CN108298428A - 船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置 - Google Patents

船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置 Download PDF

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余建星
余杨
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    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

Abstract

本发明涉及一种船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置,包括:船舶运动模拟平台,起重机起吊机构、防晃机构。防晃机构包括拉块(8)、横牵索(14)、横牵绞车(15)、升降索(9)、升降绞车(13),拉块(8)固定在升降索(9)的下部并与横牵索(14)的一端相连,横牵索(14)的另一端通过一个固定在平台上的定滑轮改向后缠绕在横牵绞车(15)上,用于对拉块施加横向力进行控制;拉块的升降绞车(13)与升降索(9)相连,升降索(9)与拉块(8)主体直接相连,用于控制调整拉块的高度,由拉块升降绞车(13)通过卷筒控制升降索(9)使其经过吊点处的滑轮及吊臂(11)对拉块(8)进行提升。

Description

船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置
技术领域
本发明涉及一种用于船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置,属于船用起重机技术领域。该试验装置可以模拟六个自由度的船舶运动,实时监测船用起重机的运动,重点考察船用起重机吊物的摆动角度及范围,降低货物在吊装过程中的晃动,同时防晃装置可与不同升沉补偿完成配合。
背景技术
船用吊装设备是海上特定工程环节使用的特种起重机械。由于受到海浪,风浪等环境载荷的综合作用,船用吊机在工作过程中可能会出现大幅度摆动,造成吊物与受补给船舶或其他装置发生碰撞。在海上吊装作业过程中,超大超重货物碰撞带来的损害对船舶来说是致命的,因此具备起重机防晃装置及升沉补偿系统的船用起重机可以保证吊装过程的平稳性和安全性。
由于在海上进行船用起重机试验研究的周期长、投入大,随着运动模拟、控制和仿真技术的应用与发展,很多海上相关试验项目都改在陆地上进行,地面试验安全可靠又节省资金。所以建造船用起重机防晃与升沉补偿试验装置,可以对船用起重机进行陆上模拟试验,通过模拟船舶在海上的六个自由度的运动的真实作业环境,考察船用起重机防晃装置及升沉补偿等方法减弱吊物摆动的幅度。
现今国内外在船用起重机陆上试验装置研究方面存在的不足之处主要有:
1.国内外船用起重机陆上试验装置主要用于主动式波浪补偿的相关研究,讨论不同的波浪补偿方式对于吊物摆动的影响,功能较为单一。在实际中影响吊物摆动的因素和方法众多,不能使用统一的试验装置进行试验。
2目前的主动式升沉补偿系统试验装置在模拟船舶运动时,仅能模拟三个自由度的船舶运动,与真实海况差距较大,试验数据的可靠性不足。
3.除主动式升沉补偿之外,添加防晃装置也是船用起重机经常使用的防晃方法。但国内外鲜有试验装置可针对防晃装置与主动式升沉补偿建立综合试验装置,本试验装置可实现对两种体系相结合的试验考量,为船用起重机提供更加全面的试验参考。
国内已有试验装置,如一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动研究(专利号:CN200910226788)、主动升沉波浪补偿控制系统和控制方法(专利号:CN201210219968)、主动式波浪补偿试验装置(专利号:CN201510083754)等,均只研究了主动式升沉补偿系统的试验装置,并且仅能实现模拟三个自由度的船舶运动。本专利在此基础上实现了六自由度船舶模拟平台并添加了起重机防晃装置的相关试验组件,可用于验证防晃装置效果及与不同升沉补偿配合效果,具有结构简单,便于控制等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置,以实现对船用起重机防晃和升沉补偿联合作用,模拟船舶六自由度运动的真实作业环境,为船用起重机吊物摆动位移及重要绳索的载荷进行校核,同时能够对不同防晃方法的联合作用效果进行对比分析,从而对船用起重机防晃和升沉补偿提供真实的数据和试验积累。技术方案如下:
一种船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置,包括:船舶运动模拟平台,起重机起吊机构、防晃机构,起重机起吊机构固定于船舶运动模拟平台上,包括吊臂11、吊绳绞车12、吊绳7和吊物6,吊绳绞车12的卷筒上缠绕吊绳7,吊绳7通过固定在吊臂顶端的定滑轮与吊物相连;吊绳绞车的卷筒由电机驱动,其特征在于:
防晃机构包括拉块8、横牵索14、横牵绞车15、升降索9、升降绞车13,拉块8固定在升降索9的下部并与横牵索14的一端相连,横牵索14的另一端通过一个固定在平台上的定滑轮改向后缠绕在横牵绞车15上,用于对拉块施加横向力进行控制;拉块的升降绞车13与升降索9相连,升降索9与拉块8主体直接相连,用于控制调整拉块的高度,由拉块升降绞车13通过卷筒控制升降索9使其经过吊点处的滑轮及吊臂11对拉块8进行提升。
优选地,所述的船舶运动模拟平台为六自由度船舶运动模拟平台,包括底座1、平台5以及连接底座和平台的六根可伸缩杆件,可伸缩杆件均通过虎克铰2与底座相连,通过球铰3与平台下部相连,并通过伺服缸4实现伸缩。
本发明针对船用起重机,提供了一种船用起重机防晃及升沉补偿的试验装置,与国内外现有技术相比具有以下优点:
1.本发明不仅考虑到了主动式升沉补偿的影响,还考虑了其他防晃方法对于吊物摆动的影响,为解决工程实际提供了更加全面的分析视角,为船用起重机安全作业探索提供了更多的解答途径。
2.本发明的船用起重机防晃及升沉补偿的试验装置,可以实现船舶六自由度的运动模拟,试验中船舶六自由度运动数据来自于MSS(海洋系统模拟器),模拟更加接近实际工况,为工程实际提供有效的试验积累。
3.本发明实现了对船用起重机防晃及升沉补偿综合试验,其中船用起重机防晃装置控制系统与吊机本身的升沉系统使用不同控制系统,模拟船用起重机真实的作业情况,为船舶起重机吊物摆动位移进行校核,同时能够对船用起重机防晃及升沉补偿综合应用进行探索。
附图说明
图1整体布置图
图中标号说明:1—底座;2—虎克铰;3—球铰;4—伺服缸;5—平台;6—吊物;
7—吊绳;8—拉块;9—升降索;10—滑轮;11—吊臂;12—吊绳绞车;13—升降绞车;
14—横牵索;15—横牵绞车;
图2伺服缸示意图
图中标号说明:401—后缸盖;402—垫圈;403—活塞;404—缸体;405—活塞杆;406—端盖;407—传感器基座;
图3虎克铰结构图
图中标号说明:201—虎克铰基座;202—十字轴;401—后缸盖;
图4球绞与伺服缸连接图
图中标号说明:301—弹性挡圈;302—弹性垫圈;303—螺母;304—开口销;305—固定块;
图5船用起重机防晃装置图
图中标号说明:8—拉块;9—升降索;13—升降绞车;14—横牵索;15—横牵绞车;
图6拉块结构图
图中标号说明:801—横牵索连接头;802—拉块滑轮;803—拉块主体;
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步描述:
如图所示,船用起重机防晃装置及升沉补偿试验装置主要包括:六个自由度船舶运动模拟平台,起重机起吊机构、防晃机构、控制系统和测量等相关设备。其中六自由度船舶运动模拟平台包括底座1、平台5以及连接底座和平台的六根可伸缩杆件,可伸缩杆件均由虎克铰2、伺服缸4和球铰3组成。起重机起吊机构包括吊绳绞车12、吊臂11、吊绳7和吊物6。吊臂固定安装在六自由度船舶运动模拟平台上,吊绳绞车的卷筒上缠绕吊绳,吊绳通过固定在吊臂顶端的定滑轮与吊物相连。吊绳绞车的卷筒由电机驱动,电机是由升沉补偿控制系统中的电机驱动器驱动。防晃机构包括拉块8、横牵索14、横牵绞车15、升降索9、升降绞车13。拉块横牵钢丝绳、升降索钢丝绳分别与拉块装置相连,对拉块施加力进行控制。拉块的升降绞车13主要是用于控制调整拉块的高度,由拉块升降绞车13拉动拉块8提升钢丝绳经过吊臂11及吊点处的滑轮,对拉块进行控制。拉块的横牵绞车15是对拉块进行横向受力的控制,用以调整拉块的位置,使之在合理的范围内进行摆动。主要是由横牵绞车拉动横牵绞车钢丝绳,横牵绞车钢丝绳与拉块相连对拉块产生拉力作用。
本发明的船舶运动模拟平台采用6-SPS空间并联机构,具有六个分支机构,主体是伺服缸4。六个伺服缸的配合可使整个平台实现六个自由度在一定范围内的运动,具体结构如图2所示。液压伺服缸由后缸盖401、垫圈402、活塞403、缸体404、活塞杆405、端盖406、传感器基座407组成。该装置可以在试验过程中控制船舶运动平台实现六个自由度的运动。船舶运动模拟平台上下分别为底座1和平台5,伺服缸底端与底座之间通过虎克铰2铰接形成转动副,虎克铰具体结构如图3所示;伺服缸上端与上平台通过球绞3铰接,具体结构如图4所示。
本发明的工作过程及原理具体过程如下:
六自由度船舶运动模拟平台控制系统控制六自由度船舶运动模拟平台中伺服缸4的伸缩,固定安装在船舶运动模拟平台上的起重机会跟随平台一起运动,可以实现船舶六自由度的运动模拟。船舶六自由度运动数据来自于MSS(海洋系统模拟器),模拟更加接近实际工况,为工程实际实现有效的试验积累。
船用起重机安装在模拟平台上,当平台产生任何一个或几个自由度方向上的运动时,吊绳7与吊物6形成的锥摆均会产生额外的摆动。波浪升沉补偿主要是对吊物6进行垂直方向的补偿,控制吊物在吊装过程中由于波浪作用导致的垂直方向上高度的变化。波浪补偿控制部分通过各传感器数据和控制算法进行平台位置姿态解算并预测其未来运动状态,然后控制吊绳绞车12对吊物6做补偿运动,保持吊物6在运动中的位置不变。
在实际作业过程中波浪对于吊物的影响不仅仅在垂直方向发生,当起重机随船舶运动的固有周期与摆动周期接近时,吊物的摆动会明显增强甚至发生共振现象。起重机的防晃装置可以有效控制非正常情况下大幅度摆动的发生,同时调整吊绳7与吊物6锥摆的摆动周期,防止共振现象的发生,保证作业过程的顺利完成,起重机的防晃装置如图5所示。船用起重机防晃装置控制系统根据各传感器数据和控制算法对拉块进行控制从而减少吊物的摆动。一方面针对防止共振现象的发生,防晃装置通过升降绞车13的配合可以实现吊绳上拉块8位置的变化。当吊绳上拉块8的位置变化时,吊绳与货物构成的锥摆的有效长度发生改变,从而改变锥摆的摆动周期,避免共振现象的发生。另一方面对于减小吊物6摆动幅度,防晃装置通过设置拉块8的高度后由于单摆结构的固定点以及有效摆长发生了变化,会降低摆动的幅度;其次利用横牵索14的配合对拉块8施加沿横牵索方向上的力,可以减少结构的动能,从而降低摆动的幅度;拉块内设有两个滑轮802,主要是用于拉块8控制船用吊机吊绳7摆动角度及方向的同时不产生过多的摩擦而设置的。其中船用起重机防晃装置控制系统中拉块升降系统与吊机本身的升沉系统使用不同控制系统,可以更加方便的控制拉块的位置,达到更好地防晃效果。
通过波浪升沉补偿系统与起重机防晃系统的综合控制调整,可以有效的减少起重机吊物的摆动问题,通过本发明的试验装置可以时时监控吊物6摆动情况及各主要绳索受力情况,对波浪升沉补偿系统与起重机防晃系统的进行综合试验,考察防晃装置效果及与不同升沉补偿配合效果,对船用起重机防晃及升沉补偿综合应用进行深入探索。
综上所述,本发明的工作过程及原理是在研究防晃及升沉补偿试验时,由六自由度船舶运动模拟平台控制系统驱动模拟平台的伺服缸4来模拟船舶在波浪中六个自由度的运动,平台5上的姿态航向传感器检测平台的运动状态,并把检测到的信息传递至波浪补偿控制部分,波浪补偿控制部分进行平台位置姿态解算并预测其未来运动状态,然后控制吊绳绞车12对吊物6做补偿运动,保持吊物6在运动中的位置不变,具体的说是经蜗轮蜗杆减速器减速,通过轴带动卷筒部分转动,使缠绕在卷筒表面的钢丝绳放开或收起,经过吊架上的滑轮后,保持吊物6在升沉方向的位置基本不变;同时把检测到的信息传递至船用起重机防晃装置控制系统,船用起重机防晃装置控制系统进行平台位置姿态解算并预测其未来运动状态,然后控制升降绞车13和横牵绞车15对防晃拉块做相应调整以减少吊物6的摆动,保持吊物的摆动位移不超过额定范围。

Claims (2)

1.一种船用起重机防晃以及升沉补偿的试验装置,包括:船舶运动模拟平台,起重机起吊机构、防晃机构,起重机起吊机构固定于船舶运动模拟平台上,包括吊臂(11)、吊绳绞车(12)、吊绳(7)和吊物(6),吊绳绞车(12)的卷筒上缠绕吊绳(7),吊绳(7)通过固定在吊臂顶端的定滑轮与吊物相连;吊绳绞车的卷筒由电机驱动,其特征在于:
防晃机构包括拉块(8)、横牵索(14)、横牵绞车(15)、升降索(9)、升降绞车(13),拉块(8)固定在升降索(9)的下部并与横牵索(14)的一端相连,横牵索(14)的另一端通过一个固定在平台上的定滑轮改向后缠绕在横牵绞车(15)上,用于对拉块施加横向力进行控制;拉块的升降绞车(13)与升降索(9)相连,升降索(9)与拉块(8)主体直接相连,用于控制调整拉块的高度,由拉块升降绞车(13)通过卷筒控制升降索(9)使其经过吊点处的滑轮及吊臂(11)对拉块(8)进行提升。
2.根据权利要求1所述的试验装置,其特征在于,所述的船舶运动模拟平台为六自由度船舶运动模拟平台,包括底座(1)、平台(5)以及连接底座和平台的六根可伸缩杆件,可伸缩杆件均通过虎克铰(2)与底座相连,通过球铰(3)与平台下部相连,并通过伺服缸(4)实现伸缩。
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