CN108278232B - 一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，包括绞车、滑轮、补偿油缸、有杆腔安全控制阀、无杆腔安全控制阀、液压马达安全阀、油箱、液压变压器、蓄能器、蓄能器安全阀、溢流阀、出油滤油器、补油泵、电动机、补油单向阀、无杆腔压力传感器、蓄能器压力传感器、初级马达斜盘倾角传感器、次级马达斜盘倾角传感器、母船加速度传感器、控制器。所述液压变压器安装于补偿油缸和蓄能器之间。本发明通过控制液压变压器变量马达的斜盘倾角以保持补偿油缸无杆腔压力不变从而完成升沉补偿。较之于传统的被动升沉补偿系统，本发明的系统具有补偿精度高、装机功率低、适应性好、可靠性高的优点，适用于大深度、大载荷、变海况的工作条件。

Description

一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统

技术领域

本发明涉及水下拖曳系统的海洋技术领域，尤其涉及一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统。

背景技术

受海浪、洋流、海风等干扰，水面船舶在海洋中会产生6个自由度的运动。其中，垂直方向上的运动，即升沉运动，使得水下拖曳系统的拖体所在深度和拖缆张力剧烈变化。如果不对拖体的升沉运动进行补偿，会导致拖体的工作效率降低，甚至造成拖缆断裂或设备损坏，导致严重的经济损失和安全事故。因此有必要采用升沉补偿技术，以保障水下拖曳系统安全可靠地运行。

升沉补偿系统按执行机构可分为液压缸式和绞车式。其中，液压缸式直接运用于被动型和半主动型补偿十分方便，应用较为广泛。而按动力供应来分，升沉补偿系统可分为三类：被动型、主动型和半主动型。其中，被动型升沉补偿系统因为其能耗小、负载能力强的优点，在海洋勘探、海洋石油和矿产的开采等领域得到了广泛的应用。

目前的液压缸式被动升沉补偿系统，一般采用在补偿油缸的无杆腔出口处串联气液蓄能器的技术方案，通过蓄能器存储和释放负载升沉的能量从而实现升沉补偿，如CN105275414A和CN106089839A。理想情况下，如果在系统进行升沉补偿时能够保持补偿油缸无杆腔压力不变，那么拖缆的张力亦可保持恒定，因此垂直方向上拖体所受外力保持不变，负载不运动。然而实际系统进行升沉补偿时，无杆腔体积变化使得压力发生变化，导致系统削减负载升沉运动的能力较差，补偿精度较低。CN105275414A提出了增大蓄能器气体体积的方法以减小补偿油缸无杆腔压力变化的方法，但这种方法同时增大了整个系统的体积，而安装系统的母船甲板面积有限。此外，当海况发生变化时，被动升沉补偿系统无法达到最优的补偿性能。因此，目前的被动升沉补偿系统存在补偿精度低、适应性差的问题。

液压变压器是一种压力流量控制元件。其中，传统型液压变压器由两个液压马达同轴连接组成。通过控制液压变压器变量马达的斜盘倾角，可以控制变量马达的排量，从而控制液压变压器输出压力，而不受负载大小和转速的影响。相较于新型液压变压器，由双变量马达组成的传统型液压变压器的变压范围大、流量大，因此适用于大功率的液压系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够适用于大深度、大载荷、变海况工作条件的用于水下拖曳系统的基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，用于补偿拖体升沉，包括绞车、补偿油缸、蓄能器和油箱，绞车固定于母船上，绞车通过补偿油缸与拖体相连，还包括有液压变压器、有杆腔安全控制阀、无杆腔安全控制阀、液压马达安全阀、蓄能器安全阀、溢流阀、进油滤油器、补油泵、电动机、补油单向阀。其中，所述液压变压器包括输出轴相连的初级马达和次级马达，初级马达和次级马达均为变量液压马达；所述有杆腔安全控制阀的A口与补偿油缸有杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达和次级马达的T口及溢流阀、补油单向阀通过输油管道相连；所述无杆腔安全控制阀的A口与补偿油缸无杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达的P口及液压马达安全阀通过输油管道相连；所述蓄能器与次级马达的P口及蓄能器安全阀通过输油管道相连；所述补油泵的进油口经出油滤油器与油箱通过输油管道相连，出油口与补油单向阀通过输油管道相连。电动机与补油泵相连，电动机驱动补油泵向系统内补油。

进一步地，所述补偿油缸通过一滑轮连接拖体；所述补偿油缸固定在母船上，滑轮中心轴与补偿油缸的活塞杆固连在一起；绕于滑轮上的拖缆一端与绞车相连，另一端与拖体相连。

进一步地，还包括有无杆腔压力传感器、蓄能器压力传感器、初级马达斜盘倾角传感器、次级马达斜盘倾角传感器、母船加速度传感器、控制器。其中，所述无杆腔压力传感器与补偿油缸无杆腔相连；所述蓄能器压力传感器与蓄能器相连；所述初级马达斜盘倾角传感器与初级马达的斜盘相连；所述次级马达斜盘倾角传感器与次级马达的斜盘相连；所述母船加速度传感器与系统所安装的母船相连。所述控制器获得无杆腔压力传感器所测量的补偿油缸无杆腔的压力、蓄能器压力传感器所测量的蓄能器的压力、初级马达斜盘倾角传感器所测量的初级马达斜盘倾角、次级马达斜盘倾角传感器所测量的次级马达、母船加速度传感器所测量的母船升沉运动加速度，根据上述参数调整初级马达和次级马达的斜盘倾角，并控制有杆腔安全控制阀与无杆腔安全控制阀的通断电状态。

进一步地，根据拖体参数，在控制器中设定一补偿油缸无杆腔的目标压力值。若无杆腔压力偏离目标压力值，则控制器控制初级马达和次级马达的斜盘倾角以调节无杆腔压力至目标压力值。

进一步地，目标压力值可为通过理论计算得到的母船无升沉运动时无杆腔的压力值。

进一步地，当母船上升时，所述初级马达工作于马达工况，所述次级马达工作于泵工况，压力油进入蓄能器，能量被回收；当母船下降时，所述初级马达工作于泵工况，所述次级马达工作于马达工况，压力油从蓄能器被释放，能量被释放。在系统进行升沉补偿时，通过电动机驱动补油泵向系统内补油。

进一步地，当系统失载时，控制器控制有杆腔安全控制阀与无杆腔安全控制阀断电关闭；否则控制器控制有杆腔安全控制阀与无杆腔安全控制阀通电开启。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

(1)本发明采用一个安装于蓄能器和补偿油缸之间的液压变压器，通过控制液压变压器的两个变量马达的斜盘倾角来保持升沉补偿液压缸无杆腔压力不变，等效于蓄能器气体体积无限大，减小了升沉补偿液压缸无杆腔压力变化，从而减小了拖缆张力变化，提高了升沉补偿精度。同时，减小了所需蓄能器体积从而减小了系统体积，提高了适装性。

(2)本发明的系统的蓄能器预充压力较低，通过液压变压器压力变换使得补偿油缸无杆腔压力达到要求的工作压力时，气液蓄能器预充压力更小，减小了装机功率，同时也降低了系统对于蓄能器预充压力的精度要求。

(3)本发明的系统能够调节补偿油缸无杆腔压力，在不同的海况下都可进行有效的升沉补偿，提高了系统的适应性。

(4)本发明采用安全控制阀和补油装置，避免了系统突然失载时补偿油缸活塞与缸盖碰撞，同时也避免了系统进行升沉补偿时所需排量大导致油液不足出现背压，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图中：1为绞车，2为滑轮，3为补偿油缸，4为有杆腔安全控制阀，5为无杆腔安全控制阀，6为液压马达安全阀，7为油箱，8为液压变压器，81为初级马达，82为次级马达，9为蓄能器，10为蓄能器安全阀，11为溢流阀，12为出油滤油器，13为补油泵，14为电动机，15为补油单向阀，16为无杆腔压力传感器，17为蓄能器压力传感器，18为初级马达斜盘倾角传感器，19为次级马达斜盘倾角传感器，20为母船加速度传感器，21为控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，用于补偿拖体升沉，包括绞车1、补偿油缸3、蓄能器9和油箱7，绞车1固定于母船上，绞车1通过补偿油缸3与拖体相连，还包括有液压变压器8、有杆腔安全控制阀4、无杆腔安全控制阀5、液压马达安全阀6、蓄能器安全阀10、溢流阀11、进油滤油器12、补油泵13、电动机14、补油单向阀15。其中，所述液压变压器8包括输出轴相连的初级马达81和次级马达82，初级马达81和次级马达82均为变量液压马达；所述有杆腔安全控制阀4的A口与补偿油缸3有杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达81和次级马达82的T口及溢流阀11、补油单向阀15通过输油管道相连；所述无杆腔安全控制阀5的A口与补偿油缸3无杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达81的P口及液压马达安全阀6通过输油管道相连；所述蓄能器9与次级马达82的P口及蓄能器安全阀10通过输油管道相连；所述补油泵13的进油口经出油滤油器12与油箱7通过输油管道相连，出油口与补油单向阀15通过输油管道相连。电动机14与补油泵13相连，电动机14驱动补油泵13向系统内补油。本发明采用一个安装于蓄能器9和补偿油缸3之间的液压变压器8，通过控制液压变压器8的两个变量马达的斜盘倾角来保持升沉补偿液压缸无杆腔压力不变，等效于蓄能器气体体积无限大，减小了升沉补偿液压缸无杆腔压力变化，从而减小了拖缆张力变化，提高了升沉补偿精度。同时，减小了所需蓄能器体积从而减小了系统体积，提高了适装性。此外，通过液压变压器压力变换使得补偿油缸无杆腔压力达到要求的工作压力时，所需的装机功率大大减小，同时也降低了系统对于蓄能器预充压力的精度要求。

补偿油缸3可以位于水体中(补偿油缸3的活塞杆与拖体相连)，也可以置于母船上，补偿油缸3通过一滑轮2连接拖体；滑轮2中心轴与补偿油缸3的活塞杆固连在一起；绕于滑轮2上的拖缆一端与固定在船上的绞车1相连，另一端与拖体相连，如图1所示。

作为优选的技术方案，上述系统还可以包括有无杆腔压力传感器16、蓄能器压力传感器17、初级马达斜盘倾角传感器18、次级马达斜盘倾角传感器19、母船加速度传感器20、控制器21，以实现系统对海况及负载拖体的自适应调节。其中，所述无杆腔压力传感器16与补偿油缸3无杆腔相连；所述蓄能器压力传感器17与蓄能器9相连；所述初级马达斜盘倾角传感器18与初级马达81的斜盘相连；所述次级马达斜盘倾角传感器19与次级马达82的斜盘相连；所述母船加速度传感器20与系统所安装的母船相连。所述控制器21获得无杆腔压力传感器16所测量的补偿油缸3无杆腔的压力、蓄能器压力传感器17所测量的蓄能器9的压力、初级马达斜盘倾角传感器18所测量的初级马达81斜盘倾角、次级马达斜盘倾角传感器19所测量的次级马达82、母船加速度传感器20所测量的母船升沉运动加速度，根据上述参数调整初级马达81和次级马达82的斜盘倾角，并控制有杆腔安全控制阀4与无杆腔安全控制阀5的通断电状态。

作为本领域的常用技术手段，在控制器21中设定一补偿油缸3无杆腔的目标压力值。若无杆腔压力偏离目标压力值，则控制器21控制初级马达81和次级马达82的斜盘倾角以调节无杆腔压力至目标压力值，倾角的控制策略可以参考《PASSIVITY BASEDBACKSTEPPING CONTROL FOR TRAJECTORY TRACKINGUSING A HYDRAULIC TRANSFORMER》。其中目标压力值通常可为通过理论计算得到的母船无升沉运动时无杆腔的压力值，如《重型海工装备升沉补偿电液控制系统研究》中描述的方法进行目标压力值设置。

当母船上升时，由于拖体具有较大惯性，导致拖缆张力增大，从而使得作用在补偿油缸3的活塞杆上的外载荷增加，因此活塞杆受力变化，活塞移动，同时拖缆被释放，起到补偿拖体上升运动的作用。此时液压变压器8的初级马达81工作于马达工况，次级马达82工作于泵工况，压力油进入蓄能器9，能量被回收。

当母船下降时，由于拖体具有较大惯性，导致拖缆张力减小，从而使得作用在补偿油缸3的活塞杆上的外载荷减小，因此活塞杆受力变化，活塞移动，同时拖缆被回收，起到补偿拖体下降运动的作用。此时液压变压器8的初级马达81工作于泵工况，次级马达82工作于马达工况，压力油从蓄能器9被释放，能量被释放。

由于液压变压器8所需排量大，因此在系统进行升沉补偿时，通过电动机14驱动补油泵13向系统内补油，以防止油液不足出现背压,保证系统工作正常。

当系统正常工作时，控制器21控制有杆腔安全控制阀4与无杆腔安全控制阀5通电开启；当无杆腔压力传感器16所测量的补偿油缸3无杆腔的压力突然减小，即系统突然失载时，控制器21控制有杆腔安全控制阀4与无杆腔安全控制阀5断电关闭，补偿油缸3被锁死，此时初级马达81的P口依次与液压马达安全阀6和油箱7相连，以避免因系统突然失载导致补偿油缸3活塞与缸盖碰撞，提高了系统的可靠性。

本发明中的控制器21为可编程逻辑控制器PLC。

本领域的技术人员容易理解，以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均涵盖在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，用于补偿拖体升沉，包括绞车（1）、补偿油缸（3）、蓄能器（9）和油箱（7），绞车（1）固定于母船上，绞车（1）通过补偿油缸（3）与拖体相连，其特征在于：还包括有液压变压器（8）、有杆腔安全控制阀（4）、无杆腔安全控制阀（5）、液压马达安全阀（6）、蓄能器安全阀（10）、溢流阀（11）、进油滤油器（12）、补油泵（13）、电动机（14）、补油单向阀（15）、无杆腔压力传感器（16）、蓄能器压力传感器（17）、初级马达斜盘倾角传感器（18）、次级马达斜盘倾角传感器（19）、母船加速度传感器（20）、控制器（21）；其中，所述液压变压器（8）包括输出轴相连的初级马达（81）和次级马达（82），初级马达（81）和次级马达（82）均为变量液压马达；所述有杆腔安全控制阀（4）的A口与补偿油缸（3）有杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达（81）和次级马达（82）的T口及溢流阀（11）、补油单向阀（15）通过输油管道相连；所述无杆腔安全控制阀（5）的A口与补偿油缸（3）无杆腔通过输油管道相连，P口与初级马达（81）的P口及液压马达安全阀（6）通过输油管道相连；所述蓄能器（9）与次级马达（82）的P口及蓄能器安全阀（10）通过输油管道相连；所述补油泵（13）的进油口经出油滤油器（12）与油箱（7）通过输油管道相连，出油口与补油单向阀（15）通过输油管道相连；电动机（14）与补油泵（13）相连，电动机（14）驱动补油泵（13）向系统内补油；所述无杆腔压力传感器（16）与补偿油缸（3）无杆腔相连；所述蓄能器压力传感器（17）与蓄能器（9）相连；所述初级马达斜盘倾角传感器（18）与初级马达（81）的斜盘相连；所述次级马达斜盘倾角传感器（19）与次级马达（82）的斜盘相连；所述母船加速度传感器（20）与系统所安装的母船相连；所述控制器（21）获得无杆腔压力传感器（16）所测量的补偿油缸（3）无杆腔的压力、蓄能器压力传感器（17）所测量的蓄能器（9）的压力、初级马达斜盘倾角传感器（18）所测量的初级马达（81）斜盘倾角、次级马达斜盘倾角传感器（19）所测量的次级马达（82）、母船加速度传感器（20）所测量的母船升沉运动加速度，根据上述参数调整初级马达（81）和次级马达（82）的斜盘倾角，并控制有杆腔安全控制阀（4）与无杆腔安全控制阀（5）的通断电状态。

2.根据权利要求1所述的液压缸式被动升沉补偿系统，其特征在于，所述补偿油缸（3）通过一滑轮（2）连接拖体；所述补偿油缸（3）固定在母船上，滑轮（2）中心轴与补偿油缸（3）的活塞杆固连在一起；绕于滑轮（2）上的拖缆一端与绞车（1）相连，另一端与拖体相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，其特征在于：根据拖体参数，在控制器（21）中设定一补偿油缸（3）无杆腔的目标压力值；若无杆腔压力偏离目标压力值，则控制器（21）控制初级马达（81）和次级马达（82）的斜盘倾角以调节无杆腔压力至目标压力值。

4.根据权利要求3所述的一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，其特征在于：目标压力值可为通过理论计算得到的母船无升沉运动时无杆腔的压力值。

5.根据权利要求1所述的一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，其特征在于：当母船上升时，所述初级马达（81）工作于马达工况，所述次级马达（82）工作于泵工况，压力油进入蓄能器（9），能量被回收；当母船下降时，所述初级马达（81）工作于泵工况，所述次级马达（82）工作于马达工况，压力油从蓄能器（9）被释放，能量被释放；在系统进行升沉补偿时，通过电动机（14）驱动补油泵（13）向系统内补油。

6.根据权利要求1所述的一种基于液压变压器的液压缸式被动升沉补偿系统，其特征在于：当系统失载时，控制器（21）控制有杆腔安全控制阀（4）与无杆腔安全控制阀（5）断电关闭；否则控制器（21）控制有杆腔安全控制阀（4）与无杆腔安全控制阀（5）通电开启。