CN107601313A - 深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法。系统包括绞车、吊装液压回路、补偿液压回路、行星齿轮组件和控制检测模块；所述吊装液压回路包括第一定量泵、电液比例阀、第一蓄能器和第一液压马达，所述补偿液压回路包括第二定量泵、定差减压阀、二位电磁换向阀、电液伺服阀和第二液压马达，所述行星齿轮组件包括太阳轮、内齿圈、多个行星轮和行星架，所述控制检测模块包括控制器、用于检测所述绞车转速的第一传感器和用于检测所述绞车的缆绳张力的第二传感器。实现提高深水吊装升沉补偿液压系统的补偿能力和补偿精度，并降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及液压技术领域，尤其涉及一种深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法。
背景技术
随着世界海洋油气开发不断向深海发展，对深海工程装备的需求量日益增大，而我国深海海洋工程装备制造业与世界先进水平的差距较大。在深海环境中进行吊放作业时，整个作业系统(包括安装载体、缆绳以及吊放装备)会受到海上风浪流的联合作用，安装载体运动中的升沉、横摇和纵摇的三个自由度的运动，使吊放装备在吊放作业过程中在垂直方向上产生波动，甚至远远超过船舶的升沉运动，严重影响吊放装备的吊放安全和海底吊装的准确性。为了解决此类问题，在深水吊装系统中加入升沉补偿系统，消除或者减小吊装装备的升沉运动，保证水下装备吊放的安全性。中国专利号2015100958513公开了一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车，其中，采用液压补偿回路采用蓄能器组6来存储或释放压力实现液压补偿，其中，两个液压马达3相互联动驱动绞车运行，补偿能力有限并且补偿精度较低。如何设计一种补偿能力强、精度高且能耗低的升沉补偿技术是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法，实现提高深水吊装升沉补偿液压系统的补偿能力和补偿精度，并降低能耗。
本发明提供的技术方案是：一种深水吊装升沉补偿液压系统，包括绞车，还包括吊装液压回路、补偿液压回路、行星齿轮组件和控制检测模块；所述吊装液压回路包括第一定量泵、电液比例阀、第一蓄能器和第一液压马达，所述第一定量泵通过所述电液比例阀与所述第一液压马达连接，所述第一定量泵的两端口分别连接有第一单向阀，两个所述第一单向阀的进口连接所述第一蓄能器；所述补偿液压回路包括第二定量泵、定差减压阀、二位电磁换向阀、电液伺服阀和第二液压马达，所述第二定量泵通过所述二位电磁换向阀连接所述定差减压阀，所述定差减压阀通过所述电液伺服阀与所述第二液压马达连接；所述行星齿轮组件包括太阳轮、内齿圈、多个行星轮和行星架，多个所述行星轮安装在所述行星架上，所述行星轮分别与所述太阳轮和所述内齿圈啮合，所述第一液压马达的输出轴与所述太阳轮连接，所述第二液压马达的输出轴与所述内齿圈连接，所述绞车安装在所述行星架上；所述控制检测模块包括控制器、用于检测所述绞车转速的第一传感器和用于检测所述绞车的缆绳张力的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器、第一定量泵、电液比例阀、第一液压马达、第二定量泵、二位电磁换向阀、电液伺服阀和第二液压马达分别与所述控制器连接。
进一步的，所述第二定量泵和所述二位电磁换向阀之间设置有两个串联的第二单向阀，所述补偿液压回路还包括第二蓄能器，所述第二蓄能器与两个所述第二单向阀之间的管路连接。
进一步的，所述吊装液压回路还包括补油泵、所述补油泵连接两个所述第一单向阀的进口。
进一步的，所述吊装液压回路和所述补偿液压回路分别设置有用于制动所述绞车转动的制动油缸。
本发明还提供一种上述深水吊装升沉补偿液压系统的控制方法，包括被动升沉补偿模式和主动升沉补充模式；
所述被动升沉补偿模式，吊装液压回路单独运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油；
所述主动升沉补偿模式，吊装液压回路和补偿液压回路同时运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油，控制器根据第一传感器和第二传感器检测的信号动态控制第二定量泵和二位电磁换向阀运行，第二定量泵和所述第二蓄能器协同给第二液压马达。
进一步的，所述被动升沉补偿模式具体为：利用第一蓄能器的液气弹簧特性，当吊装载体随波浪上升运动时，第一蓄能器吸油，存储能量；当吊装载体随波浪下降运动时，第一蓄能器排油，释放能量。
进一步的，所述主动升沉补偿模式具体为：控制器将发出的控制信号与第一传感器和第二传感器检测的转速信号和张力信号相比较，根据所获得的偏差信号来控制第二液压马达运行。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供的深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法，通过采用吊装液压回路和补偿液压回路驱动绞车运转，吊装液压回路和补偿液压回路独立供油，防止一回路的流量发生变化时影响另一回路，以提高使用可靠性，而采用行星齿轮组件将吊装液压回路和补偿液压回路的动力传递给绞车转动，两个液压回路中各自液压马达的转动叠加驱动绞车转动，行星齿轮组件不仅起到减速器的作用，还可以利用差动式行星轮系的调速特性来实现速度补偿，从而在补偿液压回路运行时可以消耗较低的能耗达到补偿的效果；吊装液压回路设置第一蓄能器，吊装液压回路自身具有被动补偿的功能，当风浪较小时，补偿液压回路，利用第一蓄能器的液气弹簧特性，实现被动升沉补偿功能，从而可以有效的降低能耗；而当风浪较大时，控制器采集吊装载体升沉速度信号和缆绳的张力信号，通过控制运算控制补偿液压回路运行，并利用行星齿轮组件传动绞车进行吊装和补偿的分开处理与复合控制，实现主动升沉补偿，提高补偿能力和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明深水吊装升沉补偿液压系统的结构原理图；
图2为本发明深水吊装升沉补偿液压系统中行星齿轮组件的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本实施例深水吊装升沉补偿液压系统，包括绞车1，还包括吊装液压回路2、补偿液压回路3、行星齿轮组件4和控制检测模块(未图示)；所述吊装液压回路2包括第一定量泵21、电液比例阀22、第一蓄能器23和第一液压马达24，所述第一定量泵21通过所述电液比例阀22与所述第一液压马达24连接，所述第一定量泵21的两端口分别连接有第一单向阀25，两个所述第一单向阀25的进口连接所述第一蓄能器23；
所述补偿液压回路3包括第二定量泵31、定差减压阀32、二位电磁换向阀33、电液伺服阀34和第二液压马达35，所述第二定量泵31通过所述二位电磁换向阀33连接所述定差减压阀32，所述定差减压阀32通过所述电液伺服阀34与所述第二液压马达35连接；
所述行星齿轮组件4包括太阳轮41、内齿圈42、多个行星轮43和行星架44，多个所述行星轮43安装在所述行星架44上，所述行星轮43分别与所述太阳轮41和所述内齿圈42啮合，所述第一液压马达24的输出轴与所述太阳轮41连接，所述第二液压马达35的输出轴与所述内齿圈42连接，所述绞车1安装在所述行星架44上；
所述控制检测模块包括控制器、用于检测所述绞车转速的第一传感器和用于检测所述绞车1的缆绳张力的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器、第一定量泵21、电液比例阀22、第一液压马达24、第二定量泵31、二位电磁换向阀33、电液伺服阀34和第二液压马达35分别与所述控制器连接。
具体而言，本实施例深水吊装升沉补偿液压系统包括两套独立的吊装液压回路2和补偿液压回路3，其中，吊装液压回路2中设置有第一蓄能器23，利用第一蓄能器23液气弹簧特性，使得吊装液压回路2具有被动补偿的功能，从而可以满足风浪较小的环境中，实现补偿的效果；而补偿液压回路3根据需要启停，当风浪较大是，控制器启动补偿液压回路3运行，从而提高补偿能力和精度。而吊装液压回路2、补偿液压回路3各自液压马达输出的动力又是通过行星齿轮组件4传递给绞车1，利用行星齿轮组件4一方面可以起到减速器的作用，更重要的是，第一液压马达24和第二液压马达35同时输入动力时，利用行星齿轮组件4差动调速特性来实现速度补偿，能够更有效的提高补偿能力并降低能耗。而所述吊装液压回路2还包括补油泵26、所述补油泵26连接两个所述第一单向阀25的进口。同时，所述吊装液压回路2和所述补偿液压回路2分别设置有用于制动所述绞车1转动的制动油缸27和制动油缸37。对于补偿液压回路3包括第二定量泵31、定差减压阀32、二位电磁换向阀33、电液伺服阀34和第二液压马达35，电液伺服阀34输入端连接定差减压阀32，压力油经过定差减压阀32的作用，使电液伺服阀34压降始终保持恒定，吊放装备重量大小不会影响系统流量和马达转速，系统刚性好。
进一步的，第二定量泵31和所述二位电磁换向阀33之间设置有两个串联的第二单向阀(未标记)，所述补偿液压回路3还包括第二蓄能器36，所述第二蓄能器36与两个所述第二单向阀之间的管路连接。具体的，补偿液压回路3除了利用第二定量泵31运行提供压力实现主动补偿的功能外，还可以同时利用第二蓄能器36进一步的进行压力的补偿，从而可以有效的减少第二定量泵31的运行时间，进一步的降低能耗。与此同时，补偿液压回路3中的第二蓄能器36还能够起到压力稳定的功能，从而可以提高补偿精度。
其中，本实施例深水吊装升沉补偿液压系统具体控制过程如下：
本实施例深水吊装升沉补偿液压系统的控制方法包括被动升沉补偿模式和主动升沉补充模式；
所述被动升沉补偿模式，吊装液压回路单独运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油；具体的，所述被动升沉补偿模式下，利用第一蓄能器的液气弹簧特性，当吊装载体随波浪上升运动时，第一蓄能器吸油，存储能量；当吊装载体随波浪下降运动时，第一蓄能器排油，释放能量。
所述主动升沉补偿模式，吊装液压回路和补偿液压回路同时运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油，控制器根据第一传感器和第二传感器检测的信号动态控制第二定量泵和二位电磁换向阀运行，第二定量泵和所述第二蓄能器协同给第二液压马达。具体的，主动升沉补偿模式下，控制器将发出的控制信号与第一传感器和第二传感器检测的转速信号和张力信号相比较，根据所获得的偏差信号来控制第二液压马达运行。传感器分别测量液压马达旋转信号和缆绳张力信号，与给定信号一起输入控制器，经过运算求解得到的控制信号传输到电液比例伺服阀，通过电液比例伺服阀控制第二液压马达的转速和转向，完成升沉补偿功能。而两回路中都采用双向平衡阀结构，使液压马达运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定。
深水吊装升沉补偿系统主要控制两个方面，速度控制保证吊放装备以稳定的速度吊放，防止安装就位时剧烈震荡造成水下装备与安装平台发生碰撞；张力控制是要求缆绳的张力控制在一定范围内，防止缆绳张力波动过大，造成缆绳断裂或损坏作业设备。速度信号和张力信号是补偿系统的控制对象。为了减小缆绳变形对系统稳定性的影响，采用旋转编码器作为检测吊放装备的速度信号的第一传感器，旋转编码器安装在第二液压马达的输出轴上，通过传感器测量缆绳的张力和吊放装备的速度信号和指令信号进行比较，得到偏差信号，通过控制器中的伺服放大器进行放大，输入到电液伺服阀控制第二液压马达达转速和方向，实现吊放装备速度补偿和缆绳张力的控制。
具体原理分析如下：
当第一液压马达(即太阳轮转动)工作，第二液压马达不工作(即内齿圈制动)时，行星架的输出转速为：
式中，
当第一液压马达不工作(即太阳轮制动)，第二液压马达工作(即内齿圈转动)时，行星架的输出转速为：
式中，
两个液压马达同向旋转工作时，行星架的输出转速为：
两个液压马达反向旋转工作时，行星架的输出转速为：
与常规补偿装置相比，采用行星齿轮传动可以将升沉补偿功能、起重吊放功能和调速功能集成安装在起重机上，结构紧凑，占用空间小，符合深水吊装系统的要求；通过太阳轮和内齿圈的相互耦合，行星齿轮传动可获得不同的传动比，大大提高升沉补偿系统的补偿范围。
电液比例伺服阀的流量方程：
Qf＝KQXV-KCPf (1-5)
其中，Qf为负载流量；KQ为伺服阀的流量增益；KC为伺服阀的流量—压力系数；Pf为负载压力；XV为伺服阀的阀芯位移。
电液比例伺服阀控制第二液压马达的流量连续性方程为：
其中，Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Vt为马达型腔与连接管路的总容积；βe为容积弹性模量；Cs为液压马达总泄漏系数。
系统在忽略干扰负载和弹性负载，只考虑惯性负载、粘性负载和重力负载情况下，其力矩平衡方程：
其中，J1为马达轴上的转动惯量；Tw为绞车卷筒的输入转矩；Bt为粘性阻尼系数；i为行星轮绞车传动比。
绞车与负载之间的平衡方程组：
其中，F为缆绳的张力；Z为吊放装备的位移；θm为绞车转动的角度；R为卷筒的半径。
将方程组(1-8)代人到方程(1-7)得：
其中，
拉氏变换方程(1-5)、(1-6)和(1-9)可得：
求解可得：
简化得：
其中，ωh为液压系统固有频率，ξh为液压系统阻尼比，
Kce为总压力流量系数，Kce＝Kc+CS。
4.6.2伺服放大器数学模型
采用电压负反馈放大器，其数学模型简化为比例环节[104]。
其中，Uf为输出电压，Ui为输入电压。
旋转编码器测量的是第二液压马达的转速，其简化成比例环节的数学模型为：
其中：Uf为伺服放大器的输出电压。
行星绞车采用NGW差动行星轮绞车，在系统中行星轮绞车和缆绳可以简化为比例环节，它们的数学模型为：
其中，R为绞车卷筒的半径；i为行星轮绞车的传动比。
假设作用在马达轴上外负载力矩Tt＝0，由式(1-12)得到液压马达轴的转角对阀芯位移的传递函数G1′(s)为：
假设伺服阀的控制电流I＝0，由式(1-12)可得外界干扰环节的传递函数G2′(s)为：
由(1-16)、(1-17)可得：
其中为液压马达转速。
最终，根据上述公式(1-18)和(1-19)
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供的深水吊装升沉补偿液压系统及其控制方法，通过采用吊装液压回路和补偿液压回路驱动绞车运转，吊装液压回路和补偿液压回路独立供油，防止一回路的流量发生变化时影响另一回路，以提高使用可靠性，而采用行星齿轮组件将吊装液压回路和补偿液压回路的动力传递给绞车转动，两个液压回路中各自液压马达的转动叠加驱动绞车转动，行星齿轮组件不仅起到减速器的作用，还可以利用差动式行星轮系的调速特性来实现速度补偿，从而在补偿液压回路运行时可以消耗较低的能耗达到补偿的效果；吊装液压回路设置第一蓄能器，吊装液压回路自身具有被动补偿的功能，当风浪较小时，补偿液压回路，利用第一蓄能器的液气弹簧特性，实现被动升沉补偿功能，从而可以有效的降低能耗；而当风浪较大时，控制器采集吊装载体升沉速度信号和缆绳的张力信号，通过控制运算控制补偿液压回路运行，并利用行星齿轮组件传动绞车进行吊装和补偿的分开处理与复合控制，实现主动升沉补偿，提高补偿能力和精度。
Claims (7)
1.一种深水吊装升沉补偿液压系统，包括绞车，其特征在于，还包括吊装液压回路、补偿液压回路、行星齿轮组件和控制检测模块；
所述吊装液压回路包括第一定量泵、电液比例阀、第一蓄能器和第一液压马达，所述第一定量泵通过所述电液比例阀与所述第一液压马达连接，所述第一定量泵的两端口分别连接有第一单向阀，两个所述第一单向阀的进口连接所述第一蓄能器；
所述补偿液压回路包括第二定量泵、定差减压阀、二位电磁换向阀、电液伺服阀和第二液压马达，所述第二定量泵通过所述二位电磁换向阀连接所述定差减压阀，所述定差减压阀通过所述电液伺服阀与所述第二液压马达连接；
所述行星齿轮组件包括太阳轮、内齿圈、多个行星轮和行星架，多个所述行星轮安装在所述行星架上，所述行星轮分别与所述太阳轮和所述内齿圈啮合，所述第一液压马达的输出轴与所述太阳轮连接，所述第二液压马达的输出轴与所述内齿圈连接，所述绞车安装在所述行星架上；
所述控制检测模块包括控制器、用于检测所述绞车转速的第一传感器和用于检测所述绞车的缆绳张力的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器、第一定量泵、电液比例阀、第一液压马达、第二定量泵、二位电磁换向阀、电液伺服阀和第二液压马达分别与所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的深水吊装升沉补偿液压系统，其特征在于，所述第二定量泵和所述二位电磁换向阀之间设置有两个串联的第二单向阀，所述补偿液压回路还包括第二蓄能器，所述第二蓄能器与两个所述第二单向阀之间的管路连接。
3.根据权利要求1所述的深水吊装升沉补偿液压系统，其特征在于，所述吊装液压回路还包括补油泵、所述补油泵连接两个所述第一单向阀的进口。
4.根据权利要求1所述的深水吊装升沉补偿液压系统，其特征在于，所述吊装液压回路和所述补偿液压回路分别设置有用于制动所述绞车转动的制动油缸。
5.一种如权利要求1-4任一所述的深水吊装升沉补偿液压系统的控制方法，其特征在于，包括被动升沉补偿模式和主动升沉补充模式；
所述被动升沉补偿模式，吊装液压回路单独运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油；
所述主动升沉补偿模式，吊装液压回路和补偿液压回路同时运行，第一定量泵和所述第一蓄能器协同给第一液压马达供油，控制器根据第一传感器和第二传感器检测的信号动态控制第二定量泵和二位电磁换向阀运行，第二定量泵和所述第二蓄能器协同给第二液压马达。
6.根据权利要求5所述的深水吊装升沉补偿液压系统的控制方法，其特征在于，所述被动升沉补偿模式具体为：利用第一蓄能器的液气弹簧特性，当吊装载体随波浪上升运动时，第一蓄能器吸油，存储能量；当吊装载体随波浪下降运动时，第一蓄能器排油，释放能量。
7.根据权利要求5所述的深水吊装升沉补偿液压系统的控制方法，其特征在于，所述主动升沉补偿模式具体为：控制器将发出的控制信号与第一传感器和第二传感器检测的转速信号和张力信号相比较，根据所获得的偏差信号来控制第二液压马达运行。
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