CN108877372B - 一种主被动式波浪补偿的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动式波浪补偿的实验装置。该主被动式波浪补偿的实验装置，包括波浪模拟平台、安装于波浪模拟平台上的负载吊放系统、与负载吊放系统相连的主被动波浪补偿系统；所述波浪模拟平台包括一固定底座，在固定底座的上方设有一平台，所述固定底座与平台之间通过六自由度模拟液压缸组相连。该主被动式波浪补偿的实验装置，采用六自由度海浪姿态模拟系统设备作为波浪模拟平台，能够对未来时间节拍的平台运动趋势进行预测，从而作出相应补偿措施，主被动波浪补偿实验装置能为波浪补偿预测算法研究和调试提供真实的实验环境。实验装置采用变量泵作为驱动力，增大主被动波浪补偿装置的负载能力。

Description

一种主被动式波浪补偿的实验装置

技术领域：

本发明涉及一种波浪补偿实验装置，尤其是一种主被动式波浪补偿的实验装置。

背景技术：

随着海洋资源的开发利用和海洋开发技术的不断提升，我国海上作业的种类和数量越来越多。与陆地环境不同，海上作业环境恶劣，会受到风、波浪、潮流的影响，使船体产生颠簸，从而使吊装的重物不可避免的产生纵摇、横遥、艏摇，纵荡、横荡、垂荡及其耦合运动，极大地影响海上作业的效率与安全性。为此，在现有的海上作业装备中增加波浪补偿装置来解决上述问题。

目前的升沉补偿装置主要有主动补偿形式、被动补偿形式、主被动补偿形式三类。主动补偿装置的补偿工作需要依靠动力机的能源，如液压缸。在阀控式液压缸补偿系统中，通过实时检测船的运动状态，来控制阀的状态，从而实现液压缸的伸缩。在泵控式液压缸补偿系统中，通过伺服电机带动双向变量泵来实现液压缸的伸缩。被动补偿装置是一种依靠波浪的升举力和船身自身的重力控制液压缸中活塞的移动，从而压缩和释放蓄能器中的气体来补偿重物的升沉位移。主被动补偿装置是主动补偿装置与被动补偿装置的结合，然而目前对主被动补偿装置的研究还较少，为了充分对主被动式波浪补偿装置进行设计优化，开发出具有波浪预测、张力补偿、速度补偿、位移补偿的控制算法，推进国产升沉补偿器的产品化，现在亟需一种主被动式波浪补偿实验装置来为波浪补偿控制算法和调试提供实验环境。

发明内容：

本发明提供了一种方便研究波浪预测、张力补偿、速度补偿和位移补偿的控制算法、方便对主被动式波浪补偿装置进行设计优化、推进升沉补偿装置产品化的主被动式波浪补偿的实验装置，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种主被动式波浪补偿的实验装置，包括波浪模拟平台、安装于波浪模拟平台上的负载吊放系统、与负载吊放系统相连的主被动波浪补偿系统；所述波浪模拟平台包括一固定底座，在固定底座的上方设有一平台，所述固定底座与平台之间通过六自由度模拟液压缸组相连；

所述主被动波浪补偿系统包括补偿执行单元、检测所述平台和负载吊放系统工作状态的位姿检测单元、分析位姿检测单元发来信号并向补偿执行单元发送指令的控制器、驱动补偿执行单元的液压补供油单元和蓄能单元；

所述负载吊放系统包括固定于平台顶部的绞车、第一定滑轮、第二定滑轮、第三定滑轮以及固定于补偿执行单元顶部的动滑轮，自绞车放出的缆绳依次经第一定滑轮的顶部、动滑轮的顶部、第二定滑轮的底部、第三定滑轮的顶部后在缆绳末端悬挂有一负载；

所述补偿执行单元包括缸体固定于平台顶部的第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸，所述第一补偿液压缸和第二补偿液压缸为单作用液压缸，第三补偿液压缸为双作用液压缸，第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸的活塞杆自由端均与动滑轮的安装座相连；

所述液压补供油单元包括油箱、变量泵、三位四通阀和电磁换向阀，第三补偿液压缸的有杆腔油口与三位四通阀的第一油口相连，第一补偿液压缸和第二补偿液压缸的油口并联后与三位四通阀的第二油口相连，变量泵的进油口和出油口分别与油箱及三位四通阀的第三油口相连，油箱还与三位四通阀的第四油口相连；所述电磁换向阀的第一油口和第二油口分别连接三位四通阀的第一油口和第二油口，电磁换向阀的第一油口还与第三补偿液压缸的有杆腔油口相连，电磁换向阀的第二油口还与第一补偿液压缸和第二补偿液压缸的油口相连，第三补偿液压缸的无杆腔油口与蓄能单元相连，三位四通阀和电磁换向阀的控制端与控制器的输出端相连。

所述位姿检测单元包括设于平台顶部的MRU传感器，分别设于第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸活塞杆上的位移传感器，以及设于负载与第三定滑轮之间缆绳上的张力传感器，各传感器与控制器的输入端相连。

所述蓄能单元包括气液蓄能器，气液蓄能器的气口与储气瓶组相连，气液蓄能器的油口与第三补偿液压缸的无杆腔油口相连。

所述液压补供油单元还包括单向阀和第一溢流阀，所述单向阀设于三位四通阀的第三油口与变量泵的出油口之间，所述第一溢流阀的进油口与单向阀的出油口并联，第一溢流阀的出油口连接油箱。

所述液压补供油单元还包括第二溢流阀和第三溢流阀，所述第二溢流阀的出油口、第三溢流阀的进油口及电磁换向阀的第一油口并联后一起连接到三位四通阀的第一油口，第二溢流阀的进油口、第三溢流阀的出油口及电磁换向阀的第二油口并联后一起连接到三位四通阀的第二油口。

所述六自由度模拟液压缸组包括六个模拟液压缸，每个模拟液压缸的两端分别通过虎克铰与固定底座和平台铰接。

固定底座通过地脚螺栓与钢混地基固定。

所述三位四通阀为电液比例阀。

所述控制器为PLC控制器。

本发明采用上述结构，具有以下优点：

采用六自由度海浪姿态模拟系统设备作为波浪模拟平台，更加真实的模拟海洋环境中纵摇、横遥、艏摇，纵荡、横荡、垂荡六个自由度，为主被动波浪补偿实验提供真实环境；通过MRU实时检测平台的运动状态，对未来时间节拍的平台运动趋势进行预测，经控制器控制主动补偿液压缸作出相应补偿措施；实验装置采用变量泵作为驱动力，增大主被动波浪补偿装置的负载能力，能为波浪补偿预测算法研究和调试提供真实的实验环境，方便研究波浪预测、张力补偿、速度补偿和位移补偿的控制算法，方便对主被动式波浪补偿装置进行设计优化，推进升沉补偿装置产品化。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1的液压原理图；

图3为本发明实施例2的液压原理图。

图中，1、固定底座，2、平台，3、六自由度模拟液压缸组，4、补偿执行单元，5、控制器，6、绞车，7、第一定滑轮，8、第二定滑轮，9、第三定滑轮，10、动滑轮，11、负载，41、第一补偿液压缸，42、第二补偿液压缸，43、第三补偿液压缸，12、油箱，13、变量泵，14、三位四通阀，15、电磁换向阀，16、MRU传感器，17、位移传感器，18、张力传感器，19、气液蓄能器，20、储气瓶组，21、单向阀，22、第一溢流阀，23、第二溢流阀，24、第三溢流阀。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

实施例1：

如图1-图2中所示，本实施例主被动式波浪补偿的实验装置，包括波浪模拟平台、安装于波浪模拟平台上的负载吊放系统、与负载吊放系统相连的主被动波浪补偿系统；所述波浪模拟平台包括一固定底座1，在固定底座1的上方设有一平台2，所述固定底座1与平台2之间通过六自由度模拟液压缸组3相连；

所述主被动波浪补偿系统包括补偿执行单元4、检测所述平台和负载吊放系统工作状态的位姿检测单元、分析位姿检测单元发来信号并向补偿执行单元发送指令的控制器5、驱动补偿执行单元的液压补供油单元和蓄能单元；所述控制器为PLC控制器。

所述负载吊放系统包括固定于平台2顶部的绞车6、第一定滑轮7、第二定滑轮8、第三定滑轮9以及固定于补偿执行单元4顶部的动滑轮10，自绞车6放出的缆绳依次经第一定滑轮7的顶部、动滑轮10的顶部、第二定滑轮8的底部、第三定滑轮9的顶部后在缆绳末端悬挂有一负载11；

所述补偿执行单元4包括缸体固定于平台2顶部的第一补偿液压缸4-1、第二补偿液压缸4-2和第三补偿液压缸4-3，三个液压缸呈直线对称排列，所述第一补偿液压缸4-1和第二补偿液压缸4-2为单作用液压缸，第三补偿液压缸4-3为双作用液压缸，第一补偿液压缸4-1、第二补偿液压缸4-2和第三补偿液压缸4-3的活塞杆自由端均与动滑轮10的安装座相连；通过三个液压缸活塞杆的伸长与收缩来实现对负载上下方向上的补偿。

所述液压补供油单元包括油箱12、变量泵13、三位四通阀14和电磁换向阀15，第三补偿液压缸4-3的有杆腔油口与三位四通阀14的第一油口相连，第一补偿液压缸4-1和第二补偿液压缸4-2的油口并联后与三位四通阀14的第二油口相连，变量泵13的进油口和出油口分别与油箱12及三位四通阀14的第三油口相连，油箱12还与三位四通阀14的第四油口相连；所述电磁换向阀15的第一油口和第二油口分别连接三位四通阀14的第一油口和第二油口，电磁换向阀15的第一油口还与第三补偿液压缸4-3的有杆腔油口相连，电磁换向阀15的第二油口还与第一补偿液压缸4-1和第二补偿液压缸4-2的油口相连，由控制器5控制电磁换向阀15实现被动补偿与主被动补偿的切换，第三补偿液压缸4-3的无杆腔油口与蓄能单元相连，三位四通阀14和电磁换向阀15的控制端与控制器5的输出端相连，所述三位四通阀为电液比例阀。

所述位姿检测单元包括设于平台2顶部的MRU传感器16，分别设于第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43活塞杆上的位移传感器17，以及设于负载11与第三定滑轮9之间缆绳上的张力传感器18，各传感器与控制器5的输入端相连，MRU传感器16实时检测平台2的运动状态。

所述蓄能单元包括气液蓄能器19，气液蓄能器19的气口与储气瓶组20相连，气液蓄能器19的油口与第三补偿液压缸4-3的无杆腔油口相连。

所述六自由度模拟液压缸组3包括六个模拟液压缸，每个模拟液压缸的两端分别通过虎克铰与固定底座1和平台2铰接，固定底座1通过地脚螺栓与钢混地基固定，每个模拟液压缸的油路与波浪模拟平台的运动控制计算机相连，运动控制计算机通过协调控制各个模拟液压缸的行程，实现波浪模拟平台六自由度的运动。

摇摆运动时，若用户输入期望的摇摆平台位姿，如垂直升降正弦运动，该运动参数传输给运动控制计算机，运动控制计算机通过运动学反解计算出六支液压缸的运动参数(液压缸位移量)，并通过数字总线传输给分布式控制器。分布式控制器根据六支液压缸运动参数和六支液压缸的位移反馈量，驱动六个伺服阀，实现六支液压缸闭环位置控制，使六支液压缸达到所要求的位移量，那么六自由度海洋模拟试验平台也就达到了所期望的运动姿态，即模拟海况。

本实施例使用的六自由度波浪模拟平台的物理特性：

(a)承载能力，最大静载荷：10T，最大动载荷：5T。

(b)运动自由度，横摇(绕X轴旋转)、纵摇(绕Y轴旋转)、偏航(绕Z轴旋转)、纵向(沿X轴平动)、横向(沿Y轴平动)和升沉(沿Z轴平动)。

(c)运动参数，并联6自由度Stewart平台结构；平台尺寸不小于3m×3m；平台工作行程Z向：±800mm、X向：±100mm、Y向：±100mm；平台摇摆角度，纵摇：±35°，横摇：±35°，偏航：±35°；倾覆力矩100kNm；工作频率：1Hz，0.125Hz时振幅±800mm。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：

所述液压补供油单元还包括单向阀21和第一溢流阀22，所述单向阀21设于三位四通阀14的第三油口与变量泵13的出油口之间，所述第一溢流阀22的进油口与单向阀21的出油口并联，第一溢流阀22的出油口连接油箱12。

所述液压补供油单元还包括第二溢流阀23和第三溢流阀24，所述第二溢流阀23的出油口、第三溢流阀24的进油口及电磁换向阀15的第一油口并联后一起连接到三位四通阀14的第一油口，第二溢流阀23的进油口、第三溢流阀24的出油口及电磁换向阀15的第二油口并联后一起连接到三位四通阀14的第二油口。在升沉补偿过程中，第二溢流阀23和第三溢流阀24使系统的压力保持正常值。具体地，第二溢流阀23和第三溢流阀24并联，安装方向相反。当三位四通阀14处于右位，系统压力高于第三溢流阀24的调定值时，液压油经过第三溢流阀24，通过三位四通阀14的第二油口进入油箱，从而使系统压力恢复到正常值。当三位四通阀14处于左位，系统压力高于第二溢流阀23的调定值时，液压油经过第二溢流阀23，通过三位四通阀14的第一油口进入油箱12，从而使系统压力恢复到正常值。

本发明的工作过程及原理是：在研究主被动升沉补偿控制算法的实验时，计算机控制系统通过协调控制各个模拟液压缸的行程，实现六自由度海洋模拟试验平台的运动。平台2上的MRU4检测上平台2的运动状态，并把检测信号传递给控制器5，控制器5对上平台2的位置姿态进行结算并预测其未来的运动状态，然后控制三位四通阀14和电磁换向阀15对吊装的负载11做补偿运动，保持负载11在运动中的位置不变。具体地说是通过控制主动补偿缸活塞杆与被动补偿缸活塞杆的伸出与收回来保持负载11在运动中位置不变。

当波浪模拟平台的升沉频率处于高频时，被动补偿的补偿效果较明显，使电磁换向阀15处于左位，三位四通阀14处于中位，此时只有被动升沉补偿子系统。

当波浪模拟平台模拟海浪作用向上运动时，所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均瞬时向上，由于负载11也向上运动，缆绳对动滑轮10的拉力增大，使所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆向下的压力增大，产生压力差，第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均向下运动，带动动滑轮10向下运动，以补偿所述负载11因海浪作用产生的向上的位移。同时，第一补偿液压缸41和第二补偿液压缸42的液压油通过电磁换向阀15进入第三补偿液压缸43的有杆腔,第三补偿液压缸43的无杆腔内的液压油被压入气液蓄能器19，气液蓄能器19的活塞向上运动，气液蓄能器19和储气瓶组20内的工作气体的体积压缩，压强增大，从而达到补偿后的油气压力平衡。

当波浪模拟平台模拟海浪作用向下运动时，所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均瞬时向下。由于负载11也向下运动，缆绳对动滑轮10的拉力减小，使所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆向下的压力减小，产生压力差，第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均向上运动，带动动滑轮10向上运动，以补偿所述负载11因海浪作用产生的向下的位移。同时，第三补偿液压缸43的有杆腔内的液压油通过电磁换向阀15进入第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42内,气液蓄能器19内的液压油被压入第三补偿液压缸43的无杆腔，气液蓄能器19的活塞向下运动，气液蓄能器19和储气瓶组20内的工作气体的体积膨胀，压强减小，从而达到补偿后的油气压力平衡。

当波浪模拟平台的升沉频率处于低频时，主被动补偿性能优于被动补偿。使电磁换向阀15处于右位，主动升沉补偿子系统与被动升沉补偿子系统同时进行补偿。

当波浪模拟平台模拟海浪作用向上运动时，所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均瞬时向上。由于负载11也向上运动，缆绳对动滑轮10的拉力增大，所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆向下的压力增大，产生压力差，使第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均向下运动，带动动滑轮10向下运动，以补偿所述负载11因海浪作用产生的向上的位移。同时，三位四通阀14在控制器5的作用下处于右位，变量泵13旋转输出压力油，经单向阀21进入第三补偿液压缸43的有杆腔，有杆腔内压力增大，活塞杆进一步下移。第三补偿液压缸43的无杆腔内的液压油被压入气液蓄能器19，气液蓄能器19的活塞向上运动，气液蓄能器19和储气瓶组20内的工作气体的体积压缩，压强增大，从而达到补偿后的油气压力平衡。同时第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42内的液压油经三位四通阀14流回油箱12。

当波浪模拟平台模拟海浪作用向下运动时，所述第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均瞬时向下。由于负载11也向下运动，缆绳对动滑轮10的拉力减小，第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆向下的压力减小，产生压力差，使第一补偿液压缸41、第二补偿液压缸42和第三补偿液压缸43的活塞杆均向上运动，带动动滑轮10向上运动，以补偿所述负载11因海浪作用产生的向下的位移。同时，三位四通阀14在控制器5的作用下处于左位，变量泵13旋转输出压力油，经单向阀21进入第一补偿液压缸41和第二补偿液压缸42内，第一补偿液压缸41和第二补偿液压缸42内压力增大，活塞杆进一步上移。气液蓄能器19内的液压油压入第三补偿液压缸43的无杆腔内，气液蓄能器19的活塞向下运动，气液蓄能器19和储气瓶组20内的工作气体的体积膨胀，压强减小，从而达到补偿后的油气压力平衡。同时，第三补偿液压缸43的有杆腔内的液压油经三位四通阀14流回油箱12。

综上所述，本发明波浪补偿实验装置采用六自由度海浪姿态模拟系统设备作为波浪模拟平台，能够更加真实的模拟海洋环境中纵摇、横遥、艏摇，纵荡、横荡、垂荡六个自由度，为主被动波浪补偿实验提供真实环境。主被动波浪补偿对未来时间节拍的平台运动趋势进行预测，从而作出相应补偿措施，主被动波浪补偿实验装置能为波浪补偿预测算法研究和调试提供真实的实验环境。实验装置采用变量泵作为驱动力，增大主被动波浪补偿装置的负载能力。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:包括波浪模拟平台、安装于波浪模拟平台上的负载吊放系统、与负载吊放系统相连的主被动波浪补偿系统；所述波浪模拟平台包括一固定底座,在固定底座的上方设有一平台,所述固定底座与平台之间通过六自由度模拟液压缸组相连；

所述主被动波浪补偿系统包括补偿执行单元、检测所述平台和负载吊放系统工作状态的位姿检测单元、分析位姿检测单元发来信号并向补偿执行单元发送指令的控制器、驱动补偿执行单元的液压补供油单元和蓄能单元；

所述负载吊放系统包括固定于平台顶部的绞车、第一定滑轮、第二定滑轮、第三定滑轮以及固定于补偿执行单元顶部的动滑轮,自绞车放出的缆绳依次经第一定滑轮的顶部、动滑轮的顶部、第二定滑轮的底部、第三定滑轮的顶部后在缆绳末端悬挂有一负载；

所述补偿执行单元包括缸体固定于平台顶部的第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸,所述第一补偿液压缸和第二补偿液压缸为单作用液压缸,第三补偿液压缸为双作用液压缸,第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸的活塞杆自由端均与动滑轮的安装座相连；

所述液压补供油单元包括油箱、变量泵、三位四通阀和电磁换向阀,第三补偿液压缸的有杆腔油口与三位四通阀的第一油口相连,第一补偿液压缸和第二补偿液压缸的油口并联后与三位四通阀的第二油口相连,变量泵的进油口和出油口分别与油箱及三位四通阀的第三油口相连,油箱还与三位四通阀的第四油口相连；所述电磁换向阀的第一油口和第二油口分别连接三位四通阀的第一油口和第二油口,电磁换向阀的第一油口还与第三补偿液压缸的有杆腔油口相连,电磁换向阀的第二油口还与第一补偿液压缸和第二补偿液压缸的油口相连,第三补偿液压缸的无杆腔油口与蓄能单元相连,三位四通阀和电磁换向阀的控制端与控制器的输出端相连;

所述位姿检测单元包括设于平台顶部的MRU传感器,分别设于第一补偿液压缸、第二补偿液压缸和第三补偿液压缸活塞杆上的位移传感器,以及设于负载与第三定滑轮之间缆绳上的张力传感器,各传感器与控制器的输入端相连；

所述蓄能单元包括气液蓄能器,气液蓄能器的气口与储气瓶组相连,气液蓄能器的油口与第三补偿液压缸的无杆腔油口相连。

2.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:所述液压补供油单元还包括单向阀和第一溢流阀,所述单向阀设于三位四通阀的第三油口与变量泵的出油口之间,所述第一溢流阀的进油口与单向阀的出油口并联,第一溢流阀的出油口连接油箱。

3.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:所述液压补供油单元还包括第二溢流阀和第三溢流阀,所述第二溢流阀的出油口、第三溢流阀的进油口及电磁换向阀的第一油口并联后一起连接到三位四通阀的第一油口,第二溢流阀的进油口、第三溢流阀的出油口及电磁换向阀的第二油口并联后一起连接到三位四通阀的第二油口。

4.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:所述六自由度模拟液压缸组包括六个模拟液压缸,每个模拟液压缸的两端分别通过虎克较与固定底座和平台较接。

5.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:固定底座通过地脚螺栓与钢混地基固定。

6.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:所述三位四通阀为电液比例阀。

7.根据权利要求1所述的一种主被动式波浪补偿的实验装置,其特征在于:所述控制器为PLC控制器。