感器和控制器组成，倾角传感器用于测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，控制器用于实时采集倾角传感器所测的倾角信号并将该倾角信号处理成控制信号输出给油缸补偿系统；油缸补偿系统包括第一储能器、第二储能器、比例换向阀、液控单向阀、单向节流阀、单向平衡阀、液压泵和单向阀，其中，比例换向阀根据接收到的控制信号通过左、右位换向控制吊机油缸伸展或是收缩，保证起重机在高海况条件下能够正常工作。本系统能够实现船用起重机在4-6级海况时的安全工作。

Description

自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法。
背景技术
船用起重机是在海上环境中执行运输作业的一种特殊起重机，主要用于舰船间货物的运输转移、海上补给、水下作业设备的投放与回收等重要任务。海上特殊的应用环境给船用起重机的控制带来了很大的挑战性。
传统船用起重机的工作海况一般为3级及以下，当船体横摇运动超过12°，纵摇超过6°时，起重机的能力将大大降低而被限制使用，且不能保证操作人员的安全。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种自平衡补偿系统、船用起重机及其控制方法，该系统能够实现船用起重机在4-6级海况时的安全工作。
本发明的目的是这样实现的：
一种自平衡补偿系统，包括吊机油缸，其特征在于，还包括姿态采集系统和油缸补偿系统，其中，所述姿态采集系统由倾角传感器和控制器组成，所述倾角传感器用于测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，所述控制器用于实时采集倾角传感器所测的倾角信号并将该倾角信号处理成控制信号输出给油缸补偿系统；所述油缸补偿系统包括第一储能器、第二储能器、比例换向阀、液控单向阀、单向节流阀、单向平衡阀、液压泵和单向阀；所述比例换向阀的控制端接控制器的信号输出端，比例换向阀的进油口分别接液压泵的排油口和第一储能器，比例换向阀的第一工作口经液控单向阀后接吊机油缸的小腔，比例换向阀的第二工作口经单向平衡阀后接吊机油缸的大腔，所述液控单向阀还和单向平衡阀相通，所述吊机油缸的小腔还经单向阀后接比例换向阀的回油口，所述吊机油缸的大腔还依次经单向节流阀和第二储能器后接比例换向阀的回油口。
进一步地，所述油缸补偿系统还包括背压阀，所述背压阀接比例换向阀的回油口。
进一步地，所述油缸补偿系统还包括三个安全阀和三个压力表；其中，第一安全阀和第一压力表分别接吊机油缸的小腔，第二安全阀接在第二储能器和比例换向阀的回油口之间，第二压力表接在第二储能器和单向节流阀之间，第三安全阀和第三压力表分别接第一储能器。
进一步地，所述液压泵为变量泵。
另一方面，本发明还提出一种船用起重机，包括起重直臂、吊机油缸和液压泵，其特征在于，还包括分别与起重直臂、吊机油缸和液压泵相连的权利要求1-4中任一项所述的自平衡补偿系统。
又一方面，本发明还提出一种自平衡补偿系统的控制方法，包括如下步骤，倾角测量步骤，倾角传感器测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，并将该倾角信号传输给控制器；信号处理步骤，控制器实时采集倾角传感器的倾角信号，并在该倾角信号大于设定值时，将其转换成控制信号传输给比例换向阀以驱动比例换向阀工作；油缸调节步骤，比例换向阀根据接收到的控制信号，通过左、右位换向控制吊机油缸伸出或是缩回，使起重直臂保持在可安全工作的范围内。
其中，所述油缸调节步骤进一步为，当控制信号表示起重直臂相对于水平面向上倾斜时，比例换向阀接通第一工作口，液压泵向吊机油缸的小腔补油迫使吊机油缸收缩，将吊机油缸的大腔中的多余高压液压油挤出并储存在第二蓄能器中，直到控制器采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀恢复中位；当控制信号表示起重直臂相对于水平面向下倾斜时，比例换向阀接通第二工作口，液压泵向吊机油缸的大腔补油，同时第二蓄能器配合液压泵迅速将储存的高压液压油补偿至油缸的大腔中，迫使吊机油缸伸展，直到控制器采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀恢复中位。
本发明的有益效果为：
1.本系统适用于船用起重机，使船用起重机拥有高海况起重作业的能力。
2.采集起重直臂的倾角信号作为控制吊机油缸伸出与缩回的依据，从而保证起重机在高海况条件下能够正常工作，保证操作人员安全。
3.油缸补偿系统采用两个蓄能器完成主动补油与被动蓄能的交替工作，一方面大大减少了系统压力波动，另一方面保证液压系统在高海况条件下工作稳定。
4.本系统可通过对原有船用起重机的液压系统的改造获得，改造内容少，成本低。
附图说明
图1为本发明自平衡补偿系统的原理图。
图2为本发明自平衡补偿系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种自平衡补偿系统，包括吊机油缸3和液压泵4，液压泵4可以选用变量泵，还包括姿态采集系统1和油缸补偿系统2。
其中，姿态采集系统1具体由倾角传感器101和控制器102组成，倾角传感器101用于测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，控制器102用于实时采集倾角传感器101所测的倾角信号并将该倾角信号处理成控制信号输出给油缸补偿系统2。
油缸补偿系统2包括第一储能器201、第二储能器202、比例换向阀203、液控单向阀204、单向节流阀205、单向平衡阀206和单向阀207。其中，比例换向阀203的控制端接控制器102的信号输出端，比例换向阀203的进油口分别接液压泵4的排油口和第一储能器201，比例换向阀203的第一工作口经液控单向阀204后接吊机油缸3的小腔，比例换向阀203的第二工作口经单向平衡阀206后接吊机油缸3的大腔，液控单向阀204还和单向平衡阀206相通，吊机油缸3的小腔还经单向阀207后接比例换向阀203的回油口，吊机油缸3的大腔还依次经单向节流阀205和第二储能器202后接比例换向阀203的回油口。这里，比例换向阀203具体采用三位四通换向阀。
本系统根据控制器102发出的控制信号，通过比例换向阀203的左、右位换向控制吊机油缸3伸展或是收缩，从而保证起重机在高海况条件下能够正常工作。本系统中引入第一储能器201和第二储能器202以缓冲系统冲击与吊机油缸3的运动惯性。其中，第一储能器201用于吸收比例换向阀203中位时管路突然关闭造成的液压冲击，以及吸收液压泵4的压力脉动。而第二储能器202具有两个作用，第一个作用是用于吸收主动补偿起重直臂下倾过程中产生的过剩能量，即在吊机油缸3收缩过程中，储存吊机油缸3的大腔中被挤出的多余高压液压油；第二个作用是用于在起重直臂上倾过程中为吊机油缸3的大腔补油，缓冲系统压力，降低补偿功率。
油缸补偿系统2还包括背压阀208，该背压阀208接比例换向阀203的回油口，保证系统管路中保持一定的液压油，防止管路放空。
油缸补偿系统2还包括三个安全阀和三个压力表。其中，第一安全阀209和第一压力表210分别接吊机油缸3的小腔，用于保证吊机油缸3的小腔进油压力不超过第一安全阀209的设定值，将吊机油缸3的大腔与起重重物之间的动态平衡压力调整在第一安全阀209的设定值之内，保证补偿状态稳定。第二安全阀211接在第二储能器202和比例换向阀203的回油口之间，第二压力表212接在第二储能器202和单向节流阀205之间，用于保证第二储能器202的最高工作压力不超过第二安全阀211的设定值，当本系统受外界突发状况(如涌浪)影响或者超过补偿能力时起到保护整套液压系统的作用。第三安全阀213和第三压力表214分别接第一储能器201，用于保证变量泵出口油压在系统安全范围之内。
前述自平衡补偿系统中的倾角传感器101安装在船用起重机的起重直臂上，油缸补偿系统2与船用起重机的吊机油缸3和液压泵4相连。通过倾角传感器101测量起重直臂相对于水平面的倾角，接着控制器102对倾角传感器101的倾角信号与设定值比较后，向油缸补偿系统2发送控制信号，最终通过油缸补偿系统2中的比例换向阀203左、右位换向控制吊机油缸3伸展或是收缩，使起重直臂保持在可安全工作范围内。
如图2所示，一种自平衡补偿系统的控制方法，该方法包括如下步骤：倾角测量步骤S1，倾角传感器101测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，并将该倾角信号传输给控制器102；信号处理步骤S2，控制器102实时采集倾角传感器101的倾角信号，并在该倾角信号大于设定值时，将其转换成控制信号传输给比例换向阀203以驱动比例换向阀203工作；油缸调节步骤S3，比例换向阀203根据接收到的控制信号，通过左、右位换向控制吊机油缸3伸出或是缩回，使起重直臂保持在可安全工作的范围内。
其中，油缸调节步骤S3具体分为两种情况：
当控制信号表示起重直臂相对于水平面向上倾斜时，需要将起重直臂往下拉，即吊机油缸3收缩。此时，控制信号指令比例换向阀203接通第一工作口，液压泵4向吊机油缸3的小腔补油迫使吊机油缸3收缩，将吊机油缸3的大腔中的多余高压液压油挤出并储存在第二蓄能器中，直到控制器102采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀203恢复中位。
当控制信号表示起重直臂相对于水平面向下倾斜时，需要将起重直臂往上推，即吊机油缸3伸展。此时，控制信号指令比例换向阀203接通第二工作口，液压泵4向吊机油缸3的大腔补油，同时第二蓄能器配合液压泵4迅速将储存的高压液压油补偿至油缸的大腔中，迫使吊机油缸3伸展，直到控制器102采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀203恢复中位。
本发明还提出了一种船用起重机，包括起重直臂、吊机油缸3和液压泵4，还包括分别与起重直臂、吊机油缸3和液压泵4相连的补偿系统，其中补偿系统为前述所提出的自平衡补偿系统。
船用起重机具体使用时，如果将其安装在船体右舷，船体左倾需要吊机油缸收缩，此时，比例换向阀接通第一工作口，向吊机油缸的小腔中补油产生压力驱使吊机油缸收缩，而吊机油缸的大腔中被挤出的多余高压液压油在被储存在第二储能器中；完成蓄能的自平衡补偿系统在船体右倾需要释放能量时，可以配合液压泵迅速将第二储能器中的高压液压油返回油缸大腔，完成整个补偿动作。船用起重机通过采用自平衡补偿系统大大减少了液压系统的压力波动，保证了船用起重机的液压系统在主动补油与被动蓄能交替工作条件下的稳定状态。

Claims (7)

1.一种自平衡补偿系统，包括吊机油缸(3)和液压泵(4)，其特征在于，还包括姿态采集系统(1)和油缸补偿系统(2)，其中，
所述姿态采集系统(1)由倾角传感器(101)和控制器(102)组成，所述倾角传感器(101)用于测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，所述控制器(102)用于实时采集倾角传感器(101)所测的倾角信号并将该倾角信号处理成控制信号输出给油缸补偿系统(2)；
所述油缸补偿系统(2)包括第一储能器(201)、第二储能器(202)、比例换向阀(203)、液控单向阀(204)、单向节流阀(205)、单向平衡阀(206)和单向阀(207)；
所述比例换向阀(203)的控制端接控制器(102)的信号输出端，比例换向阀(203)的进油口分别接液压泵(4)的排油口和第一储能器(201)，比例换向阀(203)的第一工作口经液控单向阀(204)后接吊机油缸(3)的小腔，比例换向阀(203)的第二工作口经单向平衡阀(206)后接吊机油缸(3)的大腔，所述液控单向阀(204)还和单向平衡阀(206)相通，所述吊机油缸(3)的小腔还经单向阀(207)后接比例换向阀(203)的回油口，所述吊机油缸(3)的大腔还依次经单向节流阀(205)和第二储能器(202)后接比例换向阀(203)的回油口。
2.根据权利要求1所述的自平衡补偿系统，其特征在于，所述油缸补偿系统(2)还包括背压阀(208)，所述背压阀(208)接比例换向阀(203)的回油口。
3.根据权利要求2所述的自平衡补偿系统，其特征在于，所述油缸补偿系统(2)还包括三个安全阀和三个压力表；其中，第一安全阀(209)和第一压力表(210)分别接吊机油缸(3)的小腔，第二安全阀(211)接在第二储能器(202)和比例换向阀(203)的回油口之间，第二压力表(212)接在第二储能器(202)和单向节流阀(205)之间，第三安全阀(213)和第三压力表(214)分别接第一储能器(201)。
4.根据权利要求3所述的自平衡补偿系统，其特征在于，所述液压泵(4)为变量泵。
5.一种船用起重机，包括起重直臂、吊机油缸(3)和液压泵(4)，其特征在于，还包括分别与起重直臂、吊机油缸(3)和液压泵(4)相连的权利要求1-4中任一项所述的自平衡补偿系统。
6.一种权利要求1中所述的自平衡补偿系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
倾角测量步骤，倾角传感器(101)测量起重直臂相对于水平面X轴及Y轴双向的倾角，并将该倾角信号传输给控制器(102)；
信号处理步骤，控制器(102)实时采集倾角传感器(101)的倾角信号，并在该倾角信号大于设定值时，将其转换成控制信号传输给比例换向阀(203)以驱动比例换向阀(203)工作；
油缸调节步骤，比例换向阀(203)根据接收到的控制信号，通过左、右位换向控制吊机油缸(3)伸出或是缩回，使起重直臂保持在可安全工作的范围内。
7.根据权利要求6所述的自平衡补偿系统的控制方法，其特征在于，所述油缸调节步骤进一步为：
当控制信号表示起重直臂相对于水平面向上倾斜时，比例换向阀(203)接通第一工作口，液压泵(4)向吊机油缸(3)的小腔补油迫使吊机油缸(3)收缩，将吊机油缸(3)的大腔中的多余高压液压油挤出并储存在第二蓄能器中，直到控制器(102)采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀(203)恢复中位；
当控制信号表示起重直臂相对于水平面向下倾斜时，比例换向阀(203)接通第二工作口，液压泵(4)向吊机油缸(3)的大腔补油，同时第二蓄能器配合液压泵(4)迅速将储存的高压液压油补偿至油缸的大腔中，迫使吊机油缸(3)伸展，直到控制器(102)采集到的倾角信号小于设定值时，比例换向阀(203)恢复中位。
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