摘要：本文介紹了不同類(lèi)型升沉補償系統的特征, 研究提出了浮吊主動(dòng)升沉補償系統的設計方法, 提供了浮吊主動(dòng)升沉補償系統的結構、液壓系統、電氣系統方案, 分析了該方案的工作原理與工作模式, 突出分析了被動(dòng)補償與主動(dòng)補償組合后的技術(shù)優(yōu)勢, 為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定了基礎。該產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā), 有助于打破技術(shù)壁壘, 提升海工裝備國產(chǎn)化水平與性能。

　　關(guān)鍵詞：浮吊; 主動(dòng)升沉補償; 液壓系統; 補償液壓缸;

　　Abstract：This paper introduces the characteristics of different types of heave compensation system. The design method of the active heave compensation hydraulic system is put forward of the floating crane. The system structure, hydraulic system and electrical system scheme of the floating crane are provided. The working principle and working mode of the scheme are analyzed, and the technical advantages of passive compensation and active compensation are highlighted analyzed. Above research lay the foundation for product development. The research and development of this product is conducive to break down technical barriers and improve the domestication level and performance of marine equipment.

　　Keyword：Floating crane; The active heave compensation system; Hydraulic system; Compensation cylinder;

　　海洋為人類(lèi)的生存和發(fā)展提供著(zhù)豐富的資源, 隨著(zhù)科技的進(jìn)步, 海洋中不斷探索出新的資源, 因此海洋已成為科研開(kāi)發(fā)與國家競爭的重要領(lǐng)域。目前, 各國對海洋資源開(kāi)發(fā)利用的深度與廣度日漸擴展, 海洋科技水平發(fā)展迅猛。在海洋的開(kāi)發(fā)中, 大型設備與物資的運送與吊裝均要依靠浮吊進(jìn)行作業(yè), 它已成為海洋開(kāi)發(fā)的重要工具。

　　隨著(zhù)人類(lèi)對海洋的認識加深, 帶有特殊功能的浮吊也就應運而生。浮吊施工作業(yè)時(shí)會(huì )由于風(fēng)浪、涌等作用產(chǎn)生六自由度的運動(dòng), 導致吊裝設備產(chǎn)生不定向的偏移, 惡劣時(shí)會(huì )導致鋼絲繩張力過(guò)大而斷裂, 造成設備儀器丟失的工程事故, 如日本的“海溝號”的ROV就曾因為繩索斷裂而丟失[1], 這種不可控的運動(dòng)對施工作業(yè)造成了極大的威脅, 因此, 近年來(lái)浮吊設備中增加了波浪補償裝置, 避免事故的發(fā)生。

　　波浪補償技術(shù)具有大慣量、高精度的特性, 是海工裝備中難度較大的技術(shù), 且我國海工高端裝備起步較晚, 國內自主研制的波浪補償系統鮮有百?lài)嵓壆a(chǎn)品[2,3]。在海工技術(shù)發(fā)達的部分歐美國家, 海洋鉆井平臺配套的波浪補償設備應用較普遍, 幾家公司具備成熟的產(chǎn)品配套能力[4]。

　　綜上, 為了確保操作人員和吊裝設備的安全性, 保證水下安裝的精準性, 減少因為天氣因素而帶來(lái)的作業(yè)停工期, 同時(shí)提升我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平, 很有必要開(kāi)發(fā)一種大噸位主動(dòng)升沉補償系統。

　　1、主動(dòng)升沉補償系統方案設計

　　1.1、系統結構方案

　　升沉補償系統的基本結構有三類(lèi)[5,6]:絞車(chē)收放型、液壓缸伸縮型、吊臂變幅型。絞車(chē)收放型升沉補償系統結構如圖1所示。浮吊本身就由絞車(chē)收放負載, 用該絞車(chē)進(jìn)行波浪補償最方便。當船舶受波浪沖擊上升時(shí), 絞車(chē)順時(shí)針旋轉, 放出鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時(shí), 絞車(chē)逆時(shí)針旋轉, 收緊鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。

圖1 絞車(chē)收放型結構

　　絞車(chē)收放型波浪補償系統的優(yōu)點(diǎn)是不占用甲板空間、無(wú)須額外的波浪補償裝置、鋼絲繩的收放長(cháng)度不受限制;缺點(diǎn)是絞車(chē)的轉動(dòng)慣量大、絞車(chē)的功率需求大、大功率的艙內絞車(chē)威脅船載人員人身安全、被動(dòng)補償功能較難實(shí)現、重物收放周期增加、絞車(chē)的壽命降低。

　　液壓缸伸縮型升沉補償系統結構如圖2所示。浮吊絞車(chē)僅負責收放負載, 液壓缸裝置負責波浪補償。當船舶受波浪沖擊上升時(shí), 液壓缸裝置的下滑輪向上運動(dòng), 放出鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時(shí), 液壓缸裝置的下滑輪向下運動(dòng), 收緊鋼絲繩, 負載位置基本保持不變。

圖2 液壓缸伸縮型結構

　　液壓缸伸縮型波浪補償系統的優(yōu)點(diǎn)是易實(shí)現被動(dòng)型波浪補償系統、波浪補償系統故障時(shí)不影響絞車(chē)工作、系統慣性小、補償系統功率小;缺點(diǎn)是占用甲板空間、鋼絲繩摩擦大。

　　吊臂變幅型升沉補償系統結構如圖3所示。浮吊絞車(chē)僅負責收放負載, 活動(dòng)臂裝置負責波浪補償。當船舶受波浪沖擊上升時(shí), 活動(dòng)臂向下運動(dòng), 負載位置基本保持不變。當船舶受波浪沖擊下降時(shí), 活動(dòng)臂向上運動(dòng), 負載位置基本保持不變。

圖3 吊臂變幅型結構圖

　　吊臂變幅型波浪補償系統的優(yōu)點(diǎn)是波浪補償系統故障時(shí)不影響絞車(chē)工作、易于實(shí)現被動(dòng)升沉補償;缺點(diǎn)是慣性大、補償裝置功率需求大、機構復雜。

　　升沉補償系統補償類(lèi)型主要分為兩類(lèi):被動(dòng)型和主動(dòng)型。被動(dòng)型升沉系統的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單, 無(wú)須外部能量輸入, 可靠性高。缺點(diǎn)是受結構摩擦、氣液轉換效率等因素影響, 補償效率一般在70%左右。主動(dòng)型升沉補償系統的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、可靠性強 (一旦主動(dòng)補償裝置故障, 系統仍具有被動(dòng)補償能力) 。這時(shí), 系統的波浪補償精度由90%降到70%左右, 補償能力有約20%的損失, 系統的可靠性高。

　　從補償裝置復雜度、功率需求、鋼絲繩磨損、成本、甲板空間等因素綜合考慮, 本項目采用液壓缸伸縮型主動(dòng)升沉補償系統。絞車(chē)承擔負載提升與下放, 補償系統負責升沉補償, 浮吊系統結構如圖4所示。

圖4 浮吊系統結構簡(jiǎn)圖

　　主動(dòng)升沉補償系統安裝于船舶甲板上或船艙中, 主要包含液壓站、絞車(chē)、補償液壓缸等幾部分。

　　液壓站提供補償系統能源, 通過(guò)補償液壓缸的運動(dòng)實(shí)現補償功能, 主鉤的收放由牽引絞車(chē)提供動(dòng)力, 鋼絲繩儲存到儲纜絞車(chē)。補償液壓缸安裝于滑軌上, 通過(guò)傳感器采集船舶運動(dòng)信號, 經(jīng)控制器運算得到控制信號, 控制補償液壓缸的伸縮運動(dòng)。

　　1.2、液壓系統方案

　　主動(dòng)升沉補償液壓系統原理方案如圖5所示。

圖5 主動(dòng)升沉補償液壓系統原理方案圖

　　1油箱, 2主泵電動(dòng)機, 3主泵, 4安全閥, 5主動(dòng)補償比例閥, 6被動(dòng)補償連通閥, 7被動(dòng)補償開(kāi)關(guān)閥, 8穩壓蓄能器, 9被動(dòng)補償蓄能器充液閥, 10被動(dòng)補償蓄能器, 11補償液壓缸

　　液壓系統主要由主泵、補償液壓缸、被動(dòng)補償蓄能器、主動(dòng)補償比例閥、氮氣瓶組等組成。其中補償液壓缸有三個(gè)工作油缸, 集成了一個(gè)柱塞缸與一個(gè)對稱(chēng)液壓缸的功能, 分別實(shí)現被動(dòng)補償和主動(dòng)補償功能。

　　在被動(dòng)補償工況下, 對稱(chēng)缸兩腔連通, 柱塞缸油腔作用力直接作用于負載。在主動(dòng)補償工況下, 對稱(chēng)缸兩腔通過(guò)比例閥控制跟隨波浪的升沉運動(dòng), 柱塞缸油腔作用力抵消負載重量產(chǎn)生的載荷。

　　1.3、電氣系統方案

　　主動(dòng)升沉補償電氣系統方案如圖6所示。

圖6 主動(dòng)升沉補償電氣系統方案圖

　　電氣系統主要由HC Controller (工控機) 、PLC (程序邏輯控制器) 、HNC100 (液壓伺服控制器) 、絞車(chē)電機變頻器、MRU (傳感器) 等組成。PLC提供整套系統的指令生成、運算與分發(fā)、交互接口, 是升沉補償系統的控制核心。HNC100是液壓系統控制核心, 負責液壓控制系統的算法實(shí)現并驅動(dòng)控制比例閥, 同時(shí)完成與PLC的實(shí)時(shí)通信等任務(wù)。HC Controller負責系統運動(dòng)控制和運動(dòng)預測功能, 通過(guò)PLC執行。

　　2、主動(dòng)升沉補償液壓系統工作原理設計

　　本研究采用的波浪補償液壓系統為主被動(dòng)組合式系統, 應用閥控液壓缸原理, 具有系統響應快、精度高的特性, 并且采用三腔復合式補償液壓缸 (如圖5所示) , 結構更加緊湊。三腔復合式補償液壓缸中A、B腔為作用面積相等的主動(dòng)補償控制腔, C腔為被動(dòng)補償控制腔。主動(dòng)補償控制腔與比例閥配合實(shí)現主動(dòng)位置閉環(huán)控制, 同時(shí)被動(dòng)補償控制腔與被動(dòng)補償蓄能器配合平衡負載。當采用主動(dòng)補償時(shí), 由比例閥根據控制器指令信號實(shí)時(shí)控制液壓缸運動(dòng);當被動(dòng)補償時(shí), 將被動(dòng)補償開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉, A、B腔連通, 通過(guò)被動(dòng)補償蓄能器的液壓彈簧作用控制液壓缸運動(dòng)。

　　根據主動(dòng)升沉補償系統的結構特征分析兩種補償狀態(tài)的工作原理如下:

　　2.1、被動(dòng)補償工作原理

　　工作前將被動(dòng)補償蓄能器充氣壓力調整至與重物負載平衡, 打開(kāi)被動(dòng)補償連通閥將補償液壓缸A、B腔連通, C腔與被動(dòng)補償蓄能器連通。當船舶隨波浪的作用而向上/下運動(dòng)時(shí), 由于A(yíng)、B腔的作用面積與壓力均相等而相互抵消, 其補償作用全部由C腔及被動(dòng)補償蓄能器組成的氣液彈簧承擔, 實(shí)現補償液壓缸缸桿的縮回/伸出。

　　2.2、主動(dòng)補償工作原理

　　主動(dòng)補償狀態(tài)下, 重物負載由C腔壓力平衡, 此時(shí)C腔與被動(dòng)補償蓄能器連通。當浮吊本體在浪涌作用下上升時(shí), 液壓伺服控制器采集MRU檢測到船舶運動(dòng)信號經(jīng)過(guò)控制算法計算后, 輸出控制信號控制比例閥工作在左位并實(shí)時(shí)調整閥口開(kāi)度, 此時(shí)補償液壓缸A腔進(jìn)入高壓油驅動(dòng)液壓缸活塞桿左移, 實(shí)現上升過(guò)程的補償控制。當浮吊本體在浪涌作用下下降時(shí), 液壓伺服控制器采集MRU檢測到船舶運動(dòng)信號經(jīng)過(guò)控制算法計算后, 輸出控制信號控制比例閥工作在右位并實(shí)時(shí)調整閥口開(kāi)度, 此時(shí)補償液壓缸B腔進(jìn)入高壓油驅動(dòng)液壓缸活塞桿右移, 實(shí)現下降過(guò)程的補償控制。

　　本系統在升沉補償系統工作時(shí), 被動(dòng)補償與主動(dòng)補償是同時(shí)工作的, 實(shí)現了高精度的位置閉環(huán)升沉補償控制, 同時(shí)又大幅降低系統能耗。

　　3、主動(dòng)升沉補償系統工作模式設計

　　主動(dòng)升沉補償系統的六種工作模式分別為:手動(dòng)模式、常規模式、緩沖器模式、主動(dòng)補償模式、張力模式、空鉤模式, 各個(gè)工作模式之間可以有條件平穩轉換。

　　手動(dòng)模式用于調試、維修和為其他模式做準備工況。包括液壓缸的前進(jìn)/后退、蓄能器充放液、液壓缸被動(dòng)腔充液、液壓缸主動(dòng)補償模式兩腔連通。常規模式用于無(wú)須補償工況, 系統作為常規絞車(chē)使用的場(chǎng)合。緩沖器模式針對被動(dòng)補償工況, 減少起升過(guò)程中的周期性起伏沖擊。包括氮氣側壓力的精確調整 (匹配重物) 。主動(dòng)補償模式針對重物起升但未到達海床的過(guò)程中, 減少隨機波浪起伏的沖擊。包括氮氣側壓力的精確調整 (匹配重物) , 比例閥對液壓缸精確控制。張力模式用于重物已經(jīng)接近海床, 或者重物從海床吊起過(guò)程中, 為使重物能夠穩穩的放置/離開(kāi)海床。空鉤模式用于重物已經(jīng)放到海床上, 需要解除吊鉤, 或者是準備從海床上掛上吊鉤。根據浮吊工作狀態(tài)的不同, 合理選擇與搭配上述六種工作模式, 完成預定工作, 實(shí)現最佳的工作效果。

　　4、結論

　　浮吊主動(dòng)升沉補償系統是實(shí)現高精度海上吊裝作業(yè)的必要裝備, 本文針對浮吊主動(dòng)升沉補償系統設計方案展開(kāi)研究, 總體上確定了主動(dòng)升沉補償系統的結構、液壓系統、電氣系統方案, 分析了該方案的工作原理與工作模式, 為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了基礎。同時(shí), 該方案具有一定的先進(jìn)性, 為打破技術(shù)壁壘, 提升海工裝備國產(chǎn)化水平與性能提供一定的指導。

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