CN108408611A - 一种移动式主动升沉补偿器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式主动升沉补偿器及其工作方法，主要应用在舰船补给、深海打捞、海底安装等海工作业领域。装置主要包括等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源；控制器与伺服电机相连用于接受外界信号并控制伺服电机的启停与转速；伺服电机与双向定量泵相连用于控制双向定量泵的泵取；等差液压缸包括两个容腔，其中一个容腔与活塞杆相连，双向定量泵的两端通过油路与两个容腔相连；电源用于向装置供电。本装置可以安装在任何起重机的钢丝绳与负载绳索之间在其提升和下降过程自动快速对负载的升沉运动进行补偿，提高起重作业的安全性，补偿精度高、响应快、结构简单、成本低、能耗低、使用灵活方便，即装即用。

Description

一种移动式主动升沉补偿器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种移动式主动升沉补偿器及其工作方法，尤其涉及一种应用在舰船补给、深海打捞、海底安装等海工作业领域的移动式主动升沉补偿器，属于海工设备技术领域。

背景技术

随着我国海洋开发技术的不断提升，我国海上作业的种类和数量也越来越多，但海上作业由于受到风、浪、流、潮等各种恶劣环境的影响，使海上作业浮式生产系统不可避免地产生纵摇、横遥、艏摇，纵荡、横荡、垂荡及其耦合运动，其中升沉方向运动对海上安全作业影响最为显著。因此需要升沉补偿器对海工装备在升沉方向上进行补偿，主要应用于深海采矿作业、船舶间货物补给、海底打捞、深海探测取样等方面。

目前的升沉补偿器主要有主动补偿形式、被动补偿形式和主被动补偿形式三类。被动补偿器通常在船舶升沉运动时，依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的气体实现补偿，例如申请号为CN201310182774.6的中国发明专利公开了一种海洋吊机波浪补偿装置，包括安装在吊臂头部的液压缸，在液压缸的活塞杆端头安装有滑轮，起升绞车中的钢丝绳通过滑轮与吊装物相连；液压缸的压力端口与蓄能器连通，蓄能器同时与电磁阀A、电磁阀B连接，电磁阀A与高压气瓶连通，电磁阀B与低压气瓶连通，电磁阀A、电磁阀B的动作由控制系统控制。该发明的装置兼有被动波浪补偿和恒张力补的功能，在一定程度上减小波浪引起的升沉运动对吊机和吊装物的影响，但该装置安装在船上，补偿精度低、时滞性较大。

主动补偿器的补偿工作依靠补偿系统本身的动力机的能源来工作的，如液压泵。主动补偿器的液压系统包括阀控液压缸式补偿系统和泵控液压缸式补偿系统。其中，阀控液压缸式补偿系统主要是是通过比例阀控制液压缸的伸缩，从而实现波浪的升沉补偿；泵控液压缸式补偿系统主要是通过伺服电机带双向定量泵控制液压缸的伸缩。

申请号为CN200910227899.8的中国发明专利文件公开了一种用于主动式波浪补偿起重机的液压驱动系统，由油箱、分别包括液压马达的用于重物吊放的起重油路和用于波浪补偿的补偿油路组成；起重油路和补偿油路分别采用电液比例控制和电液伺服控制。但该系统固定在船上，存在大的节流损失，能量效率低。低能量效率不仅增大了系统装机功率，还引起系统发热，附加的冷却装置进一步增大了系统装机功率和成本。

申请号为CN201510969351.8的中国发明专利文件公开了一种直接泵式电液升沉补偿装置，伺服电机带动双向液压泵转动，其两输出端分别与单出杆液压缸的有杆腔和无杆腔连接，在两输出端间还并联两个反向安装的溢流阀；蓄能器与单出杆液压缸有杆腔侧、快插接头连接和第一压力传感器连接，双向液压泵的两输出端分别接有第二压力、第三压力传感器，伺服电机上接有转速传感器，所有传感器和伺服电机驱动器分别与控制计算机连接；动滑轮连接于单出杆液压缸的活塞杆上，静滑轮连接于单出杆液压缸的底部，内置式位移传感器安装在单出杆液压缸内。该发明没有处理液压缸的预压紧问题，系统的固有频率较低，且由于采用差动缸的两腔面积差引起的吸排流量不对称问题以及系统存在气蚀、泄漏等非线性的影响，仍然存在差动缸伸出和收回速度不一致，动静态性能差，系统能耗大。

主被动补偿器是主动补偿与被动补偿系统的结合，例如公开号CN 107473118A的中国发明专利文件公开了一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，该发明公开了一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，用于深水起重机上：包括被动补偿系统、主动补偿系统、液压缸滑轮系统。该发明在活塞杆伸出部分的一端安装两个并列的滑轮组，采用的被动补偿方式，被动补偿缸的有杆腔与补偿缸的无杆腔通过油管相连，被动补偿缸的无杆腔与气瓶和空气加压系统相连，来补偿大部分升沉位移；采用主动补偿方式，在缆绳上经过的位置放置一个拉力传感器，将缆绳张力变化的模拟信号传到控制器上，通过控制电液比例换向阀的阀芯控制主动补偿缸的活塞杆运动但仍存在节流损失、能量损失，且结构复杂成本高。

综上所述，被动补偿器补偿精度低，补偿性能不稳定，滞后比较大；主动补偿器仍存在能耗较大，仅适用于小功率场合，使用范围小；半主动升沉器仍然不够成熟，且结构复杂，成本高。

目前现有的海工装备大部分都有一定的补偿能力，若按目前固定式补偿装置方案重新设计改造来提高补偿能力，将会面临成本高、周期长等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，为解决上述问题，本发明提出了一种移动式主动升沉补偿器，可将该移动式主动补偿器安装在任何起重机的钢丝绳与负载绳索之间在其提升和下降过程自动快速对负载的升沉运动进行补偿，提高起重作业的安全性。该装置补偿精度高、响应快、结构简单、成本、能耗低、使用灵活方便，即装即用。

本发明还提供上述装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种移动式主动升沉补偿器，包括等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源；

控制器与伺服电机相连，控制器用于接受外界信号并控制伺服电机的启停与转速；

伺服电机与双向定量泵相连，伺服电机用于控制双向定量泵的泵取；

等差液压缸包括两个容腔，分别为A腔和B腔，其中一个容腔与活塞杆相连，双向定量泵的两端通过油路分别与等差液压缸的A腔和B腔相连，用于双向抽取A腔或B腔内的油液；

电源用于向双向定量泵、伺服电机、控制器供电。

当外界向控制器发出需要补偿的信号时，控制器驱动双向定量泵从A腔吸油向B腔排油/或从B腔吸油向A腔排油，使等差液压缸的活塞杆伸出或缩回，以此进行位移补偿。

根据本发明优选的，等差液压缸的A腔面积与B腔面积相等，所述等差液压缸还设有真空腔C腔。真空腔的作用是一是方便后续设置内置式激光位移传感器检测位移，二是使A腔油压与B腔油压相等，继而双向定量泵的吸排油口压力相等。

进一步优选的，等差液压缸内设有内置激光位移传感器。内置激光位移传感器用于反馈活塞杆伸缩的位移值。

进一步优选的，内置激光位移传感器设于真空腔的腔壁上。不与油液腔混合。

根据本发明优选的，移动式主动升沉补偿器还设有低压油箱，双向定量泵包括三路出口，分别为第一路、第二路、第三路，第一路连接等差液压缸的A腔，第二路连接等差液压缸的B腔，第三路连接低压油箱。

进一步优选的，双向定量泵与A腔相连的第一路油路上设有第一压力传感器，双向定量泵与B腔相连的第二路油路上设有第二压力传感器，第一压力传感器与第二压力传感器均与控制器相连。两个压力传感器用于检测油路上的压力值并反馈给控制器。

进一步优选的，低压油箱通过两路油路与等差液压缸的A腔、B腔相连，低压油箱与A腔的连接油路上设有第一单向阀，低压油箱与B腔的连接油路上设有第二单向阀。低压油箱通过第一单向阀和第二单向阀分别对等差液压缸的A、B腔进行预压紧。

根据本发明优选的，所述电源为电池组。电池组可以封闭于装置内部，为整个装置独立供电。

根据本发明优选的，移动式主动升沉补偿器还设有溢流阀，溢流阀设于等差液压缸的两个容腔端口之间。溢流阀能防止等差液压缸油腔内压力过高而导致密封元件的损坏。

进一步优选的，溢流阀的数量为两个，两个溢流阀反向并联于等差液压缸的两个容腔之间。可双向预防保护两个容腔。

根据本发明优选的，控制器与伺服电机之间设有转速传感器。转速传感器将检测的信号反馈给控制器以便控制器更好调节。

根据本发明优选的，移动式主动升沉补偿器还包括密封壳体，等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源均设于壳体内，等差液压缸的活塞杆伸出壳体。

一种移动式主动升沉补偿器的工作方法，包括步骤如下：

将运动参考单元MRU、吊机固定安装在海工作业母船上，将移动式主动升沉补偿器串入在吊机与负载M之间、而非固定在作业船的甲板上；

当海工作业母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第二路等差液压缸的B腔吸油，向第一路等差液压缸的A腔排油，使等差液压缸活塞杆伸出进行补偿；

当海工作业母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第一路等差液压缸的A腔吸油，向第二路等差液压缸的B腔排油，使等差液压缸活塞杆缩回进行补偿。

根据本发明优选的，步骤还包括，安装时，将两个以上的移动式主动升沉补偿器并联连接，以并联固接的方式，串入吊机与负载之间。可对两倍以上如两倍、三倍、四倍等的负载M进行补偿，只要不超过吊机或者A型架的额定负载，都可以继续并联。

本发明的有益效果在于：

1)本发明不占用船舶甲板上的空间，不需要针对船舶原有的补偿系统进行重新设计改造可直接安装使用在一定海况范围内作业的各种有一定深沉补偿功能船舶吊机及普通吊机上，节约了设计改造成本、易根据海况对进行标准化、市场化。

2)本发明采用了伺服电机带双向定量泵控制等差液压缸，无节流损失、系统不存在吸排油量不对称的问题、非线性的影响小，动静态性能好、系统能耗低、补偿精度高、响应快且结构简单、维护成本大幅度降低。

3)本发明没有地域和时间限制，整个系统可以随时灵活移动使用，即装即用。

4)本发明可采用两套以上设备并联使用，提高负载能力。

附图说明

图1是一种移动式主动升沉补偿器系统原理图；

其中，1.等差液压缸、2.内置激光位移传感器、3.第一溢流阀、4.第二溢流阀、5.低压油箱、6第一单向阀、7.双向定量泵、8.第一压力传感器、9.控制器、10.电池组、11.转速传感器、12.伺服电机、13.第二压力传感器、14.第二单向阀、15密封壳体。

图2是一种移动式主动升沉补偿器的单一工作原理图；

其中，16.海工作业母船、17.运动参考单元MRU、18.吊机、19.单一的移动式主动升沉补偿器、20.负载M。

图3是一种移动式主动升沉补偿器的并联工作原理图；

其中，21.两个并联固接的移动式主动升沉补偿器、22.负载2M。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种移动式主动升沉补偿器，包括等差液压缸1、双向定量泵7、伺服电机12、控制器9、电源；控制器9与伺服电机12相连，控制器用于接受外界信号并控制伺服电机的启停与转速；伺服电机12与双向定量泵7相连，伺服电机用于控制双向定量泵的泵取；等差液压缸1包括两个容腔，分别为A腔和B腔，其中一个容腔与活塞杆相连，如图1所示的A腔；双向定量泵的两端通过油路分别与等差液压缸的A腔和B腔相连，用于双向抽取A腔或B腔内的油液；电源用于向双向定量泵、伺服电机、控制器供电。移动式主动升沉补偿器还包括密封壳体15，等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源均设于壳体内，等差液压缸的活塞杆伸出壳体。电源为电池组10，电池组可以封闭于装置内部，为整个装置独立供电。

当外界向控制器发出需要补偿的信号时，控制器驱动双向定量泵从A腔吸油向B腔排油/或从B腔吸油向A腔排油，使等差液压缸的活塞杆伸出或缩回，以此进行位移补偿。

实施例2：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例1所述，所不同的是，等差液压缸的A腔面积与B腔面积相等，所述等差液压缸还设有真空腔，如图1中的C腔。

实施例3：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例2所述，所不同的是，等差液压缸内设有内置激光位移传感器2。内置激光位移传感器用于反馈活塞杆伸缩的位移值。内置激光位移传感器设于真空腔的腔壁上。不与油液腔混合。

实施例4：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例1所述，所不同的是，移动式主动升沉补偿器还设有低压油箱5，双向定量泵7包括三路出口，分别为第一路、第二路、第三路，第一路连接等差液压缸的A腔，第二路连接等差液压缸的B腔，第三路连接低压油箱。

实施例5：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例4所述，所不同的是，双向定量泵与A腔相连的第一路油路上设有第一压力传感器8，双向定量泵与B腔相连的第二路油路上设有第二压力传感器13，第一压力传感器与第二压力传感器均与控制器9相连。两个压力传感器用于检测油路上的压力值并反馈给控制器。

实施例6：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例4所述，所不同的是，低压油箱5通过两路油路与等差液压缸的A腔、B腔相连，低压油箱与A腔的连接油路上设有第一单向阀6，低压油箱与B腔的连接油路上设有第二单向阀14。低压油箱通过第一单向阀和第二单向阀分别对等差液压缸的A、B腔进行预压紧。

实施例7：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例1所述，所不同的是，移动式主动升沉补偿器还设有溢流阀，溢流阀设于等差液压缸的两个容腔端口之间。溢流阀能防止等差液压缸油腔内压力过高而导致密封元件的损坏。溢流阀的数量为两个，如图1所示的第一溢流阀3与第二溢流阀4，两个溢流阀反向并联于等差液压缸1的两个容腔之间，可双向预防保护两个容腔。

实施例8：

一种移动式主动升沉补偿器，其结构如实施例1所述，所不同的是，控制器9与伺服电机12之间设有转速传感器11，转速传感器11将检测的信号反馈给控制器以便控制器更好调节。

实施例9：

一种利用实施例1所述的移动式主动升沉补偿器的工作方法，包括步骤如下：

将运动参考单元MRU 17、吊机(或称吊臂)18固定安装在海工作业母船16上，将单一的移动式主动升沉补偿器19串入在吊机18与负载M 20之间、而非固定在作业船的甲板上。如图2所示。

当海工作业母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第二路等差液压缸的B腔吸油，向第一路等差液压缸的A腔排油，使等差液压缸活塞杆伸出进行补偿。

当海工作业母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第一路等差液压缸的A腔吸油，向第二路等差液压缸的B腔排油，使等差液压缸活塞杆缩回进行补偿。

实施例10：

一种利用实施例1所述的移动式主动升沉补偿器的工作方法，包括步骤如下：

将运动参考单元MRU、吊机(或称吊臂)固定安装在海工作业母船上，将两个并联固接的移动式主动升沉补偿器21串入在吊机与两倍的负载2M 22之间、而非固定在作业船的甲板上。将两个移动式主动升沉补偿器并联连接，以并联固接的方式，串入吊机与负载之间。可对两倍的负载进行补偿。如图3所示。

当海工作业母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第二路等差液压缸的B腔吸油，向第一路等差液压缸的A腔排油，使等差液压缸活塞杆伸出进行补偿。

当海工作业母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第一路等差液压缸的A腔吸油，向第二路等差液压缸的B腔排油，使等差液压缸活塞杆缩回进行补偿。

Claims (10)

1.一种移动式主动升沉补偿器，其特征在于，包括等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源；

控制器与伺服电机相连，控制器用于接受外界信号并控制伺服电机的启停与转速；

伺服电机与双向定量泵相连，伺服电机用于控制双向定量泵的泵取；

等差液压缸包括两个容腔，分别为A腔和B腔，其中一个容腔与活塞杆相连，双向定量泵的两端通过油路分别与等差液压缸的A腔和B腔相连；

电源用于向双向定量泵、伺服电机、控制器供电。

2.根据权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，等差液压缸的A腔面积与B腔面积相等，所述等差液压缸还设有真空腔。

3.根据权利要求2所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，等差液压缸内设有内置激光位移传感器；

优选的，内置激光位移传感器设于真空腔的腔壁上。

4.根据权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，移动式主动升沉补偿器还设有低压油箱，双向定量泵包括三路出口，分别为第一路、第二路、第三路，第一路连接等差液压缸的A腔，第二路连接等差液压缸的B腔，第三路连接低压油箱。

5.根据权利要求4所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，双向定量泵与A腔相连的第一路油路上设有第一压力传感器，双向定量泵与B腔相连的第二路油路上设有第二压力传感器，第一压力传感器与第二压力传感器均与控制器相连。

6.根据权利要求4所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，低压油箱通过两路油路与等差液压缸的A腔、B腔相连，低压油箱与A腔的连接油路上设有第一单向阀，低压油箱与B腔的连接油路上设有第二单向阀。

7.根据权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，移动式主动升沉补偿器还设有溢流阀，溢流阀设于等差液压缸的两个容腔端口之间；

优选的，溢流阀的数量为两个，两个溢流阀反向并联于等差液压缸的两个容腔之间。

8.根据权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，控制器与伺服电机之间设有转速传感器。

9.根据权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器，其特征在于，移动式主动升沉补偿器还包括密封壳体，等差液压缸、双向定量泵、伺服电机、控制器、电源均设于壳体内，等差液压缸的活塞杆伸出壳体，所述电源为电池组。

10.一种利用权利要求1所述的移动式主动升沉补偿器的工作方法，包括步骤如下：

将运动参考单元MRU、吊机固定安装在海工作业母船上，将移动式主动升沉补偿器串入在吊机与负载M之间；

当海工作业母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第二路等差液压缸的B腔吸油，向第一路等差液压缸的A腔排油，使等差液压缸活塞杆伸出进行补偿；

当海工作业母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元MRU将检测的速度和加速度信号通过无线通信的方式反馈给控制器，控制器通过伺服电机以相对应转速控制双向定量泵从第一路等差液压缸的A腔吸油，向第二路等差液压缸的B腔排油，使等差液压缸活塞杆缩回进行补偿；

优选的，步骤还包括，安装时，将两个以上的移动式主动升沉补偿器并联连接，串入吊机与负载之间。