CN115263832B - 一种数字型低耗节能的移动补偿器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种数字型低耗节能的移动补偿器及其工作方法，属于海洋工程设备技术领域，包括壳体、单出杆液压缸、数字型液压控制系统和负载平衡器；单出杆液压缸伸出杆与负载相连；数字型液压控制系统通过主油路A和主油路B分别与单出杆液压缸的无杆腔和有杆腔相连，单出杆液压缸伸出杆安装有位移传感器；负载平衡器的数量为多个，在壳体内环绕设置在单出杆液压缸周围，负载平衡器的油腔与单出杆液压缸的有杆腔相连，每个负载平衡器由单独的开关控制通断。本发明安装在起吊机的钢丝绳和负载绳索之间，在负载提升和下降过程中，可以对负载的升沉运动进行有效的补偿，提高了海工作业的安全性，同时具有低耗节能、低成本、通用性好，高集成性的特点。

Description

一种数字型低耗节能的移动补偿器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种数字型低耗节能的移动补偿器及其工作方法，主要应用于海洋资源开发、海上货物起吊、舰船物资传输、潜水器下放和回收等场景，属于海洋工程设备技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展，人类对能源的消耗日益增大，陆地资源已经不能满足需求，各国开始加大对海洋资源的开发利用，海洋作业日益发达。船舶是海上作业必不可缺的工具。在广阔的海洋环境中，海洋装备在开采、探测、物资运输和补给时，船舶往往受到海上风浪、海流和自身运动的影响，产生升沉、横倾、纵摇等不确定性运动。这些现象对于海洋工作有很大影响，严重时会造成重大安全事故，移动补偿技术由此而来。
移动补偿技术是针对不确定运动中升沉运动的抑制校正，在恶劣海况下，具有移动补偿技术的船舶能最大限度的缓解因外界干扰引起的船舶在垂直方向上的不确定性运动，从而保证海上作业的安全进行。移动补偿技术通过检测负载运动姿态和海浪信号，并将所得数据传输到控制系统，从而控制补偿执行元件的运动来达到升沉运动的补偿和校正，确保海上作业能够平稳安全高效的进行。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种数字型低耗节能的移动补偿器及其工作方法，本移动补偿器安装在起吊机的钢丝绳和负载绳索之间，在负载提升和下降过程中，可以对负载的升沉运动进行有效的补偿，提高了海工作业的安全性，同时具有低耗节能、低成本、通用性好，高集成性的特点。
本发明采用的技术方案如下：
一种数字型低耗节能的移动补偿器，包括壳体、单出杆液压缸、数字型液压控制系统和负载平衡器；
所述壳体为圆台状，下窄上宽以减小补偿器的入水阶段的冲击，其上部连接起吊机的钢丝绳，单出杆液压缸位于壳体中部，单出杆液压缸的伸出杆与负载相连，通过液压缸的活塞杆伸出或者缩回，控制负载进行位移补偿；
所述数字型液压控制系统通过主油路A和主油路B分别与单出杆液压缸的无杆腔和有杆腔相连，通过控制流量精准分配调节单出杆液压缸活塞的运动，单出杆液压缸伸出杆安装有位移传感器，用于实时监测负载的位移值并传回数字型液压控制系统的控制器；
所述负载平衡器的数量为多个，在壳体内环绕设置在单出杆液压缸周围，负载平衡器的油腔与单出杆液压缸的有杆腔相连，每个负载平衡器由单独的开关控制通断。
单出杆液压缸、数字型液压控制系统、负载平衡器、各个传感器集成安装在筒状壳体内，安装方向从壳体底部往上，依次为单出杆液压缸、数字型液压控制系统，负载平衡器环绕在单出杆液压缸周围，在壳体上液压缸活塞杆伸出位置开有一个通孔，通孔与活塞杆均为间隙配合，液压缸的活塞杆下端与负载连接。
优选的，所述数字型液压控制系统包括四象限马达、伺服电机、控制器、液控单向阀A和液控单向阀B；
四象限马达连接主油路A和主油路B，主油路A另一端连接单出杆液压缸无杆腔，主油路B另一端连接单出杆液压缸有杆腔，四象限马达连接补油路C，补油路C另一端连接低压蓄能器；主油路A与四象限马达之间设置数字阀C，主油路B与四象限马达之间设置数字阀D，主油路与四象限马达的通断由两个数字阀C、D控制，主油路A与四象限马达的通断由数字阀C控制，主油路B与四象限马达的通断由数字阀D控制；
在主油路A和主油路B连接单出杆液压缸的油路靠近单出杆液压缸处，分别设置有压力传感器B和压力传感器C，用于检测单出杆液压缸进出油口的液压压力并传回控制器；数字阀A和数字阀B串联后，并联在主油路A和主油路B之间，低压蓄能器用于补充由于单出杆液压缸两腔的非对称导致的油液不平衡，补油路C连接于数字阀A和数字阀B之间；引入液控单向阀A和液控单向阀B，液控单向阀A和液控单向阀B串联后，并联在主油路A和主油路B之间，解决因数字阀流通能力小无法完全弥补液压缸油液不平衡问题。补油路C连接在液控单向阀A和液控单向阀B之间，补油路C设置有温度传感器和压力传感器A，用于实时监测油路的温度和压力，并将数据传回控制器；主油路A和主油路B之间分别并联有溢流阀A和溢流阀B，溢流阀A和溢流阀B流通方向相反，两个溢流阀保证两个主油路的油液压力小于系统最高允许压力，避免液压元件因承受巨大压力而损坏。
单出杆液压缸的有杆腔通过平衡油路D与多个不同初始参数的负载平衡器的油腔相连，平衡油路D上设置有压力传感器D，用于检测平衡油路D的压力并传回控制器，位移传感器、伺服电机、数字阀C、数字阀D、压力传感器B、压力传感器C、数字阀A、数字阀B、温度传感器、压力传感器A、压力传感器D均与控制器连接。
本发明的控制器与各个传感器之间通过电连接，采集系统中的压力、温度、位移的反馈数值，监控系统实时状态。控制器根据采集的数据信息做出反应，给数字阀A、B、C、D输入控制信号，实现实时控制。控制器连接伺服电机，控制伺服电机转速进而控制四象限马达泵口流量。控制器连接压力传感器B、压力传感器C，用于检测单出杆液压缸进出油口压力。控制器连接压力传感器A和温度传感器，检测补油路蓄能器进出油路的温度和压力。控制器连接数字阀A和数字阀B，控制器通过PWM（脉冲宽度调制），向数字阀输出一定占空比的数字信号，数字阀根据数字信号，调整内部阀芯的开口程度，从而控制输出到主油路的流量，实现主油路流量的精准调节。
值得注意的是，本发明中液压控制系统的控制器在向各个执行元件发送控制信号时，其精确控制量（如数字阀的阀口开度等）的计算过程可参见现有技术，也不是本发明的重点，此处不再详细说明。
优选的，负载平衡器包括外壳、活塞和弹性体隔膜，活塞包括底部的板状活塞和上部的球状活塞，板状活塞和球状活塞为一体结构，所述球状活塞由上部的定面积活塞和下部的变表面活塞组成，定面积活塞为半球型，变面积部分形如凹曲线的杯状，弹性体隔膜固定在外壳上，弹性体隔膜内部与外壳之间形成气腔，弹性体隔膜始终与定面积活塞相接触，弹性体隔膜与变表面活塞的接触面积不断变化，且弹性体隔膜对变表面活塞的作用力始终为恒力。
负载平衡器在工作过程中，随着活塞推进压缩气腔，气腔体积减小压力增大，同时弹性体隔膜吞裹活塞导致隔膜对活塞的有效作用面积减小，因此通过隔膜对变面积活塞的作用力始终为恒力，匹配预设的负载重力。
优选的，所述外壳由外壳A、外壳B和外壳C组成，外壳A、外壳B和外壳C之间通过螺钉固定，外壳B和外壳C之间用于固定弹性体隔膜，优选通过螺钉B连接外壳B和外壳C，外壳B上设置有充气阀，用于给气腔充气，外壳A用于将充气阀密封，使用时，先通过充气阀给气腔充气，然后安装外壳A，通过螺钉A固定；
因为负载平衡器工作时活塞腔体积发生变化，外壳C上设置有平衡阀口，与油箱相连，用于平衡活塞腔压力；外壳A、外壳B和外壳C外部均作防锈防腐处理并完全密封，使之适用于深海工况；
优选的，弹性体隔膜选择可变性柔性材料，可以为橡胶材质加入添加剂提高隔膜的化学性能和弯曲性能，在制作时，也可采用隔膜夹层编织尼龙网强化隔膜。
平衡油路D连接多个平衡参数或初始参数不同的负载平衡器，每个负载平衡器由单独的开关控制通断，可以通过选择不同的负载平衡器来对应平衡不同负载。
当负载平衡器的油腔吸油时，推动活塞压缩气腔，弹性体隔膜吞裹变面积活塞，此时气腔压力增大但弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积减少。当油腔排油时，变面积活塞远离气腔，弹性体隔膜吐露出变面积活塞，气腔压力减少但隔膜对变面积活塞有效作用面积增大。负载平衡器吸排油过程中，弹性体隔膜对活塞作用力始终保持恒定，实现恒力平衡负载。平衡阀口用于平衡活塞运动时导致的活塞腔油液变化。
优选的，对于液压缸：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
对于负载平衡器：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
得到
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，其中，M为负载质量，g为重力加速度，P 4、A 4分别为液压缸有 杆腔油压和面积，P 3、A 3分别为液压缸无杆腔油压和面积，A 4′为负载平衡器油腔面积，P x 为 活塞行程x时的气腔压力，A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积，P 0、A 0为负载平衡器的初始参数，分别表示负载平衡器初始设置的气腔压力和对应的活塞有 效作用面积，设计不同的初始参数对应平衡不同负载。
优选的，求解变表面活塞的有效作用力的过程为：
以变面积活塞半圆形圆心下极限位置建立一维坐标系0-X，正方向为活塞推进方向，此坐标系为绝对坐标系；以变面积活塞半圆形圆心为原点建立相对笛卡尔坐标系X′—r，X′正方向为活塞推进反方向，r正方向为X′正方向绕原点逆时针90°，此坐标系为相对坐标系；
根据流体静力学原理：静压力作用在曲面某一方向上的总力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积，x dis 为活塞行程，r con为卷须与变面积活塞的接触点到中轴线的距离，卷须为弹性体隔膜在变面积活塞上卷绕所形成的半圆形结构；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；r con.x为活塞行程为x时卷须与变面积活塞接触点到中轴线的距离；r rad 为负载平衡器内腔半径；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
F g为活塞行程为x时，气腔对活塞的轴向作用力；p x 为行程x时的气腔压力。
优选的，计算变表面活塞半径的过程为：
设气腔最大工作压力为p 1，体积为V 1，此时为负载平衡器完全充油时；最小工作压力为p 2，体积为V 2，此时为负载平衡器完全排油时；
根据理想气态方程，得到变面积活塞行程压力：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，x dis 为活塞行程，p x 为活塞行程x时的气腔压力，V g为气腔体积；
解得
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
可以得到任意行程，气腔对活塞的轴向作用力F g为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
装置为负载平衡器，故任意行程作用力F g为一定值；
解得
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
带入初始条件，即完全释能时状态条件F g=p 2 A act.0
A act.0表示活塞行程为0时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；
联立
Figure DEST_PATH_IMAGE010
得
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
可以得到活塞行程为x时（即不同活塞位移x dis ）须卷与变面积活塞接触点到中轴线的距离r con.x。
优选的，求解变表面活塞轮廓的过程为：
当卷须为半圆形时，在绝对坐标系中，设气腔上顶端弹性体隔膜固定处到活塞下 极限位置的垂直距离为L，在相对坐标系中，设卷须中心的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，设任意时 刻弹性体隔膜与变面积活塞瞬时接触时接触点坐标为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
，设卷须半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，轴线 左侧和右侧计算方法相同，为方便计算，只选取轴线右侧部分进行计算；
因为弹性体隔膜包裹定面积活塞部分固定不变，故忽略不计；
弹性体隔膜周长为定值，右侧部分弹性体隔膜周长
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为右侧弹性体隔膜的总周长；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为弹性体隔膜与右侧外壳接触的周长（从右边隔膜最顶端开始）；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为卷须的周长；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长；
根据模型图求得
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
根据模型图求得
Figure DEST_PATH_IMAGE021
因弹性体隔膜周长为定值，故代入初始条件
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
求得
Figure DEST_PATH_IMAGE023
离散方法计算
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
，i时刻卷须与变面积活塞接触点A为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，上一刻，即i- 1时刻接触点B为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
，i=1,2,3…n，n的近似值为，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
为活塞行程x的最大值，采用
Figure DEST_PATH_IMAGE029
近似估算变面积活塞的外形母线；Δs为加工步 长，优选为0.2mm、0.5mm或1mm；
当精度要求高，n较大时，优选n>1000时，选用以下方法求得变面积活塞轮廓：
连接点A、B，并分别向坐标轴做垂线，构成直角三角形，直角三角形斜边近似于活塞侧面轮廓；
得
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示i时刻卷须中心的x′方向坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
变化量的平方；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示i时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到中轴线距离的变化量的平 方；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
表示i-1时刻的弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
分别表示i时刻和i-1时刻卷须中心的x′方向坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
分别表示i时刻和i-1时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到中轴 线距离；
通过以上公式求出关于卷须横轴坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE039
关于活塞行程
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
的函数；
联合接触点活塞半径
Figure DEST_PATH_IMAGE041
关于活塞行程
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE043
即可求得具体活塞轮廓。
优选的，求解变表面活塞轮廓时，当精度要求不高，n较小时，优选当n<1000时，采用以下方法求得变面积活塞轮廓：
设计时，将负载平衡器变面积活塞垂直轴向均分n等份（n可近似表示加工精度），截面分别命名为L0，L1，L2，…，Ln-1，Ln；
设初始时变面积活塞处于下极限位置，卷须与变面积活塞接触点为点A，此时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔压力为P0，变面积活塞受气腔作用力为Fg=S0×P0；
假设活塞每次推进距离为两截面之间距离，即T0时刻，卷须与变面积活塞接触点为点A，变面积活塞的截面面积为S0，气腔压力为P0，T1时刻，卷须与变面积活塞接触点为点B，变面积活塞的截面面积为S1，气腔压力为P1，依次类推，Tn时刻，卷须与变面积活塞接触点为点N，变面积活塞的截面面积为Sn，气腔压力为Pn，ABC…为接触点，A′B′C′…为接触点ABC…为关于轴线的镜像对称点；
根据负载平衡器功能设计，需要满足Fg=S0×P0=S1×P1=S2×P2=…=Sn×Pn；
从L0到L1举例说明，接触点为A时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔 压力为P0；在截面L1上找一接触点B，从L0到L1，求得L1截面时，活塞截面面积为S1，气体体积 变化量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
为圆台AA′B′B体积，根据理想气态方程式PV=NRT（P为压强，V为气体体积，N为气 体的物质的量，R为理想气体常数，T表示理想气体的热力学温度），可以求出气腔压力P1与 初始气腔压力P0关系式，假设温度基本不变，得
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为气体体积变化量，为 圆台AA′B′B体积；
根据负载平衡原理，Fg=S0×P0=S1×P1，可以求得接触点B的具体位置；
连接线段AB，用线段AB近似拟成变面积活塞外形母线；如此重复迭代，即可用各个接触点ABCD…的折线代替变面积活塞轮廓。
一种上述的数字型低耗节能的移动补偿器的工作方法，在工作母船上，将移动补偿器串联接入起吊机和负载M之间，而非固定在母船的甲板上，当海工作业时，工作母船在海浪洋流等干扰下上升时，负载随之上升，为了补偿负载位移，单出杆液压缸的活塞伸出杆伸出，此时单出杆液压缸有杆腔为高压油，无杆腔为低压油，有杆腔高压液压油经主油路B，带动四象限马达反转存储能量在蓄电池，再流经主油路A回到无杆腔，此时液控单向阀B关闭，数字阀B开启，液压油通过数字阀B流回补油路C；有杆腔流出流量等于流经四象限马达流量加上流经数字阀B流量，由控制器控制四象限马达和数字阀B，从而控制无杆腔流出流量控制负载下降；液控单向阀A开启，弥补单出杆液压缸的油液非对称性的流量差，数字阀A开启辅助弥补向无杆腔供油；单出杆液压缸有杆腔还连接负载平衡器，故在活塞杆向下移动时，有杆腔依然保持恒压，负载下降平稳可靠；
在海上作业时，工作母船受干扰下降时，负载随之下降，为保持负载位置稳定，单出杆液压缸的活塞伸出杆回缩，此时单出杆液压缸无杆腔为高压油，有杆腔为低压油，四象限马达正转，通过主油路A从单出杆液压缸无杆腔吸油，再经过主油路B向单出杆液压缸有杆腔排油，此时，液控单向阀A开启，数字阀A开启，数字阀B开启，液控单向阀B关闭，主油路A上，液压油通过液控单向阀A流回补油路C，数字阀辅助补油；主油路B上，四象限马达泵出流量部分经主油路B到液压缸有杆腔，部分经数字阀B流回补油路C；单出杆液压缸有杆腔流入液压油流量等于四象限马达泵出流量减去流经数字阀B的流量，四象限马达和数字阀A、数字阀B由控制器控制，故而控制无杆腔流出流量控制活塞运动。
优选的，四象限马达与伺服电机连接，伺服电机还连接有蓄电池作为能源组；主动补偿时，数字阀C和数字阀D导通，当数字阀C、数字阀D完全关闭时，补偿器变为被动补偿，不消耗额外的能量；当数字阀C、数字阀D完全打开时，四象限马达处于双向泵工况，调整四象限马达的泵口的流量和数字阀A、数字阀B的阀口开度，进而控制液压缸活塞进行升沉方向的速度、位移补偿。
当蓄电池没有电时，四象限马达处于马达工况，液压缸活塞与负载平衡器油路切断，当船舶进行升沉运动时会与负载一直存在较大的相对运动，此时单出杆液压缸相当于双向泵带动四象限马达与伺服电机转动并给蓄电池充电；其中数字阀C、数字阀D会根据海况的大小去调节阀的开度控制油路的流速控制马达带动伺服电机保持较高的转速，保持更高效的充电速度。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
本发明结合使用数字阀复合控制的方式，提高了补偿器的精度，采用单出杆液压缸，成本低廉，结构简单。
本发明不占用船舶甲板空间，各组件高度集成于一壳体内，在不改装船舶的基础上，可直接安装在船舶吊机上，极大的降低使用维护成本，通用性强，安装更换操作简单。
本发明采用蓄电池进行能量回收，在母船上升过程时，可以有效的回收负载重力势能。在母船下沉时，释放存储的能量给伺服电机，有效利用能量。
本发明配置多套不同参数负载平衡器，可以通过开关阀控制连通与关闭，选择性的平衡不同负载，使负载补偿更加灵活方便。
本发明可以多套并联组合使用，有效提高负载能力，使用灵活，即装即用。
综上，本发明在负载提升和下降过程中，可以对负载的升沉运动进行有效的补偿，提高了海工作业的安全性，同时具有低耗节能、低成本、通用性好，高集成性的特点。
附图说明
图1为数字型低耗节能的移动补偿器的补充原理示意图；
图2为数字型低耗节能的移动补偿器的结构示意图；
图3为负载平衡器结构示意图一；
图4为多个负载平衡器的分布示意图；
图5为图4中的A-A剖面示意图；
图6为图4中的B-B剖面示意图；
图7为数字型低耗节能的移动补偿器的安装位置示意图；
图8为负载平衡器的工作过程示意图；
图9为负载平衡器结构示意图二；
图10为负载平衡器与单出杆液压缸的连接关系示意图；
图11为负载平衡器求解有效作用力时的示意图；
图12为负载平衡器求解变表面活塞轮廓时的示意图；
图13为负载平衡器在n<1000时求解变表面活塞轮廓时的示意图；
图中，1、壳体，2、单出杆液压缸，3、数字型液压控制系统，4、负载平衡器，5、负载，6、主油路A，7、主油路B，8-位移传感器，9-固定法兰盘，10-平衡器开关，11-平衡油路D，12、四象限马达，13、伺服电机，14、控制器，15-液控单向阀A，16、液控单向阀B，17、补油路C，18、低压蓄能器，19、数字阀C，20、数字阀D，21-蓄电池，22、压力传感器B，23、压力传感器C，24、数字阀A，25、数字阀B，26、温度传感器，27、压力传感器A，28、溢流阀A，29、溢流阀B，30、压力传感器D，31、活塞，31-1、定面积活塞，31-2、变表面活塞，32、弹性体隔膜，33、外壳A，34、外壳B，35、外壳C，36、螺钉B，37、充气阀，38、螺钉A，39、平衡阀口，40、卷曲中心，41、弹性体隔膜与右侧外壳接触的周长，42、卷须的周长，43、弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如图1-图13所示，包括壳体1、单出杆液压缸2、数字型液压控制系统3和负载平衡器4；
壳体1为圆台状，下窄上宽以减小补偿器的入水阶段的冲击，其上部连接起吊机的钢丝绳，单出杆液压缸2位于壳体1中部，单出杆液压缸2的伸出杆与负载5相连，通过液压缸的活塞杆伸出或者缩回，控制负载5进行位移补偿；
数字型液压控制系统3通过主油路A 6和主油路B 7分别与单出杆液压缸的无杆腔和有杆腔相连，通过控制流量精准分配调节单出杆液压缸活塞的运动，单出杆液压缸伸出杆安装有位移传感器8，用于实时监测负载的位移值并传回数字型液压控制系统的控制器；
负载平衡器4的数量为多个，在壳体1内环绕设置在单出杆液压缸2周围，负载平衡器4的油腔与单出杆液压缸的有杆腔相连，每个负载平衡器由单独的开关控制通断，如图10所示。
单出杆液压缸、数字型液压控制系统、负载平衡器、各个传感器集成安装在筒状壳体内，安装方向从壳体底部往上，依次为单出杆液压缸、数字型液压控制系统，负载平衡器环绕在单出杆液压缸周围，在壳体上液压缸活塞杆伸出位置开有一个通孔，通孔与活塞杆均为间隙配合，液压缸的活塞杆下端与负载连接。
如图4-图6所示，数字型液压控制系统安装在筒状壳体最顶端，多个负载平衡器可通过固定法兰盘9进行固定连接负载平衡器环绕安装在单出杆液压缸周围，每个负载平衡器由平衡器开关10单独控制，所有平衡负载器4都连接在环形的平衡油路D 11上，液压缸伸出杆下接负载5，通过开关不同的负载平衡器来平衡不同负载。
实施例2
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例1所述，所不同的是，如图1所示，数字型液压控制系统3包括四象限马达12、伺服电机13、控制器14、液控单向阀A 15和液控单向阀B 16；
四象限马达12连接主油路A 6和主油路B 7，主油路A 6另一端连接单出杆液压缸无杆腔，主油路B 7另一端连接单出杆液压缸有杆腔，四象限马达12连接补油路C 17，补油路C 17另一端连接低压蓄能器18；主油路A 6与四象限马达12之间设置数字阀C 19，主油路B 7与四象限马达12之间设置数字阀D 20，主油路与四象限马达的通断由两个数字阀C、D控制，主油路A与四象限马达的通断由数字阀C控制，主油路B与四象限马达的通断由数字阀D控制；
在主油路A 6和主油路B 7连接单出杆液压缸的油路靠近单出杆液压缸处，分别设置有压力传感器B 22和压力传感器C 23，用于检测单出杆液压缸进出油口的液压压力并传回控制器；数字阀A 24和数字阀B 25串联后，并联在主油路A 6和主油路B 7之间，低压蓄能器18用于补充由于单出杆液压缸两腔的非对称导致的油液不平衡，补油路C 17连接于数字阀A 24和数字阀B 25之间；引入液控单向阀A 15和液控单向阀B 16，液控单向阀A 15和液控单向阀B 16串联后，并联在主油路A和主油路B之间，解决因数字阀流通能力小无法完全弥补液压缸油液不平衡问题。补油路C连接在液控单向阀A 15和液控单向阀B 16之间，补油路C 17设置有温度传感器26和压力传感器A 27，用于实时监测油路的温度和压力，并将数据传回控制器；主油路A和主油路B之间分别并联有溢流阀A 28和溢流阀B 29，溢流阀A 28和溢流阀B 29流通方向相反，两个溢流阀保证两个主油路的油液压力小于系统最高允许压力，避免液压元件因承受巨大压力而损坏。
单出杆液压缸的有杆腔通过平衡油路D 11与多个不同初始参数的负载平衡器的油腔相连，平衡油路D 11上设置有压力传感器D 30，用于检测平衡油路D的压力并传回控制器，位移传感器8、伺服电机13、数字阀C 19、数字阀D 20、压力传感器B 22、压力传感器C23、数字阀A 24、数字阀B 25、温度传感器26、压力传感器A 27、压力传感器D 30均与控制器14连接。
本发明的控制器与各个传感器之间通过电连接，采集系统中的压力、温度、位移的反馈数值，监控系统实时状态。控制器根据采集的数据信息做出反应，给数字阀A、B、C、D输入控制信号，实现实时控制。控制器连接伺服电机，控制伺服电机转速进而控制四象限马达泵口流量。控制器连接压力传感器B、压力传感器C，用于检测单出杆液压缸进出油口压力。控制器连接压力传感器A和温度传感器，检测补油路蓄能器进出油路的温度和压力。控制器连接数字阀A和数字阀B，控制器通过PWM（脉冲宽度调制），向数字阀输出一定占空比的数字信号，数字阀根据数字信号，调整内部阀芯的开口程度，从而控制输出到主油路的流量，实现主油路流量的精准调节。
值得注意的是，本发明中液压控制系统的控制器在向各个执行元件发送控制信号时，其精确控制量（如数字阀的阀口开度等）的计算过程可参见现有技术，也不是本发明的重点，此处不再详细说明。
实施例3
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例2所述，所不同的是，负载平衡器4包括外壳、活塞31和弹性体隔膜32，活塞包括底部的板状活塞和上部的球状活塞，板状活塞和球状活塞为一体结构，球状活塞由上部的定面积活塞31-1和下部的变表面活塞31-2组成，定面积活塞为半球型，变面积部分形如凹曲线的杯状，弹性体隔膜32固定在外壳上，弹性体隔膜32内部与外壳之间形成气腔，弹性体隔膜32始终与定面积活塞相接触，弹性体隔膜与变表面活塞的接触面积不断变化，且弹性体隔膜对变表面活塞的作用力始终为恒力。
负载平衡器4在工作过程中，随着活塞推进压缩气腔，气腔体积减小压力增大，同时弹性体隔膜吞裹活塞导致隔膜对活塞的有效作用面积减小，因此通过隔膜对变面积活塞的作用力始终为恒力，匹配预设的负载重力。
实施例4
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例3所述，所不同的是，外壳由外壳A33、外壳B 34和外壳C 35组成，外壳A 33、外壳B 34和外壳C 35之间通过螺钉固定，外壳B34和外壳C 35之间用于固定弹性体隔膜32，优选通过螺钉B 36连接外壳B 34和外壳C 35，外壳B 34上设置有充气阀37，用于给气腔充气，外壳A 33用于将充气阀37密封，使用时，先通过充气阀给气腔充气，然后安装外壳A，通过螺钉A 38固定；
因为负载平衡器工作时活塞腔体积发生变化，外壳C上设置有平衡阀口39，与油箱相连，用于平衡活塞腔压力；外壳A、外壳B和外壳C外部均作防锈防腐处理并完全密封，使之适用于深海工况；
弹性体隔膜32选择可变性柔性材料，可以为橡胶材质加入添加剂提高隔膜的化学性能和弯曲性能，在制作时，也可采用隔膜夹层编织尼龙网强化隔膜。
平衡油路D连接多个平衡参数或初始参数不同的负载平衡器，每个负载平衡器由单独的开关控制通断，可以通过选择不同的负载平衡器来对应平衡不同负载。
当负载平衡器的油腔吸油时，推动活塞压缩气腔，弹性体隔膜吞裹变面积活塞，此时气腔压力增大但弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积减少。当油腔排油时，变面积活塞远离气腔，弹性体隔膜吐露出变面积活塞，气腔压力减少但隔膜对变面积活塞有效作用面积增大。负载平衡器吸排油过程中，弹性体隔膜对活塞作用力始终保持恒定，实现恒力平衡负载。整个吸排油过程如图8所示。平衡阀口39用于平衡活塞运动时导致的活塞腔油液变化。
实施例5
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例4所述，所不同的是，对于液压缸：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
对于负载平衡器：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
得到
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，其中，M为负载质量，g为重力加速度，P 4、A 4分别为液压缸有 杆腔油压和面积，P 3、A 3分别为液压缸无杆腔油压和面积，A 4′为负载平衡器油腔面积，P x 为 活塞行程x时的气腔压力，A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积，P 0、A 0为负载平衡器的初始参数，分别表示负载平衡器初始设置的气腔压力和对应的活塞有 效作用面积，设计不同的初始参数对应平衡不同负载。
实施例6
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例5所述，所不同的是，求解变表面活塞的有效作用力的过程为：
如图11所示，以变面积活塞半圆形圆心下极限位置（即活塞下极限位置E）建立一维坐标系0-X，正方向为活塞推进方向（即箭头所示方向），此坐标系为绝对坐标系；以变面积活塞半圆形圆心为原点建立相对笛卡尔坐标系X′—r，X′正方向为活塞推进反方向，r正方向为X′正方向绕原点逆时针90°，此坐标系为相对坐标系，标号40为卷曲中心；
根据流体静力学原理：静压力作用在曲面某一方向上的总力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积，x dis 为活塞行程，r con为卷须与变面积活塞的接触点到中轴线的距离，卷须为弹性体隔膜在变面积活塞上卷绕所形成的半圆形结构；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；r con.x为活塞行程为x时卷须与变面积活塞接触点到中轴线的距离；r rad 为负载平衡器内腔半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE051
F g为活塞行程为x时，气腔对活塞的轴向作用力；p x 为行程x时的气腔压力。
实施例7
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例6所述，所不同的是，计算变表面活塞半径的过程为：
设气腔最大工作压力为p 1，体积为V 1，此时为负载平衡器完全充油时；最小工作压力为p 2，体积为V 2，此时为负载平衡器完全排油时；
根据理想气态方程，得到变面积活塞行程压力：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
其中，x dis 为活塞行程，p x 为活塞行程x时的气腔压力，V g为气腔体积；
解得
Figure DEST_PATH_IMAGE053
可以得到任意行程，气腔对活塞的轴向作用力F g为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
装置为负载平衡器，故任意行程作用力F g为一定值；
解得
Figure DEST_PATH_IMAGE055
带入初始条件，即完全释能时状态条件F g=p 2 A act.0
A act.0表示活塞行程为0时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；
联立
Figure DEST_PATH_IMAGE056
得
Figure DEST_PATH_IMAGE057
可以得到活塞行程为x时（即不同活塞位移x dis ）须卷与变面积活塞接触点到中轴线的距离r con.x。
实施例8
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例7所述，所不同的是，求解变表面活塞轮廓的过程为：
如图12所示，当卷须为半圆形时，在绝对坐标系中，设气腔上顶端弹性体隔膜固定 处到活塞下极限位置的垂直距离为L，在相对坐标系中，设卷须中心的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE058
， 设任意时刻弹性体隔膜与变面积活塞瞬时接触时接触点坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，设卷须半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，轴线左侧和右侧计算方法相同，为方便计算，只选取轴线右侧部分进行计算；
因为弹性体隔膜包裹定面积活塞部分固定不变，故忽略不计；
弹性体隔膜周长为定值，右侧部分弹性体隔膜周长
Figure DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为右侧弹性体隔膜的总周长；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为弹性体隔膜与右侧外壳接触的周长41（从右边隔膜最顶端开始）；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为卷须的周长42；
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长43；
根据模型图求得
Figure DEST_PATH_IMAGE066
根据模型图求得
Figure DEST_PATH_IMAGE067
因弹性体隔膜周长为定值，故代入初始条件
Figure DEST_PATH_IMAGE068
求得
Figure DEST_PATH_IMAGE069
离散方法计算
Figure 740597DEST_PATH_IMAGE065
，i时刻卷须与变面积活塞接触点A为
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，上一刻，即i- 1时刻接触点B为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，i=1,2,3…n，n的近似值为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为活塞行程x的最大值，采用
Figure DEST_PATH_IMAGE074
近似估算变面积活塞的外形母线；Δs为加工步 长，优选为0.2mm、0.5mm或1mm；
当精度要求高，n较大时，优选n>1000时，选用以下方法求得变面积活塞轮廓：
连接点A、B，并分别向坐标轴做垂线，构成直角三角形，直角三角形斜边近似于活塞侧面轮廓；
得
Figure DEST_PATH_IMAGE075
Figure DEST_PATH_IMAGE076
表示i时刻卷须中心的x′方向坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE077
变化量的平方；
Figure DEST_PATH_IMAGE078
表示i时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到中轴线距离的变化量的平 方；
Figure DEST_PATH_IMAGE079
表示i-1时刻的弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长；
Figure DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure DEST_PATH_IMAGE081
分别表示i时刻和i-1时刻卷须中心的x′方向坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure DEST_PATH_IMAGE083
分别表示i时刻和i-1时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到 中轴线距离；
通过以上公式求出关于卷须横轴坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE084
关于活塞行程
Figure DEST_PATH_IMAGE085
的函数；
联合接触点活塞半径
Figure DEST_PATH_IMAGE086
关于活塞行程
Figure DEST_PATH_IMAGE087
的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE088
即可求得具体活塞轮廓。
实施例9
一种数字型低耗节能的移动补偿器，如实施例8所述，所不同的是，求解变表面活塞轮廓时，当精度要求不高，n较小时，优选当n<1000时，采用以下方法求得变面积活塞轮廓：
如图13所示，设计时，将负载平衡器变面积活塞垂直轴向均分n等份（n可近似表示加工精度），截面分别命名为L0，L1，L2，…，Ln-1，Ln；
设初始时变面积活塞处于下极限位置，卷须与变面积活塞接触点为点A，此时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔压力为P0，变面积活塞受气腔作用力为Fg=S0×P0；
假设活塞每次推进距离为两截面之间距离，即T0时刻，卷须与变面积活塞接触点为点A，变面积活塞的截面面积为S0，气腔压力为P0，T1时刻，卷须与变面积活塞接触点为点B，变面积活塞的截面面积为S1，气腔压力为P1，依次类推，Tn时刻，卷须与变面积活塞接触点为点N，变面积活塞的截面面积为Sn，气腔压力为Pn，ABC…为接触点，A′B′C′…为接触点ABC…为关于轴线的镜像对称点；
根据负载平衡器功能设计，需要满足Fg=S0×P0=S1×P1=S2×P2=…=Sn×Pn；
从L0到L1举例说明，接触点为A时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔 压力为P0；在截面L1上找一接触点B，从L0到L1，求得L1截面时，活塞截面面积为S1，气体体积 变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE089
为圆台AA′B′B体积，根据理想气态方程式PV=NRT（P为压强，V为气体体积，N为气 体的物质的量，R为理想气体常数，T表示理想气体的热力学温度），可以求出气腔压力P1与 初始气腔压力P0关系式，假设温度基本不变，得
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为气体体积变化量，为 圆台AA′B′B体积；
根据负载平衡原理，Fg=S0×P0= S1×P1，可以求得接触点B的具体位置；
连接线段AB，用线段AB近似拟成变面积活塞外形母线；如此重复迭代，即可用各个接触点ABCD…的折线代替变面积活塞轮廓。
实施例10
一种数字型低耗节能的移动补偿器的工作方法，在工作母船上，将移动补偿器串联接入起吊机和负载M之间，而非固定在母船的甲板上，当海工作业时，工作母船在海浪洋流等干扰下上升时，负载随之上升，为了补偿负载位移，单出杆液压缸的活塞伸出杆伸出，此时单出杆液压缸有杆腔为高压油，无杆腔为低压油，有杆腔高压液压油经主油路B，带动四象限马达反转存储能量在蓄电池，再流经主油路A回到无杆腔，此时液控单向阀B关闭，数字阀B开启，液压油通过数字阀B流回补油路C；有杆腔流出流量等于流经四象限马达流量加上流经数字阀B流量，由控制器控制四象限马达和数字阀B，从而控制无杆腔流出流量控制负载下降；液控单向阀A开启，弥补单出杆液压缸的油液非对称性的流量差，数字阀A开启辅助弥补向无杆腔供油；单出杆液压缸有杆腔还连接负载平衡器，故在活塞杆向下移动时，有杆腔依然保持恒压，负载下降平稳可靠；
在海上作业时，工作母船受干扰下降时，负载随之下降，为保持负载位置稳定，单出杆液压缸的活塞伸出杆回缩，此时单出杆液压缸无杆腔为高压油，有杆腔为低压油，四象限马达正转，通过主油路A从单出杆液压缸无杆腔吸油，再经过主油路B向单出杆液压缸有杆腔排油，此时，液控单向阀A开启，数字阀A开启，数字阀B开启，液控单向阀B关闭，主油路A上，液压油通过液控单向阀A流回补油路C，数字阀辅助补油；主油路B上，四象限马达泵出流量部分经主油路B到液压缸有杆腔，部分经数字阀B流回补油路C；单出杆液压缸有杆腔流入液压油流量等于四象限马达泵出流量减去流经数字阀B的流量，四象限马达和数字阀A、数字阀B由控制器控制，故而控制无杆腔流出流量控制活塞运动。
实施例11
一种数字型低耗节能的移动补偿器的工作方法，如实施例10所示，所不同的是，四象限马达12与伺服电机13连接，伺服电机13还连接有蓄电池21作为能源组；主动补偿时，数字阀C 19和数字阀D 20导通，当数字阀C、D完全关闭时，补偿器变为被动补偿，不消耗额外的能量；当数字阀C、D完全打开时，四象限马达处于双向泵工况，调整四象限马达的泵口的流量和数字阀A和数字阀B的阀口开度，进而控制液压缸活塞进行升沉方向的速度、位移补偿；
当蓄电池没有电时，四象限马达处于马达工况，液压缸活塞与负载平衡器油路切断，当船舶进行升沉运动时会与负载一直存在较大的相对运动，此时单出杆液压缸相当于双向泵带动四象限马达与伺服电机转动并给蓄电池充电；其中数字阀C、D会根据海况的大小去调节阀的开度控制油路的流速控制马达带动伺服电机保持较高的转速，保持更高效的充电速度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，包括壳体、单出杆液压缸、数字型液压控制系统和负载平衡器；
所述壳体为圆台状，下窄上宽，其上部连接起吊机的钢丝绳，单出杆液压缸位于壳体中部，单出杆液压缸的伸出杆与负载相连，通过液压缸的活塞杆伸出或者缩回，控制负载进行位移补偿；
所述数字型液压控制系统通过主油路A和主油路B分别与单出杆液压缸的无杆腔和有杆腔相连，通过控制流量调节单出杆液压缸活塞的运动，单出杆液压缸伸出杆安装有位移传感器，用于实时监测负载的位移值并传回数字型液压控制系统；
所述负载平衡器的数量为多个，在壳体内环绕设置在单出杆液压缸周围，负载平衡器的油腔与单出杆液压缸的有杆腔相连，每个负载平衡器由单独的开关控制通断；
所述数字型液压控制系统包括四象限马达、伺服电机、控制器、液控单向阀A和液控单向阀B；
四象限马达连接主油路A和主油路B，主油路A另一端连接单出杆液压缸无杆腔，主油路B另一端连接单出杆液压缸有杆腔，四象限马达连接补油路C，补油路C另一端连接低压蓄能器；主油路A与四象限马达之间设置数字阀C，主油路B与四象限马达之间设置数字阀D；
四象限马达与伺服电机连接，伺服电机还连接有蓄电池，在主油路A和主油路B连接单出杆液压缸的油路靠近单出杆液压缸处，分别设置有压力传感器B和压力传感器C，用于检测单出杆液压缸进出油口的液压压力并传回控制器；数字阀A和数字阀B串联后，并联在主油路A和主油路B之间，补油路C连接于数字阀A和数字阀B之间；液控单向阀A和液控单向阀B串联后，并联在主油路A和主油路B之间，补油路C连接在液控单向阀A和液控单向阀B之间，补油路C设置有温度传感器和压力传感器A，用于实时监测油路的温度和压力，并将数据传回控制器；主油路A和主油路B之间分别并联有溢流阀A和溢流阀B，溢流阀A和溢流阀B流通方向相反；
单出杆液压缸的有杆腔通过平衡油路D与负载平衡器的油腔相连，平衡油路D上设置有压力传感器D，位移传感器、伺服电机、数字阀C、数字阀D、压力传感器B、压力传感器C、数字阀A、数字阀B、温度传感器、压力传感器A、压力传感器D均与控制器连接；
负载平衡器包括外壳、活塞和弹性体隔膜，活塞包括底部的板状活塞和上部的球状活塞，板状活塞和球状活塞为一体结构，所述球状活塞由上部的定面积活塞和下部的变表面活塞组成，定面积活塞为半球型，弹性体隔膜固定在外壳上，弹性体隔膜内部与外壳之间形成气腔，弹性体隔膜始终与定面积活塞相接触，弹性体隔膜与变表面活塞的接触面积不断变化，且弹性体隔膜对变表面活塞的作用力始终为恒力；
所述外壳由外壳A、外壳B和外壳C组成，外壳A、外壳B和外壳C之间通过螺钉固定，外壳B和外壳C之间用于固定弹性体隔膜，外壳B上设置有充气阀，用于给气腔充气，外壳A用于将充气阀密封；所述外壳C上设置有平衡阀口，与油箱相连，用于平衡活塞腔压力；外壳A、外壳B和外壳C外部均作防锈防腐处理；
弹性体隔膜选择可变性柔性材料。
2.根据权利要求1所述的数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，对于液压缸：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
对于负载平衡器：
Figure 25025DEST_PATH_IMAGE002
，
得到
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中，M为负载质量，g为重力加速度，P 4、A 4分别为液压缸有杆腔油压和面积，P 3、A 3分别为液压缸无杆腔油压和面积，A 4′为负载平衡器油腔面积，P x 为活塞行程x时的气腔压力，A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积，P 0、A 0为负载平衡器的初始参数，分别表示负载平衡器初始设置的气腔压力和对应的活塞有效作用面积，设计不同的初始参数对应平衡不同负载。
3.根据权利要求2所述的数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，求解变表面活塞的有效作用力的过程为：
以变面积活塞半圆形圆心下极限位置建立一维坐标系0-X，正方向为活塞推进方向，此坐标系为绝对坐标系；以变面积活塞半圆形圆心为原点建立相对笛卡尔坐标系X′—r，X′正方向为活塞推进反方向，r正方向为X′正方向绕原点逆时针90°，此坐标系为相对坐标系；
根据流体静力学原理：静压力作用在曲面某一方向上的总力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积，x dis 为活塞行程，r con为卷须与变面积活塞的接触点到中轴线的距离，卷须为弹性体隔膜在变面积活塞上卷绕所形成的半圆形结构；
Figure 628045DEST_PATH_IMAGE004
A act.x 为活塞行程为x时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；r con.x为活塞行程为x时卷须与变面积活塞接触点到中轴线的距离；r rad 为负载平衡器内腔半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
F g为活塞行程为x时，气腔对活塞的轴向作用力；p x 为行程x时的气腔压力。
4.根据权利要求3所述的数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，计算变表面活塞半径的过程为：
设气腔最大工作压力为p 1，体积为V 1，此时为负载平衡器完全充油时；最小工作压力为p 2，体积为V 2，此时为负载平衡器完全排油时；
根据理想气态方程，得到变面积活塞行程压力：
Figure 537095DEST_PATH_IMAGE006
其中，x dis 为活塞行程，p x 为活塞行程x时的气腔压力，V g为气腔体积；
解得
Figure DEST_PATH_IMAGE007
得到任意行程，气腔对活塞的轴向作用力F g为：
Figure 200158DEST_PATH_IMAGE008
装置为负载平衡器，故任意行程作用力F g为一定值；
解得
Figure DEST_PATH_IMAGE009
带入初始条件，即完全释能时状态条件F g=p 2 A act.0
A act.0表示活塞行程为0时弹性体隔膜对变面积活塞有效作用面积；
联立
Figure 693194DEST_PATH_IMAGE010
得
Figure DEST_PATH_IMAGE011
得到活塞行程为x时须卷与变面积活塞接触点到中轴线的距离r con.x。
5.根据权利要求4所述的数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，求解变表面活塞轮廓的过程为：
当卷须为半圆形时，在绝对坐标系中，设气腔上顶端弹性体隔膜固定处到活塞下极限位置的垂直距离为L，在相对坐标系中，设卷须中心的坐标为
Figure 99904DEST_PATH_IMAGE012
，设任意时刻弹性体隔膜与变面积活塞瞬时接触时接触点坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，设卷须半径为
Figure 863461DEST_PATH_IMAGE014
，轴线左侧和右侧计算方法相同，只选取轴线右侧部分进行计算；
因为弹性体隔膜包裹定面积活塞部分固定不变，故忽略不计；
弹性体隔膜周长为定值，右侧部分弹性体隔膜周长
Figure 166266DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 913642DEST_PATH_IMAGE016
为右侧弹性体隔膜的总周长；
Figure 327306DEST_PATH_IMAGE017
为弹性体隔膜与右侧外壳接触的周长；
Figure 414211DEST_PATH_IMAGE018
为卷须的周长；
Figure 153497DEST_PATH_IMAGE019
为弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长；
根据模型图求得
Figure DEST_PATH_IMAGE020
根据模型图求得
Figure 358476DEST_PATH_IMAGE021
因弹性体隔膜周长为定值，故代入初始条件
Figure DEST_PATH_IMAGE022
求得
Figure 310251DEST_PATH_IMAGE023
离散方法计算
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，i时刻卷须与变面积活塞接触点A为
Figure 845138DEST_PATH_IMAGE025
，上一刻，即i-1时刻接触点B为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，i=1,2,3…n，n的近似值为
Figure 489745DEST_PATH_IMAGE027
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为活塞行程x的最大值，采用
Figure 742872DEST_PATH_IMAGE029
近似估算变面积活塞的外形母线；Δs为加工步长，优选为0.2mm、0.5mm或1mm；
n>1000时，连接点A、B，并分别向坐标轴做垂线，构成直角三角形，直角三角形斜边近似于活塞侧面轮廓；
得
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 232759DEST_PATH_IMAGE031
表示i时刻卷须中心的x′方向坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE032
变化量的平方；
Figure 144125DEST_PATH_IMAGE033
表示i时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到中轴线距离的变化量的平方；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示i-1时刻的弹性体隔膜包裹右侧变面积活塞的周长；
Figure 959634DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
分别表示i时刻和i-1时刻卷须中心的x′方向坐标；
Figure 637740DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure DEST_PATH_IMAGE038
分别表示i时刻和i-1时刻弹性体隔膜与变面积活塞接触点到中轴线距离；
通过以上公式求出关于卷须横轴坐标
Figure 993635DEST_PATH_IMAGE039
关于活塞行程
Figure DEST_PATH_IMAGE040
的函数；
联合接触点活塞半径
Figure 440797DEST_PATH_IMAGE041
关于活塞行程
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE044
即可求得具体活塞轮廓。
6.根据权利要求5所述的数字型低耗节能的移动补偿器，其特征在于，求解变表面活塞轮廓时，当n<1000时，将负载平衡器变面积活塞垂直轴向均分n等份，截面分别命名为L0，L1，L2，…，Ln-1，Ln；
设初始时变面积活塞处于下极限位置，卷须与变面积活塞接触点为点A，此时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔压力为P0，变面积活塞受气腔作用力为Fg=S0×P0；
假设活塞每次推进距离为两截面之间距离，即T0时刻，卷须与变面积活塞接触点为点A，变面积活塞的截面面积为S0，气腔压力为P0，T1时刻，卷须与变面积活塞接触点为点B，变面积活塞的截面面积为S1，气腔压力为P1，依次类推，Tn时刻，卷须与变面积活塞接触点为点N，变面积活塞的截面面积为Sn，气腔压力为Pn，ABC…为接触点，A′B′C′…为接触点ABC…为关于轴线的镜像对称点；
Fg=S0×P0= S1×P1= S2×P2= …=Sn×Pn；
接触点为A时变面积活塞的截面面积为S0，处于L0截面上，气腔压力为P0；在截面L1上找一接触点B，从L0到L1，求得L1截面时，活塞截面面积为S1，气体体积变化∆V为圆台AA′B′B体积，根据理想气态方程式PV=NRT，可以求出气腔压力P1与初始气腔压力P0关系式，假设温度基本不变，得
Figure 194252DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 890812DEST_PATH_IMAGE048
为气体体积变化量，为圆台AA′B′B体积；
根据负载平衡原理，Fg=S0×P0= S1×P1，求得接触点B的具体位置；
连接线段AB，用线段AB近似拟成变面积活塞外形母线；如此重复迭代，即可用各个接触点ABCD…的折线代替变面积活塞轮廓。
7.一种权利要求6所述的数字型低耗节能的移动补偿器的工作方法，其特征在于，在工作母船上，将移动补偿器串联接入起吊机和负载M之间，当海工作业时，工作母船在干扰下上升时，负载随之上升，为了补偿负载位移，单出杆液压缸的活塞伸出杆伸出，此时单出杆液压缸有杆腔为高压油，无杆腔为低压油，有杆腔高压液压油经主油路B，带动四象限马达反转存储能量在蓄电池，再流经主油路A回到无杆腔，此时液控单向阀B关闭，数字阀B开启，液压油通过数字阀B流回补油路C；有杆腔流出流量等于流经四象限马达流量加上流经数字阀B流量，由控制器控制四象限马达和数字阀B，从而控制无杆腔流出流量控制负载下降；液控单向阀A开启，弥补单出杆液压缸的油液非对称性的流量差，数字阀A开启辅助弥补向无杆腔供油；单出杆液压缸有杆腔还连接负载平衡器，故在活塞杆向下移动时，有杆腔依然保持恒压，负载下降平稳可靠；
在海上作业时，工作母船受干扰下降时，负载随之下降，为保持负载位置稳定，单出杆液压缸的活塞伸出杆回缩，此时单出杆液压缸无杆腔为高压油，有杆腔为低压油，四象限马达正转，通过主油路A从单出杆液压缸无杆腔吸油，再经过主油路B向单出杆液压缸有杆腔排油，此时，液控单向阀A开启，数字阀A开启，数字阀B开启，液控单向阀B关闭，主油路A上，液压油通过液控单向阀A流回补油路C，数字阀辅助补油；主油路B上，四象限马达泵出流量部分经主油路B到液压缸有杆腔，部分经数字阀B流回补油路C；单出杆液压缸有杆腔流入液压油流量等于四象限马达泵出流量减去流经数字阀B的流量，四象限马达和数字阀A，数字阀B由控制器控制，故而控制无杆腔流出流量控制活塞运动。
8.根据权利要求7所述的数字型低耗节能的移动补偿器的工作方法，其特征在于，四象限马达与伺服电机连接，伺服电机还连接有蓄电池作为能源组；主动补偿时，数字阀C和数字阀D导通，当数字阀C、数字阀D完全关闭时，补偿器变为被动补偿，不消耗额外的能量；当数字阀C、数字阀D完全打开时，四象限马达处于双向泵工况，调整四象限马达的泵口的流量和数字阀A、数字阀B的阀口开度，进而控制液压缸活塞进行升沉方向的速度、位移补偿；
当蓄电池没有电时，四象限马达处于马达工况，液压缸活塞与负载平衡器油路切断，当船舶进行升沉运动时会与负载一直存在较大的相对运动，此时单出杆液压缸相当于双向泵带动四象限马达与伺服电机转动并给蓄电池充电；其中数字阀C、数字阀D根据海况的大小去调节阀的开度控制油路的流速控制马达带动伺服电机保持较高的转速，保持更高效的充电速度。
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