耙吸式挖泥船波浪補償器控制分析

饒洪華

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

波浪補償器在耙吸式挖泥船的挖泥作業中起到至關重要的作用。區別于主動補償系統中利用伺服閥使馬達轉動，進而收放鋼絲繩，在開式液壓系統中，波浪補償器的補償方式是被動的，它沒有外部動力源，系統對耙頭與船舶的相對運動產生的鋼絲繩張力及系統壓力的變化做出反應，在蓄能空氣罐與液壓油缸之間進行自平衡。連接蓄能空氣罐與液壓油缸的液壓控制閥在自平衡過程中起到關鍵的控制作用，如何使波浪補償器在被動運動的過程中進行安全和有效的工作具備重要的研究意義。

1 波浪補償器的基本原理

如圖1所示，波浪補償器主要由液壓油缸、滑輪、空氣罐和液壓控制閥組組成。牽引耙頭的鋼絲繩壓在垂向安裝的液壓油缸頂部的滑輪上，受到液壓油缸的推力作用，鋼絲繩中產生相應張力。

圖1 波浪補償器示意

波浪補償器用于維持耙頭對海床的壓力，控制鋼絲繩張力在預設的范圍內變化，防止鋼纜自由松弛和再度張緊。當船舶受波浪影響向上運動，或耙頭沿海床向下運動時，要保持耙頭在海床的位置不變，水面以下的鋼絲繩變長，船上的鋼絲繩變短，鋼絲繩張力變大，油缸在鋼絲繩張力的作用下被縮回；反之，當船舶受波浪影響向下運動，或耙頭沿著海床被迫向上運動時，水面以下的鋼絲繩變短，而船上的鋼絲繩變長，鋼絲繩張力變小，為維持鋼絲繩的張力，油缸在油壓的作用下伸出，鋼絲繩張力抵消了耙頭對海床壓力加大的傾向。

被動型波浪補償器應用的是“油液-氣體彈簧”效應。空氣罐作為蓄能器，內部填充有壓縮空氣和液壓油，通過液壓控制閥組和液壓管路將空氣罐內的壓力油與液壓油缸相連通。液壓油缸為單作用油缸，只能在油壓力的作用下主動將油缸伸出，而油缸的縮回則需借助于鋼絲繩壓向滑輪的張力。

空氣罐內預先充滿3 MPa的壓縮空氣，在工作時，液壓系統向其內部繼續填充不同體積的油液，用以調節空氣罐內油液的初始壓力。波浪補償器工作時，油缸內壓力時刻發生變化，需通過空氣罐內的油液壓力進行平衡。

初始壓力根據電控系統中的設置進行調節，空氣罐充滿或排出全部油液均能在15 min內完成。空氣罐安裝有本地液位指示和高低液位開關，波浪補償器油缸安裝有專用位置傳感器，油缸運動的位置信息可在挖泥電控系統中顯示，方便實時監控和及時調整。

2 波浪補償器的控制要素

根據波浪補償器的使用功能要求，在如下3種情況下，波浪補償器必須能夠實現鎖定。

1）在耙管絞車起降泥耙時，為避免波浪補償器不必要的補償運動，可通過按下“鎖定”按鈕實現一鍵鎖定功能。

2）在挖泥過程中，當監測到耙頭前方有障礙時，應立即觸發“探測系統應急起耙”功能，即快速鎖定波浪補償器，再用耙頭絞車將耙頭起升，離開海床。

3）在鋼絲繩意外破斷時，控制系統必須能夠緊急鎖定液壓油缸的運動。與此同時，油缸的壓力必須控制在極限工作壓力以下，防止油缸被瞬態液壓沖擊損壞。

波浪補償器在工作工況下，可通過電控系統調節空氣罐內的初始充油量來調節鋼絲繩張力的大小，鋼絲繩張力的調節范圍為耙頭絞車額定拉力的20%～70%。不同初始充油量情況下空氣罐的初始壓力和油缸壓力見表1。

表1 不同初始充油量情況下空氣罐的初始壓力和油缸壓力

3 波浪補償器的液壓控制

波浪補償器的油缸和空氣罐通過液壓控制閥組進行控制。以18 000 m耙吸式挖泥船為例，液壓油缸的總行程為3 m，最大補償距離為6 m，油缸的最大移動速度為1 m/s。按照油缸容積為377 L進行推算，可得油缸的最大設計流量為7 540 L/min。如此大的流量應優先考慮使用蓋板式插裝閥進行壓力和方向控制。因此，采用2個大流量蓋板式插裝閥（插裝閥1和插裝閥2）連接油缸和空氣罐（見圖2）。

圖2 波浪補償器液壓原理示意

插裝閥1默認為打開狀態，其開關狀態由蓋板上的電磁閥控制。系統中安裝的5 L蓄能器采用獨立的高壓系統來保持壓力，其壓力遠高于油缸或空氣罐的工作壓力。在挖泥作業時，電磁閥不需要一直給電，電磁閥的默認位置為解鎖位置，且不帶復位彈簧。若需要切換電磁閥的位置，則必須由電控系統發出1次脈沖電信號。

插裝閥1默認為關閉狀態。當蓋板上的單向鎖定電磁閥得電時，插裝閥2起到單向閥的功能。當空氣罐的壓力大于油缸壓力時，壓力油流入油缸，使油缸伸出；而當油缸的壓力大于空氣罐的壓力時，油缸不能縮回。單向閥功能主要用于探測系統應急起耙的工況。

為實現不同功能要求，波浪補償器可分為如下6種操作模式：1）波浪補償；2）按鈕鎖定；3）緊急鎖定；4）探測系統應急起耙；5）解鎖；6）空氣罐壓力調節。

1）波浪補償

挖泥作業工況下，解鎖電磁閥得到1次脈沖信號，插裝閥1打開，液壓油缸與空氣罐連通。正常工作時，油缸與空氣罐的壓力差值應在 0.45 MPa范圍內。若空氣罐的壓力高于油缸壓力0.8 MPa以上，應立即觸發“緊急鎖定”操作。

2）按鈕鎖定

駕控臺和挖泥控制臺均設置有“波浪補償器鎖定”專用按鈕。在按下該按鈕后，鎖定電磁閥和單向鎖定電磁閥同時得電，波浪補償器的油缸被鎖定。

3）緊急鎖定

當壓差傳感器監測到空氣罐的壓力高于油缸壓力0.8 MPa以上時，空氣罐向油缸供油流量過大，超過最大設計流量的30%。此時，控制系統立即發出“緊急鎖定”控制命令，鎖定電磁閥得到1次脈沖信號，插裝閥1被快速關閉。

4）探測系統應急起耙

當需要應急起耙時，鎖定電磁閥和單向鎖定電磁閥同時持續得電，波浪補償器油缸只能伸出，不能縮回，耙頭被絞車從海床緊急起升。

5）解鎖

解鎖操作前，需保證空氣罐的壓力與油缸壓力差值小于0.45 MPa，若壓差過大，則不能解鎖。解鎖操作首先將壓力平衡電磁閥通電，通過小流量的節流閥將空氣罐與油缸連通，待壓差滿足條件后，再將壓力平衡電磁閥斷電并給解鎖電磁閥1次脈沖信號，空氣罐與油缸連通，從而實現解鎖功能。

6）空氣罐壓力調節

電控系統的操作界面可改變空氣罐的壓力設定值。當空氣罐壓力傳感器反饋的實際值小于設定值時，液壓系統向空氣罐內充油；當實際值大于設定值時，空氣罐向液壓系統放油。充油時，充油電磁閥得電，油從液壓系統經流量控制閥和液控單向閥流向壓力罐；放油時，放油電磁閥得電，油從空氣罐經液控單向閥和流量控制閥流入液壓系統。

4 結論

波浪補償器在耙吸式挖泥船的挖泥作業中起到至關重要的作用，本文基于18 000 m耙吸式挖泥船項目，分析開式液壓系統波浪補償器控制的關鍵要素，得到如下結論：

1）波浪補償器工作時需設置鎖定與解鎖功能，該功能通過安裝在插裝閥蓋板上的不同電磁換向閥的通電或斷電來實現。

2）通過監測插裝閥兩側的壓差來判斷流量是否超標。當壓差過大時，應立即觸發緊急鎖定。