主动升沉补偿液压系统工作原理和模式设计

　　摘要：本文介绍了不同类型升沉补偿系统的特征, 研究提出了浮吊主动升沉补偿系统的设计方法, 提供了浮吊主动升沉补偿系统的结构、液压系统、电气系统方案, 分析了该方案的工作原理与工作模式, 突出分析了被动补偿与主动补偿组合后的技术优势, 为产品开发奠定了基础。该产品的研究与开发, 有助于打破技术壁垒, 提升海工装备国产化水平与性能。

　　关键词：浮吊; 主动升沉补偿; 液压系统; 补偿液压缸;

　　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;

　　海洋为人类的生存和发展提供着丰富的资源, 随着科技的进步, 海洋中不断探索出新的资源, 因此海洋已成为科研开发与国家竞争的重要领域。目前, 各国对海洋资源开发利用的深度与广度日渐扩展, 海洋科技水平发展迅猛。在海洋的开发中, 大型设备与物资的运送与吊装均要依靠浮吊进行作业, 它已成为海洋开发的重要工具。

　　随着人类对海洋的认识加深, 带有特殊功能的浮吊也就应运而生。浮吊施工作业时会由于风浪、涌等作用产生六自由度的运动, 导致吊装设备产生不定向的偏移, 恶劣时会导致钢丝绳张力过大而断裂, 造成设备仪器丢失的工程事故, 如日本的“海沟号”的ROV就曾因为绳索断裂而丢失[1], 这种不可控的运动对施工作业造成了极大的威胁, 因此, 近年来浮吊设备中增加了波浪补偿装置, 避免事故的发生。

　　波浪补偿技术具有大惯量、高精度的特性, 是海工装备中难度较大的技术, 且我国海工高端装备起步较晚, 国内自主研制的波浪补偿系统鲜有百吨级产品[2,3]。在海工技术发达的部分欧美国家, 海洋钻井平台配套的波浪补偿设备应用较普遍, 几家公司具备成熟的产品配套能力[4]。

　　综上, 为了确保操作人员和吊装设备的安全性, 保证水下安装的精准性, 减少因为天气因素而带来的作业停工期, 同时提升我国在该领域的技术水平, 很有必要开发一种大吨位主动升沉补偿系统。

　　1、主动升沉补偿系统方案设计

　　1.1、系统结构方案

　　升沉补偿系统的基本结构有三类[5,6]:绞车收放型、液压缸伸缩型、吊臂变幅型。绞车收放型升沉补偿系统结构如图1所示。浮吊本身就由绞车收放负载, 用该绞车进行波浪补偿最方便。当船舶受波浪冲击上升时, 绞车顺时针旋转, 放出钢丝绳, 负载位置基本保持不变。当船舶受波浪冲击下降时, 绞车逆时针旋转, 收紧钢丝绳, 负载位置基本保持不变。

图1 绞车收放型结构

　　绞车收放型波浪补偿系统的优点是不占用甲板空间、无须额外的波浪补偿装置、钢丝绳的收放长度不受限制;缺点是绞车的转动惯量大、绞车的功率需求大、大功率的舱内绞车威胁船载人员人身安全、被动补偿功能较难实现、重物收放周期增加、绞车的寿命降低。

　　液压缸伸缩型升沉补偿系统结构如图2所示。浮吊绞车仅负责收放负载, 液压缸装置负责波浪补偿。当船舶受波浪冲击上升时, 液压缸装置的下滑轮向上运动, 放出钢丝绳, 负载位置基本保持不变。当船舶受波浪冲击下降时, 液压缸装置的下滑轮向下运动, 收紧钢丝绳, 负载位置基本保持不变。

图2 液压缸伸缩型结构

　　液压缸伸缩型波浪补偿系统的优点是易实现被动型波浪补偿系统、波浪补偿系统故障时不影响绞车工作、系统惯性小、补偿系统功率小;缺点是占用甲板空间、钢丝绳摩擦大。

　　吊臂变幅型升沉补偿系统结构如图3所示。浮吊绞车仅负责收放负载, 活动臂装置负责波浪补偿。当船舶受波浪冲击上升时, 活动臂向下运动, 负载位置基本保持不变。当船舶受波浪冲击下降时, 活动臂向上运动, 负载位置基本保持不变。

图3 吊臂变幅型结构图

　　吊臂变幅型波浪补偿系统的优点是波浪补偿系统故障时不影响绞车工作、易于实现被动升沉补偿;缺点是惯性大、补偿装置功率需求大、机构复杂。

　　升沉补偿系统补偿类型主要分为两类:被动型和主动型。被动型升沉系统的优点是结构简单, 无须外部能量输入, 可靠性高。缺点是受结构摩擦、气液转换效率等因素影响, 补偿效率一般在70%左右。主动型升沉补偿系统的优点是控制精度高、可靠性强 (一旦主动补偿装置故障, 系统仍具有被动补偿能力) 。这时, 系统的波浪补偿精度由90%降到70%左右, 补偿能力有约20%的损失, 系统的可靠性高。

　　从补偿装置复杂度、功率需求、钢丝绳磨损、成本、甲板空间等因素综合考虑, 本项目采用液压缸伸缩型主动升沉补偿系统。绞车承担负载提升与下放, 补偿系统负责升沉补偿, 浮吊系统结构如图4所示。

图4 浮吊系统结构简图

　　主动升沉补偿系统安装于船舶甲板上或船舱中, 主要包含液压站、绞车、补偿液压缸等几部分。

　　液压站提供补偿系统能源, 通过补偿液压缸的运动实现补偿功能, 主钩的收放由牵引绞车提供动力, 钢丝绳储存到储缆绞车。补偿液压缸安装于滑轨上, 通过传感器采集船舶运动信号, 经控制器运算得到控制信号, 控制补偿液压缸的伸缩运动。

　　1.2、液压系统方案

　　主动升沉补偿液压系统原理方案如图5所示。

图5 主动升沉补偿液压系统原理方案图

　　1油箱, 2主泵电动机, 3主泵, 4安全阀, 5主动补偿比例阀, 6被动补偿连通阀, 7被动补偿开关阀, 8稳压蓄能器, 9被动补偿蓄能器充液阀, 10被动补偿蓄能器, 11补偿液压缸

　　液压系统主要由主泵、补偿液压缸、被动补偿蓄能器、主动补偿比例阀、氮气瓶组等组成。其中补偿液压缸有三个工作油缸, 集成了一个柱塞缸与一个对称液压缸的功能, 分别实现被动补偿和主动补偿功能。

　　在被动补偿工况下, 对称缸两腔连通, 柱塞缸油腔作用力直接作用于负载。在主动补偿工况下, 对称缸两腔通过比例阀控制跟随波浪的升沉运动, 柱塞缸油腔作用力抵消负载重量产生的载荷。

　　1.3、电气系统方案

　　主动升沉补偿电气系统方案如图6所示。

图6 主动升沉补偿电气系统方案图

　　电气系统主要由HC Controller (工控机) 、PLC (程序逻辑控制器) 、HNC100 (液压伺服控制器) 、绞车电机变频器、MRU (传感器) 等组成。PLC提供整套系统的指令生成、运算与分发、交互接口, 是升沉补偿系统的控制核心。HNC100是液压系统控制核心, 负责液压控制系统的算法实现并驱动控制比例阀, 同时完成与PLC的实时通信等任务。HC Controller负责系统运动控制和运动预测功能, 通过PLC执行。

　　2、主动升沉补偿液压系统工作原理设计

　　本研究采用的波浪补偿液压系统为主被动组合式系统, 应用阀控液压缸原理, 具有系统响应快、精度高的特性, 并且采用三腔复合式补偿液压缸 (如图5所示) , 结构更加紧凑。三腔复合式补偿液压缸中A、B腔为作用面积相等的主动补偿控制腔, C腔为被动补偿控制腔。主动补偿控制腔与比例阀配合实现主动位置闭环控制, 同时被动补偿控制腔与被动补偿蓄能器配合平衡负载。当采用主动补偿时, 由比例阀根据控制器指令信号实时控制液压缸运动;当被动补偿时, 将被动补偿开关阀关闭, A、B腔连通, 通过被动补偿蓄能器的液压弹簧作用控制液压缸运动。

　　根据主动升沉补偿系统的结构特征分析两种补偿状态的工作原理如下:

　　2.1、被动补偿工作原理

　　工作前将被动补偿蓄能器充气压力调整至与重物负载平衡, 打开被动补偿连通阀将补偿液压缸A、B腔连通, C腔与被动补偿蓄能器连通。当船舶随波浪的作用而向上/下运动时, 由于A、B腔的作用面积与压力均相等而相互抵消, 其补偿作用全部由C腔及被动补偿蓄能器组成的气液弹簧承担, 实现补偿液压缸缸杆的缩回/伸出。

　　2.2、主动补偿工作原理

　　主动补偿状态下, 重物负载由C腔压力平衡, 此时C腔与被动补偿蓄能器连通。当浮吊本体在浪涌作用下上升时, 液压伺服控制器采集MRU检测到船舶运动信号经过控制算法计算后, 输出控制信号控制比例阀工作在左位并实时调整阀口开度, 此时补偿液压缸A腔进入高压油驱动液压缸活塞杆左移, 实现上升过程的补偿控制。当浮吊本体在浪涌作用下下降时, 液压伺服控制器采集MRU检测到船舶运动信号经过控制算法计算后, 输出控制信号控制比例阀工作在右位并实时调整阀口开度, 此时补偿液压缸B腔进入高压油驱动液压缸活塞杆右移, 实现下降过程的补偿控制。

　　本系统在升沉补偿系统工作时, 被动补偿与主动补偿是同时工作的, 实现了高精度的位置闭环升沉补偿控制, 同时又大幅降低系统能耗。

　　3、主动升沉补偿系统工作模式设计

　　主动升沉补偿系统的六种工作模式分别为:手动模式、常规模式、缓冲器模式、主动补偿模式、张力模式、空钩模式, 各个工作模式之间可以有条件平稳转换。

　　手动模式用于调试、维修和为其他模式做准备工况。包括液压缸的前进/后退、蓄能器充放液、液压缸被动腔充液、液压缸主动补偿模式两腔连通。常规模式用于无须补偿工况, 系统作为常规绞车使用的场合。缓冲器模式针对被动补偿工况, 减少起升过程中的周期性起伏冲击。包括氮气侧压力的精确调整 (匹配重物) 。主动补偿模式针对重物起升但未到达海床的过程中, 减少随机波浪起伏的冲击。包括氮气侧压力的精确调整 (匹配重物) , 比例阀对液压缸精确控制。张力模式用于重物已经接近海床, 或者重物从海床吊起过程中, 为使重物能够稳稳的放置/离开海床。空钩模式用于重物已经放到海床上, 需要解除吊钩, 或者是准备从海床上挂上吊钩。根据浮吊工作状态的不同, 合理选择与搭配上述六种工作模式, 完成预定工作, 实现最佳的工作效果。

　　4、结论

　　浮吊主动升沉补偿系统是实现高精度海上吊装作业的必要装备, 本文针对浮吊主动升沉补偿系统设计方案展开研究, 总体上确定了主动升沉补偿系统的结构、液压系统、电气系统方案, 分析了该方案的工作原理与工作模式, 为产品开发提供了基础。同时, 该方案具有一定的先进性, 为打破技术壁垒, 提升海工装备国产化水平与性能提供一定的指导。

　　参考文献
　　[1]王哲骏, 谢金辉, 高剑, 等.波浪补偿技术现状和发展趋势[J].舰船科学技术, 2014, (11) :1-7.
　　[2]尹海兵, 刘冬一.复合型液压缸在主动波浪补偿系统中的应用[J].流体传动与控制, 2015, (04) :36-38.
　　[3]蔡东伟, 刘荣华, 张作礼, 等.一种主动升沉波浪补偿控制系统研究[J].船舶工程, 2012, (S2) :103-106.
　　[4]周亚辉, 徐小鹏, 彭俊威, 等.海洋吊机主动波浪补偿技术及国产化建议[J].石油机械, 2016, (10) :80-83.
　　[5]Adamson J.E.Efficient heave motion compensation for cable-suspended systems[C]//Proceedings Underwater Intervention 2003 Conference, New Orleans, LA, 10-12 Feb, 2003:1-7.
　　[6]白玉, 胡永攀.海上并靠补给波浪补偿技术发展趋势[J].船舶与海洋工程, 2016, (05) :1-4.