深海折臂式起重機主動升沉補償液壓系統建模與仿真

戴煉

摘要：為了減小船用起重機在海上作業時風浪對吊裝的影響，以深海折臂式起重機為例，介紹了一種船用起重機的升沉補償系統，并運用AMESim軟件對升沉補償系統進行了機電液一體化仿真建模，對該系統的波浪補償效果進行驗證分析。

Abstract： In order to reduce the impact of wind and wave on the hoisting of marine cranes at sea， a deep-sea jib crane is taken as an example to introduce a heave compensation system for marine cranes. The AMESim software is used to simulate the electromechanical and hydraulic integration of the heave compensation system， and the wave compensation effect of the system is verified and analyzed.

關鍵詞：深海起重機;波浪補償;AMESim

Key words： deep sea crane;wave compensation;AMESim

中圖分類號：U674.35? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0172-02

0? 引言

隨著海上貨物貿易的發展，船用起重機在上海運輸中的地位越來越高，其成為執行運輸作業的重要設備之一。船用起重機主要的作用就是實現船艦貨物之間的運輸以及水下作業設備的投放與回收等重要任務。然而由于船上作業環境比較復雜，尤其是在海上作業的過程中船用起重機的控制容易受水流、風力等方面的限制導致起重機出現左右搖擺或者起重機降落位置不準等現象。具體而言船用起重機控制影響因素主要包括：一是由于起重機是固定在船舶等平臺上，起重機在工作的過程中會受到平臺本身移動的影響，而導致起重機起吊的降落點與吊車本身的運動不一致;二是由于起重機負荷較大，其在海上作業的過程中會因為波浪等因素而導致起重機與船舶等發生碰撞，最終導致纜繩出現疲勞損傷，進而造成嚴重的后果[1]。尤其在進行艦船間彈藥補給時，這種耦合運動可能造成非常嚴重的后果。為了消除上述問題，本文設計一種深海折臂式起重機主動升沉補償液壓系統，以此提升起重機的工作性能，降低纜繩疲勞損害。

1? 折臂式起重機升沉補償系統工作原理

折臂式起重機升沉補償系統有效地解決了傳統的船用起重機所存在的受船體運動而產生的搖擺、碰撞船體等問題，可以大大提高起重機的工作性能。結合相關工作實踐及參照相關文獻技術，本文設計一種固定在船體甲板上的升沉補償系統，并且將其進行機電液一體化建模，其示意圖如圖1所示。

船體本身的運動對于吊車的工作性能起著關鍵性的作用，因此針對海上起重機的作業性能，應該優化船體的運動狀態。結合深海折臂式起重機的工作原理建立如圖2所示固定于船體的坐標系IS，其原點位于船的質心處，x正方向指向船頭，z軸正方向垂直于甲板向上（假設船位于靜水中時，甲板與水面平行）。假設船體為剛體，且在海面上可隨波浪自由運動，共有6自由度。分別為沿各軸的3個轉動自由度——橫搖、縱搖、旋轉運動，3個平動自由度——橫移、縱移、升沉運動。

而在貨物起吊過程中，尤其船體的升沉運動對吊裝作業影響最大，因而本文著重對深海折臂式起重機的主動升沉補償系統進行機電液一體化建模分析。深海折臂式起重機的升沉補償裝置主要由液壓補償系統及滑輪組組成，主動式波浪補償系統控制原理如圖3所示。主動波浪補償液壓系統原理如圖4所示。系統通過MRU海浪動態參考裝置檢測船體的上下位移量，感知海浪的大小，然后將信號輸入PLC計算起重機臂端沉降速度并得出絞車鋼絲繩的收放量，然后輸出電流或電壓控制信號，控制信號經功率放大器放大后調節比例方向閥（即三位四通閥）閥芯運動，增大或減少進入液壓馬達的壓力油流量。絞車液壓馬達作為主動式波浪補償系統的執行件，它以蓄能器作為能源，電控開啟，快速實現正、反轉動，并以編碼器檢測鋼絲繩的收放量，實現精確控制及高效補償的目的。

深海折臂式起重機起吊系統分主絞車與副絞車，主絞車起重能力為100～250t，副絞車起重能力為15～25t。副絞車起重負載相對較少，只需比例方向閥控制液壓馬達壓力油流量，帶動絞車進行起吊作業。本文主要針對副絞車起吊系統進行機電液一體化建模與仿真，驗證其補償效果。

2? 折臂式起重機升沉補償系統建模與仿真

2.1 仿真環境和建模

AMESim是一種常用的建模仿真平臺，其可以通過多學科的知識元件庫性能為用戶提供一個可以在單一平臺建立復雜系統模型，并且通過仿真計算和優化分析實現對運動過程的仿真檢測。當然構建AMESim也是推動物理系統本身設計的重要因素。

本次設計主要是根據圖3與圖4所示系統升沉補償結構，通過運用AMESim元件庫資源構建折臂式起重機升沉補償仿真示意圖（見圖5）。升沉補償系統仿真模型主要由滑輪、卷筒、蓄能器取自液壓庫、液壓馬達以及鋼絲繩取自機械庫等組成。

在整個建模中需要考慮到吊鉤的慣力作用，需要在吊鉤位置設置位移檢測傳感器，其因素主要是需要利用吊鉤上端滑輪的橫向運動使得吊鉤產生上下升沉運動，進而得出模擬船的升沉運動。當然在模擬中通過傳感器可以檢測出模擬船的沉降問題，但是在實踐中由于其受各方面影響，因此可以采取正弦或余弦信號作為吊鉤升沉運動的位移信號，利用位移傳感器檢測載荷升沉位移，控制部分采用PID閉環位置控制。

2.2 確定主要模型參數

整個系統中，絞車液壓馬達作為執行件，同時忽略比例閥死區，仿真模型參數[2][3]設置見表1。

2.3 系統仿真及結果分析

憑借經驗并通過Design Exploration優化工具箱對PID參數進行自動優化，確定kp、ki、kd參數，其仿真結果如圖6所示。

由圖6可知，深海折臂式起重機通過進行主動波浪（升沉）補償，吊裝載荷下降平穩，避免起吊負載與甲板發生撞擊，增加了吊裝作業的安全性。

3? 結論

本文通過對深海折臂式起重機主動升沉補償系統進行基于AMESim的機電液一體化建模[5]，并以副絞車吊裝作業系統為例，對系統的升沉補償效果進行分析，驗證了折臂式起重機主動升沉補償系統的有效性及正確性，同時為主絞車吊裝作業系統仿真模型搭建提供了參考，也為下一步的實驗驗證打下了基礎。

參考文獻：

[1]王鵬程，方勇純，相吉磊，趙振杰.回轉旋臂式船用起重機的動力學分析與建模[J].機械工程學報，2011，11：97-98.

[2]張大兵，烏建中，盧飛平，等.船用起重機升沉補償系統分析[J].機械科學與技術，2012，02：265-269.

[3]張宗成，袁銳波，何敏，等.基于AMEsim的閥控液壓馬達特性研究[J].科學技術與工程，2010，10（13）：3222-3225.

[4]項林.船用起重機升沉補償系統建模與仿真研究[J].通訊世界，2015，01：235-236.

[5]王哲駿，謝金輝，高劍，鄧智勇.回轉旋臂式船用起重機的動力學分析與建模[J].機械工程學報，2011，10：76-77.