船用起重機吊重減搖控制方法及仿真研究

王旭輝 曹旭陽 王殿龍

大連理工大學機械工程學院 大連 116024

0 引言

船用起重機作為海洋工程船舶的核心裝備之一，廣泛用于水上吊裝、貨物轉(zhuǎn)運、深海采礦和勘探等領(lǐng)域，受海浪環(huán)境的影響，在海上作業(yè)時吊重會產(chǎn)生劇烈的搖擺，導致吊重無法精確定位，極大降低了工作效率。因此，本文針對船用起重機吊重的搖擺問題進行機械減搖系統(tǒng)設(shè)計，建立減搖補償機構(gòu)并對其進行仿真分析研究，對船用起重機在實際作業(yè)中的安全性及高效性具有十分重要的意義[1]。

鑒于對于船用起重機在海上作業(yè)的重要性，國內(nèi)外相關(guān)學者進行了大量理論研究，并且很多減搖裝置的設(shè)計也被應(yīng)用到實際中。目前，針對起重機的減搖裝置有很多，其中主要的減搖裝置有機械式、電子式、被動阻尼式和主動式等[2]。機械式減搖裝置根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理，通過機械方式消耗吊重擺動的能量，采用減小吊物的動能或增加系統(tǒng)剛性的方法來實現(xiàn)減搖效果[3]。電子式減搖裝置的工作原理是通過各種傳感器和檢測元件測量吊重擺動的角度及角速度，對測量數(shù)據(jù)不斷進行分析反饋，進而調(diào)節(jié)起重機的運行狀態(tài)，減弱吊重的擺角[4]。被動阻尼式減搖裝置結(jié)構(gòu)簡單，即利用液壓油的阻尼效果消耗吊重的動能[5]。主動式減搖裝置是在被動阻尼式減搖裝置的基礎(chǔ)上，通過改進被動式減搖裝置的結(jié)構(gòu)，建立電液伺服系統(tǒng)，從而完成主動的減搖控制[6]。

本文在機械式減搖裝置的基礎(chǔ)上對船用起重機的吊臂結(jié)構(gòu)進行改造，安裝吊盤式減搖裝置及卷筒，建立恒張力液壓控制系統(tǒng)，通過對牽引索張力的控制拉緊吊盤，從而減小吊物的搖擺運動。

1 減搖裝置系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行原理

如圖1所示，減搖裝置結(jié)構(gòu)主要由基座、減搖臂、主吊臂、滑輪、卷筒、牽引索、吊盤及吊鉤等組成。其中，減搖臂共有2個，在吊臂兩側(cè)呈對稱分布；卷筒安裝在減搖臂上，通過控制自身回轉(zhuǎn)來收放牽引索。

圖1 減搖裝置結(jié)構(gòu)示意圖

吊盤的設(shè)計采用內(nèi)嵌滾柱式結(jié)構(gòu)，在吊盤周圍均勻布置有3個吊耳，吊盤中間內(nèi)孔中的上下2層分別安裝3個滾柱及彈簧，空間交叉分布成六角星形。當?shù)跷锵鄬τ诨l(fā)生搖擺時，吊盤和吊索會發(fā)生偏移，吊索與滾柱之間相互接觸，滾柱體的轉(zhuǎn)動會減小吊索和滾柱之間的摩擦。

在減搖裝置中，牽引索7、牽引索8的其中一端分別纏繞在2個伸縮臂上的卷筒，另一端與吊盤的側(cè)吊耳相連接；牽引索9的一端纏繞在卷筒6上，另一端則繞過吊臂頂端的滑輪組連接到吊盤2上的頂?shù)醵?根牽引索會在運行過程中呈現(xiàn)出三角形結(jié)構(gòu)，保持吊盤相對于起重機的空間位姿，起到控制并減擺的作用。

1.2 恒張力控制原理

如圖2所示，恒張力的輸出采用液壓系統(tǒng)的控制方法。在較復雜的工況下，受外界負載變化的影響，繩索的張力會隨吊物的擺動而時刻變化[7]。根據(jù)負載情況設(shè)定牽引索的張力值，恒張力液壓系統(tǒng)中牽引索張力傳感器檢測到繩索所受張力，并反饋到液壓系統(tǒng)中，然后將差值輸入到控制器中，通過調(diào)整張力偏差，輸出電液比例閥的輸入電壓調(diào)節(jié)其壓力設(shè)定值，電液比例閥壓力的改變使液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩也發(fā)生變化，牽引索張力也隨之改變，使所受張力與給定設(shè)定值保持一致，從而實現(xiàn)恒張力的閉環(huán)控制。

圖2 繩索張力閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

恒張力控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)始終能控制其對外輸出的力恒定不變[8]，這樣可最大限度地保持張力的恒定，既可消減因負載突然增大對目標控制造成的沖擊，又能避免因鋼絲繩松弛導致控制目標失控的狀態(tài)。

2 減搖機構(gòu)的靜力學分析

根據(jù)船用起重機減搖機構(gòu)中牽引索的位置分布，對吊物的受力情況進行靜力學分析，如圖3所示。

圖3 減搖系統(tǒng)張力分析圖

A點、B點分別為減搖臂與牽引索的交點，C點為主吊臂上滑輪與主吊索的交點，D點為主吊臂前段滑輪與牽引索的交點，O點為吊物。吊物自重與主起升吊索張力以及牽引索張緊力的共同作用在空間保持靜態(tài)平衡。定義繩索的張力可表示為

A點在x坐標軸的垂直投影表示為xA，在z坐標軸上的垂直投影為zA；B點在x坐標軸上的垂直投影為xB，在z坐標軸上的垂直投影為zB；D點在x坐標軸上的垂直投影為xD，在z坐標軸上的垂直投影為zD；O點在x坐標軸上的垂直投影為xO，在z坐標軸上的垂直投影為zO；LOA、LOB、LOD分別為OA、OB、OD的距離。當受力平衡時， O點、C點、D點處于xoz平面內(nèi)，則有F3y＝0。由于第1、第2條減搖索在空間上呈對稱分布，當F2y＝-F1y時，就可保證牽引索在y方向的張力的平衡，故只需考慮3條減搖索在xoz平面內(nèi)的靜力學平衡問題。

根據(jù)張力的空間分布，定義3條減搖索在x和z方向的張力的分量為

其中

由于OA、OB具有對稱性，故有LOA＝LOB。

吊物在x方向和z方向的受力平衡，建立力學平衡方程為

由減搖索1、減搖索2在空間上的對稱性可得出

帶入下式

重新整理可得

3 液壓系統(tǒng)運行原理

考慮到減搖裝置的液壓系統(tǒng)需要較穩(wěn)定的工作環(huán)境，布置占用空間較小，系統(tǒng)更封閉，傳動更平穩(wěn)，根據(jù)減搖裝置建立圖4所示液壓系統(tǒng)原理圖。該液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、過濾器、三位四通閥、溢流閥、單向節(jié)流閥、壓力繼電器、液壓馬達、冷卻器及控制單元等組成。恒張力液壓控制系統(tǒng)要求能實現(xiàn)液壓馬達的勻速運動及換向，從而帶動牽引索張力的變化。通過壓力繼電器及控制單元可改變?nèi)凰耐ㄩy的換向，控制液壓系統(tǒng)中油液的流向，從而改變液壓馬達的旋轉(zhuǎn)方向。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

1）換向控制

液壓系統(tǒng)中液壓馬達的換向通過壓力繼電器控制三位四通換向閥閥芯的動作來實現(xiàn)，即根據(jù)系統(tǒng)負載工況對壓力繼電器設(shè)定初值，通過比較外界給定張力與壓力繼電器初值的大小來判定壓力繼電器的開關(guān)動作。當壓力繼電器接通時，三位四通閥的閥芯處于右位，系統(tǒng)中的液壓泵進行供油，使執(zhí)行機構(gòu)液壓馬達旋轉(zhuǎn)帶動牽引索的纏繞；當壓力繼電器關(guān)閉時，三位四通閥的閥芯處于左位，液壓泵進行反向供油，液壓馬達反向旋轉(zhuǎn)，進行放繩。

2）速度控制

在實際工作過程中，船用起重機受工作環(huán)境的影響，其橫搖、縱搖運動會造成系統(tǒng)的瞬時油壓過高，故在系統(tǒng)中加入單向節(jié)流閥對系統(tǒng)的流量進行限速控制。當三位四通閥的閥芯位置處于左位時，油液經(jīng)過液壓泵，流向左側(cè)單向節(jié)流閥，再經(jīng)過液壓馬達，最后通過右側(cè)單向節(jié)流閥流回至油箱；當三位四通閥的閥芯位置處于右位時，油液經(jīng)過液壓泵，流向右側(cè)單向節(jié)流閥，再經(jīng)過液壓馬達，最后通過左側(cè)單向節(jié)流閥回到油箱。由此，可防止液壓系統(tǒng)的瞬時油壓過高，保證液壓系統(tǒng)的正常工作。

4 恒張力液壓系統(tǒng)的建模與仿真分析

4.1 液壓系統(tǒng)的建模設(shè)計

使用AMEsim軟件，根據(jù)所設(shè)計的液壓系統(tǒng)原理圖，從液壓標準庫、機械庫以及信號庫中選擇相應(yīng)的元件，確定子模型，通過設(shè)定相應(yīng)的函數(shù)和PID控制器來代替壓力繼電器控制三位四通閥的換向動作，最終將元件依次連接好，建立圖5所示恒張力液壓系統(tǒng)仿真模型。應(yīng)用Matlab/Simulink軟件搭建圖6所示液壓系統(tǒng)恒張力控制模型。

圖5 恒張力液壓系統(tǒng)仿真模型

圖6 液壓系統(tǒng)恒張力控制模型

4.2 模型的參數(shù)定義

模型主要部件的參數(shù)有：系統(tǒng)工作壓力為10 MPa，液壓泵排量為90 ml/r，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，液壓馬達排量為400 ml/r，馬達轉(zhuǎn)速為160 r/min，溢流閥壓力為320 bar，壓力繼電器設(shè)定負載為170 N·m，最大負載為460 N·m。

4.3 仿真分析結(jié)果

在AMEsim軟件中對相應(yīng)的子元件進行參數(shù)設(shè)置，進入Simulation模塊下設(shè)置運行步長及仿真時間，針對仿真結(jié)果，分析不同負載下恒張力液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。

外界負載與壓力繼電器設(shè)定值大小的比較關(guān)系著液壓系統(tǒng)中三位四通閥左位和右位的接通，從而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)向。因此，以壓力繼電器設(shè)定的負載為臨界值（170 N·m），對系統(tǒng)給定不同的負載（牽引索的張力）。對系統(tǒng)給定最大負載（460 N·m），對系統(tǒng)給定的負載大于壓力繼電器的設(shè)定負載時（230 N·m），對系統(tǒng)給定負載小于壓力繼電器設(shè)定負載時（115 N·m），分別調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID參數(shù)，得出不同負載下液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩及壓力，其仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同負載下液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩

圖8 不同負載下液壓馬達的輸出壓力

當給定牽引索的負載分別為460 N·m、230 N·m、115 N·m時，液壓馬達的高壓側(cè)壓力、低壓側(cè)壓力、轉(zhuǎn)速以及流量的仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 負載460 N·m時，液壓馬達的性能參數(shù)

圖10 負載230 N·m時，液壓馬達的性能參數(shù)

圖11 負載115 N·m時，液壓馬達的性能參數(shù)

由仿真結(jié)果可知，當液壓系統(tǒng)的外界負載逐漸增大時，液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩及工作壓力隨之增大；當液壓系統(tǒng)的外界負載逐漸減小時，液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩及工作壓力隨之減小。當外界給定某一恒定負載時，液壓系統(tǒng)中液壓馬達的轉(zhuǎn)速及流量一開始會稍有波動，但經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)整，最終均能達到穩(wěn)定值。

在圖6所示恒張力控制模型中，張力設(shè)定模塊采用Pulse模塊來代表負載的變化情況（見圖12）。模型中設(shè)置仿真時間3 s時，負載設(shè)定值由460 N·m階躍變?yōu)?30 N·m；仿真時間6 s時，負載設(shè)定值再由230 N·m變?yōu)?15 N·m。分析在不同負載的變化情況下，系統(tǒng)張力的跟隨情況，得到仿真結(jié)果如圖13所示。

圖12 Pulse模塊負載變化信號

圖13 控制模型不同負載下的張力跟隨情況

由圖13可知，當張力設(shè)定值分別為460 N·m、230 N·m和115 N·m，外界給定階躍性變化的負載，而系統(tǒng)張力變化也呈現(xiàn)階躍性的變化，且系統(tǒng)張力的跟隨響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)的動態(tài)性能良好。

5 結(jié)論

針對海上作業(yè)波浪對吊重搖擺的影響，建立了船用起重機減搖補償裝置，使用AMEsim和Simulink建立了恒張力液壓控制系統(tǒng)仿真模型。本文對不同負載條件下，將液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩及工作壓力進行對比，得出恒張力液壓系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩、工作壓力與外界負載成正比的關(guān)系。液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)液壓馬達的壓力、轉(zhuǎn)速及流量在某一恒定的負載下的對外輸出均保持恒定，液壓系統(tǒng)的控制滿足恒張力理論的要求。在恒張力控制模型中，對于負載設(shè)定值發(fā)生階躍變化時，系統(tǒng)的張力的響應(yīng)速度較快，并能穩(wěn)定在所設(shè)定的值，張力的跟隨能力良好，驗證了液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本文針對機械減搖裝置恒張力液壓系統(tǒng)的研究，采用了PID控制對系統(tǒng)模型的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，后期可在此基礎(chǔ)上對控制方法的優(yōu)化方面進行改進，不斷提高恒張力系統(tǒng)的響應(yīng)及穩(wěn)定性。