高海況打撈吊機波浪補償系統

王志勇,湯濤林,徐志強,諶志新

(1.農業農村部 遠洋漁船與裝備重點實驗室,上海 200092; 2.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所,上海 200092)

船用吊機在海上作業過程中,由于受到風、洋流、海浪作用的影響,吊機會產生橫搖、縱搖、艘搖、升沉、橫蕩、縱蕩6個自由度運動.通常橫搖、縱搖和升沉為3個高頻自由度運動,對吊機海上作業有很大影響.目前的船用吊機波浪補償主要是在垂直方向上進行補償,可以滿足一定海況下吊運作業需求[1-2].該打撈吊機主要用于4～6級海況以下海上漂浮物的打撈,打撈時,吊機伸縮臂伸出舷外并垂直于船舷,伸縮臂上懸掛攔網,支撐柔性攔網張開,工作示意如圖1所示[3].由于船舶在海上最容易發生橫搖且搖擺幅度大,為了使攔網入水保持一定的高度,將海面物體打撈入網,需要對吊機橫搖方向進行補償,通過補償系統保證吊機伸縮臂懸浮在水面上一定的高度范圍內.該波浪補償系統通過測量吊機伸縮臂相對船舶姿態位置,實時控制打撈吊機變幅油缸運動方向與船舶橫搖方向成反方向運動,以滿足高海況打撈漂浮物時伸截臂隨船搖擺的穩定性,確保打撈攔網網形技術要求[4-5].

圖1 打撈吊機工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of salvage crane

1 波浪補償系統原理及設計

1.1 波浪補償過程分析

垂直方向吊機伸縮臂是通過變幅油缸進行控制,該運動相對船舶是橫向搖擺,在4～6級海況下該船橫搖幅度為±15°.為了改善伸縮臂隨船橫搖對打撈效果造成影響,設計主被動波浪補償控制系統[6].利用船舶搖擺角度測試傳感器信號,控制液壓系統方向比例調速閥,使伸縮臂變幅油缸運動方向與船舶搖擺方向成反方向運動,從而減小伸縮臂與海面高度的過大變化,設計將伸縮臂最大變幅角度控制在±8°,周期11 s,以提高漂浮物打撈成功率,補償過程如圖2所示.

圖2 吊機油缸補償原理Fig.2 Compensation principle of crane cylinder

1.2 打撈吊機波浪系統設計

波浪補償液壓系統主要包括泵站、操作閥、傾角傳感器及油缸位移傳感器、PID閉環控制模塊、補償油缸.系統可根據船體搖擺情況,自動化控制操作閥開閉,實現油缸伸縮高速響應船體搖擺動作,從而調整伸縮臂在高海況條件下的波浪補償位置.

液壓系統原理如圖3所示,主泵采用變量柱塞泵,主泵連接一小型恒壓泵用于系統控制油源.在打撈需要進行波浪補償且伸縮臂變幅油缸有桿腔進油,則主泵給1#蓄能器充油,無桿腔回油給2#蓄能器充油.當伸縮臂變幅油缸無桿腔進油需要大流量液壓油時,蓄能器可以及時補充油源,以提高伸縮臂變幅控制的響應速度,滿足惡劣海況要求.補償系統信號采集傳感器包括設置在船中的搖擺角度、角加速度指示信號發生器以及設置在油缸缸頭的油缸行程位置傳感器,并通過PID電氣控制系統的控制器進行信號處理,輸出控制信號通過液壓系統中電比例調速換向閥進行變幅油缸主動補償控制[7-9].

圖3 打撈吊機液壓系統圖Fig.3 Hydraulic system drawing of the salvage crane

為了提高波浪補償系統的穩定性及快速響應特性,增加被動補償功能.當伸縮臂在打撈作業下降變幅時,重力做功并通過設置在變幅油缸附件的蓄能器儲能;當伸縮臂上升時,除液壓泵站供油外,蓄能器儲能釋放以快速提升伸縮臂.同時,通過油缸位置傳感器控制油缸變幅角度,以適應高海況返回艙打撈的要求.

2 系統實驗與分析

測試設備:① 工業電腦,系統補償控制和數據采集;② 垂直陀螺儀,測量打撈吊機伸縮臂角度;③ 壓力傳感器MBS1250,測量變幅油缸的大小油腔壓力;④ 油缸位移傳感器GEL2478,測量變幅油缸位移變化.

設定吊機伸縮臂初始角度為-10°,主泵最大流量100%,此次海上實驗啟用船上減搖鰭生搖裝置功能,船舶橫搖角8°～12°,周期12 s.

表1 波浪補償系統試驗結果Tab.1 Test result of wave compensation system

注:設定船舶向右橫搖角度為負值,向左橫搖角度為正值.

根據海上實驗數據,得出船舶以及吊機伸縮臂橫搖角度隨周期變化曲線,如圖4和圖5所示.船舶橫搖周期平均為11 s,當橫搖角度在-7.8°～5.0°時,吊機變幅油缸補償范圍為-2.3°～6.5°,滿足高海況下補償性能,可以有效控制吊臂搖擺穩定性.

圖4 船舶橫搖角度隨時間變化曲線Fig.4 The variation curve of ship’srolling angle with time

圖5 吊臂橫搖角度隨時間變化曲線Fig.5 The variation curve of lifting armswing angle with time

3 結語

該打撈吊機采用主被動復合的波浪補償控制系統,通過吊機變幅油缸位移補償方式,有效降低了高海況作業時吊機伸縮臂受波浪影響橫搖幅度,保持伸縮臂在水面一定高度范圍內穩定,提高漂海上浮物打撈的工況適應性.