浅析船用被动式恒张力控制液压绞车.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 l 3年 第 1 1期 浅析船用被动式恒张力控制液压绞车 江 峰 ， 陈恺恺 意宁液压股份有限公司， 浙江 宁波3 1 5 8 0 6 摘要 船用恒张力液压绞车是海洋作业船舶上最主要的拖拉和起货元件 ， 主要功能就是在复杂的海洋环境 下拖拉重物时最小 化负载 的尖峰张力 ． 其基本控制方式是 由一个嵌入液压绞车系统 回路的可调式压力溢流 阀组成。 在简要介绍 了各种不同的恒张力控制系统的 基础上 ． 描述 了被动式恒张力液压绞车的工作原理及操作方法 ． 分析表明使用恒张力控制方式极大的减小 了液压绞车上的钢丝绳张力 频率和峰值 ． 并有效 的改善整个绞车在海洋上 的作业能力 。 关键词 恒张力 液压绞车 ； 被动式控制 ； 液压系统 中图分类号 T H1 3 7 ． 3 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 1 - 0 0 3 8 0 3 An a l y s i s o f M a r i n e Pa s s i v e Co n s t a n t Te n s i o n W i n c h J I ANG F e n g ， C HEN Ka i - k a i I n i H y d r a u l i c C o ． ，L t d ． ， N i n g b o 3 1 5 8 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ma ri n e c o n s t a n t t e n s i o n h y d r a u l i c w i n c h e s a r e a m a j o r c o mp o n e n t o f m o s t t o w e d o r h o i s t i n g s y s t e m u s e d o n s h i p s ．T h e m a i n f u n c t i o n i s t O mi n i mi z e p e a k t e n s i o n l o a d s e n c o u n t e r e d wh i l e t o w i n g h e a v y c arg o i n r o u g h s e a c o n d i t i o n s ． Th e b a s i c c o n t r o l u n i t c o n s i s t s o f a l l a d j u s t a b l e p r e s s u r e r e l i e f v a l v e i n s e r t e d i n t h e h y d r a u l i c c i r c u i t o f t h e w i n c h ．I n t h e b a s e o n b ri e f i n t r o d u c t i o n o f v a r i o u s c o n s t a n t t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m， d e s c r i b e d t h e wo r k i n g p r i n c i p a l a n d me t h o d o f t h e p a s s i v e c o n s t a n t t e n s i o n h y d r a u l i c wi n c h ． An a l y s i s r e s u l t s s h o we d s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n i n t h e c a b l e t e n s i o n f r e q u e n c y a n d p e a k s a n d ma r k e d i mp r o v e me n t i n t h e t o w e d s y s t e m b e h a v i o r ． Ke y wo r d s c o n s t a n t t e n s i o n； h y d r a u l i c wi n c h； p a s s i v e c o n t r o l ； h y d r a u l i c s y s t e m 0 引言 船用恒张力液压绞车作为海洋工程船舶的主要工 作执行元件越来越受到关注 特别是在大功率条件下常 用于起重船 、 驳船 、 横移式挖泥船 、 铺管船 ， 以及海上钻 探平台和其它船舶 ． 也可作为“ 锚泊” 绞车进行船舶的定 位和动力 固定 ， 或用于石油管路 、 设备的恒张力牵引和 释放。作为作业船舶上最主要的拖拉或海洋起货元件 ， 有时恶劣的海洋条件下 ． 船舶的起伏运动使得正常的拖 拉或海洋起货变得异常的困难 ， 甚至难以完成 。整个船 体的运动对绞车钢丝绳产生巨大的惯性力和拖拽力 ． 如 果再加上绞车的速度． 可能使绞车下放时的速度超过物 体 自由下放的速度 。这时． 钢丝绳就会变得松散并产生 缠绞弧绕并造成破坏。 同样． 当船体随波浪向上运动时 ， 钢丝绳受到达到破断拉力的严重瞬时负载的冲击 ． 从而 造成钢丝绳损坏。实际证 明． 船体的运动会严重影响船 用绞车在海洋的正常作业 为此多种不同的恒张力补偿 控制原理被提出来用以改善上述影响 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 7 作者简介 江峰 1 9 8 0 - ， 男 ， 江西人 ， 工程师 ， 硕士研究生 ， 现主要从事流体 传动及控制、 机械设计与制造方面的研究。 3 8 1 概述 1 ． 1 开式 回路恒张力液压绞车系统 1 定量泵系统 ， 开式恒张力定量泵系统是最基本 的恒张力液压系统 ．它通过高压溢流阀全流量溢流维 持系统相对恒定的压力 ． 有较大的功率损失。 2 恒 压伺服变量 系统 。 在恒压伺服变量系统 中 ， 采用了压力补偿变量泵f 恒压泵 。当系统处于保持状态 时 ， 恒压泵输 出流量近似为零 当绞车被拖放时 ， 马达 输 出流量经系统溢流阀溢流 ， 系统输出仍然为零。由于 系统在保持和释放阶段时液压泵处于恒压状态 ．因而 与定量泵系统相 比功率损失小 ， 牵引、 保持 、 释放状态 下的张力差值较小 。 1 ． 2闭式回路恒张力液压绞车系统 闭式 回路恒张力液压系统的理想特性是转矩不 受 绞车旋转方 向的影响和具有最短的反馈时间 然而为 了避免中心点附近振动而引起的撞击 ．在两个旋转方 向的转矩之间应该保持很小的差额 1 常 规 变 量 系统 ， 采 用 变 量 泵 的 闭式 回路 ， 在 设 定恒张力模式时 ．在收绳方向减小变量泵 的排量 即减 小了绞车在保持、 释放状态时的溢流损失 。由于闭式系 统采用泵直接驱动马达模式 ．系统总效率高 ，因此牵 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e Ms ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 3 引、 保持 、 释放状态下的张力差值小 。 2 恒压伺 服变量 系统 ， 采用 恒压控 制 的闭式 回 路 ， 不但在 张力牵引 、 保持 、 释放状态下 的张力差值较 小 ， 而且 由于系统在保持 、 释放状态 下 ． 控制主泵 向相 反方 向变 量 。使 主泵无溢 流损失 。美 国萨澳公 司 的 R V P L回路就是用于恒张力控制的恒压伺服变量回路。 1 ． 3恒张力液压绞车基本型式 恒张力液压绞车一般具有 2种基本型式 ．采用 高 速液压马达驱动 的多级齿轮减速机和直接采用低速大 扭矩液压马达或仅带一级齿轮的减速机 在 恒 张力 绞 车 变 换 方 向时 ． 只 有 绞 车 滚 筒 “ 反 应 ” 快 ． 才能保持钢丝绳一直张紧 ． 这要求绞车驱动系统应 具有较低 的转动惯量 。 且液压驱动系统结构紧凑 ． 转动 惯量小 ． 控制方式适应性强 。采用第二种低速大扭矩液 压马达的方式具有 明显 的优势 因为与各种带有多级 减 速 器 的高 速 马达 相 比 ， 其 惯 性量 很 小 ． 能 保证 最 佳 反 馈时间。另外 ． 低速大扭矩液压马达在起动时的具有较 高机械效率 ． 当恒张力液压绞车变换工作方向时 ． 转矩 差直接与该效率的平方相关。恒张力定义 2 R 绞车卷筒直径 △ p 马 达工 况下 液压 马 达 的压 差 ； △ p 泵工 况下 液压 马 达 的压差 ； 1 ， 液 压 马达 总排 量 马达工况下的总效率 ； 叼 泵工况下的总效率 。 当恒张力绞车收缆时 R 当恒 张力绞 车 放缆 时 肚 因此 收缆力 一 ap 。 ’ P 缆力 卸。 虽然 可 以采用 许 多 种不 同 的恒 张力 系 统来 补 偿 船 体 的运动 ．但被动式恒张力液压绞车的最基本核心点 还 是那个嵌 入液压 绞车系统 回路 的可调 式压力 溢流 阀。正是因为这一点 ， 被动式恒张力液压绞车既能用于 正常工作作业 ， 又能恒张力使用 ， 且花费低 、 设计简单 ， 因而受到普遍使用 2 工作原理及操作方式 恒张力控制要求绞车在运动 的负载下 ． 在释放 、 保 持和牵引缆绳状态下保持较恒定的直线张力 ．张力大 小可在一定范 围内设定与调整。采用恒张力控制 ． 既能 维持对控制 目标的恒定约束 ．避免控制 目标过于 “ 自 由” ， 又能防止突发约束过大以至损伤控制 目标现象 的 发生 。 对于同层缆绳 ，恒定的钢丝绳张力意味着马达输 出扭矩的相对恒定 ． 无论是 作为“ 马达工况” 牵引缆绳 还是 作 为“ 泵 工况 ” 释 放缆绳 。对于 定排 量马 达 ． 扭 矩 的 恒定说 明马达高压腔工作压力恒定 忽略低压腔压力 的变化 。也就是说 。 恒张力液压绞车的操作是基于这 样一个原理 即液压绞车 的输 出拉力与绞车的供油压 力成正 比。因此 ， 钢丝绳张力的控制可通过调节液压系 统压力来实现 2 ． 1 系统原 理 被动式恒张力液压绞车的基本液压原理如图 l所 示 。 液压泵 8 用于向液压绞车提供动力单元 点划线方 块 A里 的元 件 就 是 恒 张 力液 压 绞 车 的基 本 控制 模 块 被动式恒张力控制的基础就是一个远程控制溢流阀 3 ． 用于限制作用在液压马达上的压力 先导调节溢流阀 4 允许远程设定溢流阀压力 l 一液 压 马 达2 一高 低 速 切 换 阀 3 一 远程控制溢 流阀4 一 先导调节溢流阀 5 一 平衡阀 6 一 压力补偿方向阀7 一 背压阀 8 一 液压泵9 一 可调针 阀A 一 恒张力控制元件 图 1 被动式恒张力液压绞车基本液压原理 图 在正常操作条件下 ． 远程控制溢流阀 3完全关闭 ． 对绞车 的操作不起任何影响 液压泵 8给液压绞车上 的低速大扭矩液压马达 1提供动力。 压力补偿方 向阀 6 调节 系统流量并控制液压马达旋 向和速度 液压绞车 由两个液压马达按串并联方式驱动。 由高低速切换阀 2 3 9 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第1 1期 选择液压绞车的操作模式 ．即低速大扭矩或高速小扭 矩两种操作模式 平衡阀 5在液压马达 的排油腔产生 足 够 的背 压 。 形 成 制 动力 矩 ， 起 到 动态 制 动 的作 用 ， 保 证液压马达不被超速运转 只有 当压力油通过可调针 阀 9进入平衡阀先导 口． 才能稳定 的下放重物 当远程 控 制溢 流 阀 3动 作 时 ．液压 马 达 的压力 就 开始受到限制 。 且不受压力补偿方 向阀位置的影响。因 为液压马达排量一定 ． 最高压力受限后 ． 液压马达的输 出拉力也就一定 。因此 ． 如果此时钢丝绳张力太高。 液 压绞车将被克服并放 出钢丝绳 即使当压力补偿方向 阀处在收绳方向也是如此 2 - 2 操 作 方式 船用被动式恒张力绞车操作方式一般如下 首先 ， 液压绞车按正常操作模式下放重物 ．一旦重物下放到 水里 ．就通过远程控制溢流阀降低压力设定等级 。此 时 ．当船体的重量造成液压绞车所受 的负载高于压力 设定等级时． 钢丝绳处于放绳状态。 将控制阀调整到最大流量全速收绳的方 向 f 见图 2 ． 则全部的流量通过打开的溢流阀流人作为泵工况 的 液 压 马达 进 油 口 ．从 而 增 大 了绞 车 的 放绳 速 度 ． 绞 车速度 的增大进而导致溢流阀的再次关 闭 ． 又使马达 压力增大 ． 同时又减小 了放绳速度 当达到某一个平 衡 点上 时 ， 液压 绞车将停止运动并开始收绳 。通过调 节溢流阀的设定压力 ． 可以得到期望 的下放和提升速 度 。如 图 2所示 ， 当船 舶定 位 时 ， 钢 丝绳 上 的负 载 随波 浪变化 。 但绞车上的压力设定不变。当绞 车负载超过 压力设定时 ， 钢丝绳 放绳 当绞车负载小 于压力设定 时 钢丝 绳 收绳 舀 图 2恒 张 力 作 业 时 的 液压 流 程 图 这种被动式恒张力 系统的响应基本取决于绞车 的 惯性量和内部的摩擦力 液压绞车是否能完全补偿船 体运动带来的张力变化 能力受到绞车马达最大速度 的 限制 。船体重量要求绞车能在低速大扭矩状态下运行 ． 因此使用低速大扭矩马达 的优势更加明显 但 当被动 式恒张力液压绞车一直在全速操作时 ．液压泵一直供 应液压油 ． 此时会产生大量的热量 ． 因而对于这种形式 的恒 张力 液 压绞 车必 须 保证 有 足够 的冷 却 来 防止 液压 系统的过热 3 结果分析 对于船用被动式恒 张力绞车 的实际效果试验 ． 国 内 外 已 经 作 的 大 量 的 工 作 。 M． R ． Mi t c h e l l和 J ． G ． D e s s u r e a u h就 曾经在一种水文取样绞车上对该种形式 的绞 车做 过 细致 的试 验 分析 。得 出 的结论 是 ， 采用 被 动式恒张力控制形式 ．钢丝绳上的张力符合绞车在海 洋上船体加减速的频率特性 ．且张力的频率变化 比未 采用恒张力控制时减小 了一半多 ．张力峰值减小的百 分二 十左 右 。在 此基 础 上 ， 对 系统 进行 带 闭环 。 增 大增 益的限幅变 比例分段恒张力控制策略 ．能有效地改善 大惯性负载时的动态性能 虽然前面提及的许多先进 复杂的恒张力方式能取得更加 良好的应用结果 ．但考 虑到采用这种基 本的被动式恒张力 液压绞车设计 简 单 、 适应性强、 可靠性高 、 成本较低 ， 所 以仍不失为一种 经 济 的选 择 4 结语 被动式恒张力液压绞车可以补偿海洋作业时船体 的运动 ． 能显著 的减小钢丝绳上的张力变化 ， 并改善整 个作业行为 这种系统对于整个液压绞车的改动是非 常小 的， 也便于应用到其它许多不同的液压绞车上。 整 个 被 动 式 恒 张 力 系 统 的性 能 依 赖 于 液 压 绞 车 本身的特性 绞车的转速是限制这种系统在复杂海洋 工作环境下完全补偿船体运动的最主要因素 另外使 用这种 系统还需要重视考虑冷却 问题对系统发 热 的 影 响 。 参 考 文 献 [ 1 ] 路 甬祥． 液压气动技术手册【 M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 雷天觉． 液压工程手册[ M 】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 3 】 朱熙 耕． 4 5吨静 液压绞 车 的研 制【 D ] ． 天津 天 津大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] M． R ． Mi t c h e l l ， J ． G ． D e s s u r e a u l t ． A C o n s t a n t T e n s i o n Wi n c h D e s i g n A n d T e s t O f A S i m p l e P a s s i v e S y s t e m [ J ] ． O c e a n E n g i n e e r i n g ． 1 9 9 2 ， 1 9 5 4 8 9 - 4 9 6 ． 【 5 ] 梅运文． 1 0 0 K N锚绞车设计与制作[ J ] ． 江苏船舶 ， 2 0 0 4 ， 3 1 O 一 1 2． 【 6 ] 鄢华林 ， 宋林． 恒张力绞 车的应用研究[ J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 1 1 ， 7 8 0 8 2 ． 『 7 1 钟 天宇 ， 等． 大惯性双 向变 张力 电液 比例 张力控制 系统 的研 究[ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 7 ， 4 1 8 ．