船用起重机减摇装置液压系统设计与试验研究

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NATURALSCIENCE)

合肥工业大学学报

(自然科学版)

Vol．４２No．８　

Au．２０１９　g

:/DOI１０．３９６９．issn．１００３Ｇ５０６０．２０１９．０８．００６j

船用起重机减摇装置液压系统设计与试验研究

吉　阳,　王　虎,　陈海泉,　郭明轩,　徐　鹏

()大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连　１１６０２６

摘　要:船舶起重机在作业时由于受到风、浪、流等额外载荷的影响会使货物产生剧烈摇晃,极大地降低了作业效率,针对该问题设计了一种三绳牵引式起重机减摇装置.文章主要对该起重机减摇装置的液压系统进行设计,建立了起重机模型并进行静力学分析,应用M并搭建试atlab仿真计算确定牵引索负载的边界条件,验台进行了试验研究.试验结果验证了该减摇装置液压系统设计的合理性.关键词:船舶起重机;减摇装置;静力学分析;液压系统

()中图分类号:U６６４．４３　　　文献标识码:A　　　文章编号:１００３Ｇ５０６０２０１９０８Ｇ１０４１Ｇ０７

Desinandexerimentalstudnhdraulicsstemgpyoyy

ofmarinecraneantiＧrollinevicegd

,　WANGH,　CHE,　GUOM,　XUPJIYanuNHaiuaninxuanengqgg

(,,)ColleeofMarineEnineerinDalianMaritimeUniversitDalian１１６０２６,Chinagggy

:,wAbstractDuetotheinfluenceofadditionalloadssuchaswindavesandflow,themarinecranein

,woerationwillcausethecarotoshakesharlhichreducestheefficiencftheworkgreatl．Inpgpyyoy

,analsiswascarriedoutandtheboundaronditionsofthetractioncableloadweredeterminedbyycy

,Matlabsimulationcalculation．Thetestbenchwasbuiltforexerimentalresearchandverificationpandtheresultshowstherationalitfthedesinofthehdraulicsstem．yogyy

:;;;KeordsmarinecraneantiＧrollinevicestaticanalsishdraulicsstemgdyyyyw

ordertosolvethisproblem,athreeＧroetractiontecraneantiＧrollinevicewasintroduced．Thepypgd

,hdraulicsstemofthecraneantiＧrollinevicewasdesinedthecranemodelwasbuiltandthestaticyygdg

０　引　　言

船用起重机主要用于军用舰船补给、船舶港口装卸作业、海上浮标结构物的投放与回收等,属于船舶与海洋工程领域核心技术装备之一.但是起重机结构为典型的欠驱动系统,加之海上复杂多变的环境,使得船舶起重机在作业时不可避免地产生较大摇摆,因此研究船用起重机减摇装置显得尤为重要.文献[将输入整形技术应用到１]陆用起重机上,并提出了一系列输入整形技术;文]献[提出了一种非线性控制方法,通过控制吊臂２

回转动作来实现陆用起重机吊臂的位置控制和吊]重的摆动抑制;文献[提出了用于集装箱起重机３减摇的侧摆控制机构,将载荷的摆动和小车的运动简化到一个画面内,采用经验控制规律来进行[]建立了船用集装箱起重机的动力学模型,并采４

用T文ＧS模糊控制方法对吊物的摆动进行控制;]献[将时延位置反馈控制器拓展到吊重球摆抑５制上,通过控制吊臂的变幅和回转动作来抑制由于船舶横摇、纵摇、升沉运动激励产生的吊重面内和面外摆动,并通过模型实验验证了所提方法的减摇,仿真证实该结构有较好的减摇性能;文献

收稿日期:修回日期:２０１９Ｇ０１Ｇ０７;２０１９Ｇ０２Ｇ０２

);)基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(辽宁省教育厅科学技术研究资助项目(３１３２０１６３４５L２０１２１７０

,作者简介:吉　阳(男,河北唐山人,大连海事大学硕士生;１９９４－),陈海泉(男,辽宁大连人,大连海事大学教授,硕士生导师．１９６５－)

１０４２

自然科学版)　　　合肥工业大学学报(

第４２卷　

]有效性;文献[设计了一种船用起重机吊盘减摇６装置,建立了有、无吊盘情况下的吊重运动学方[]提出了采用R７BTS(riderblocktalinessＧgy

进行船用起重机吊物摆动的主动控制,且在tem)达到相同减摇效果的情况下比采用电子式防摆方]法节省了８文献[采用P０％的能量;８D控制器来实现R并采用１∶１BTS牵引索的张力控制,００船用起重机缩比模型开展实验,实验证明吊重摆动被有效抑制.然而,上述机械式防摆方法会干扰程,并搭建试验台验证了减摇装置的有效性;文献

连,另一端固定在吊盘前部的吊钩上.３台减摇马达通过各自减速器与３个卷筒相连一起布置在起重机底座内部,并与外部阀件,控制系统和液压站通过液压管路连接.３根牵引索在液压系统的能够在任意方向上抑制货物的摆动,从而达到减轻吊物摆动的目的.

液压系统的调速功能通常采用在液压系统调速回路中增设节流阀的办法来实现,通过调节节流阀口的面积改变通过执行元件的流量以达到调驱动下张紧并在空间中形成稳定的三角形结构,

起重机正常工作且会减小起重机的有效作业范围,因而一直未能在实船上得到广泛应用.

本文介绍了一种三绳牵引式船用减摇起重机,对该起重机减摇装置的液压系统进行设计,并搭建了试验台,为具有减摇功能的船用起重机的设计提供了可行的方案.

　减摇装置基本工作原理

该三绳牵引式船用减摇起重机由起重机本体、主吊臂、折叠臂、吊盘、吊钩等组成,除具备起重机本身具有的起升、回转、变幅机构外,还配备了三绳牵引式机械减摇装置.船用减摇起重机的整体结构如图１所示.其中,A点、D点处为主吊绳滑轮;B点、ⅠE点处为变幅索滑轮;C点、F点处为牵引索滑轮;H点为折臂与吊臂交点;M点

为折臂变幅转动轴心;、牵引索ⅡN点、S点分别为折臂与牵引索Ⅲ的交点;O点为吊臂变幅转动轴心;P点处为吊重.

１．

起重机本体５．

带吊盘的吊钩　２．牵引索图１　配备机械防摆装置的起重机

　６Ⅱ　．牵引索３．折臂Ⅰ　　７４．．牵引索吊臂Ⅲ图独立的卷筒上１中左、右,另外一端绕过对称布置的折叠臂２根牵引索的一端缠绕在２个

顶端的滑轮组与吊盘上的吊钩相连,前部牵引索通过主吊臂前端伸出部分的滑轮组一端与卷筒相

速目的.忽略泄漏因素,根据流量连续性原理,通过执行元件的流量(即通过节流口的流量)为:

q＝CdA２ρΔp１２(１)其中,q为通过节流口的流量;Cd为节流阀口流量系数;A为节流阀口的通流面积;ρ为液压油的

密度;分析Δp为节流阀前后的压差.

(当节流阀阀口开度一定时１)

式可知,流量系数可认为是一常数,流入执行元件的流量,受节流阀前后压差影响;当执行元件负载变化时,

节流阀前后压差随之改变,导致执行元件的速度不稳定.船舶起重机在作业过程中受到船舶基座运动的影响,吊重会由于船舶横摇、纵摇、升沉运动以及自身的惯性产生快速无规则摆动,因此所设计的减摇液压系统调速回路要具备一定的抗冲击性能.在节流阀前串联一定差减压阀组成比例调速阀,通过定差减压阀的压力补偿作用维持节流阀进出口压差基本稳定,尽可能减小负载变化

对速度的影响.比例调速阀的结构原理如图所示.

２图２　调速阀原理图

定差减压阀进口压力为１节流阀出口压力为p,出口压力为p２;

３;

比例调速阀流量由节流阀p１　第８期吉　阳,等:船用起重机减摇装置液压系统设计与试验研究

重机的位置模型和静力学模型.

１０４３

两端的压力差p２－３决定.２、３作为压力反ppp馈信号分别作用到减压阀阀芯两端,与减压阀弹簧压力共同作用使减压阀阀芯受力平衡.当负载变大时,减压阀阀芯向右移动,减压阀口开度变大,减压作用减弱,使减压阀出口压力p进２变大,而使节流阀两端的压力差p减小２－３基本不变,p负载变化对比例调速阀流量的影响.减摇装置液压系统原理如图３所示.其中,１Ｇ１、１Ｇ２、１Ｇ３为减摇液压马达;２Ｇ１、２Ｇ２、２Ｇ３为叠加式溢流阀;

２．１　起重机位置模型

将图１进行简化和抽象,建立空间直角坐标

系,建立的减摇起重机位置模型简图如图４所示.

３Ｇ１、３Ｇ２、３Ｇ３为液压锁;４Ｇ１、４Ｇ２、４Ｇ３为电磁换

向阀;５Ｇ１、５Ｇ２、５Ｇ３为比例调速阀;.

６为液压泵;为溢流阀图３　减摇装置液压系统

该系统主要由定量泵驱动各支路的定量马达,利用比例调速阀在不同工况下调整减摇马达的转速.可编程逻辑控制器(programmablelog

ic析处理后控制电磁换向阀的阀芯动作ontroller,PLC)

接收张力传感器的信号,实现减摇,经过分液压马达的换向,减摇马达带动减摇绞车正转、反转完成牵引索的收、放动作,进而实现减摇功能.该液压系统调速回路采用调速阀节流调速回路,由于调速阀两端压差基本不受负载变化的影响,其流量只取决于节流口过流面积的大小,可以大大提高调速回路的速度、刚度,改善速度的稳定性.

　起重机位置建模与静力学建模

三绳牵引式船用减摇起重机在传统船用起重机的基础上加装了三绳牵引式减摇装置,通过三绳牵引吊盘装置限制吊重摆动,为分析索的负载和运动情况,搭建了三绳牵引式船用起

３根牵引图４　起重机位置模型简图

图中,XOZ平面与主吊索和牵引索成的平面重合４,原点与吊臂旋转轴共线.由于吊Ⅰ所构

盘和吊重的距离很短,将两者视作质点,用P表示.O见图１、;AK、B为、CA、D点、E在O、F点、H所、M在、N等各点的含义

水平面上的投影;

OF处为吊臂;HMN处为折叠式减摇臂;PDA处为主吊绳;PFC处为牵引索索Ⅲ;BE处为变幅索;φ为吊臂变幅角度Ⅰ;PN处为牵引;θ为折臂的弯折角度;主吊绳PD段的长度为lA点在三维直角坐标系的坐标为.若定义

ZAA()－,L则AB、C在空间直角坐标系的(XA坐,YAA、标为

,

OK,０,LAK)、B(－LOK０,L,０,LBK)、C(－LOCK坐标系的坐标为).根据空间几何关系:

,各个点在空间直角K,

D(－LODcosE(Lcosφφ,

０,

０,L,LODsinφ);OEOEsinφ);(F(LOFcos０,LOFsinNLφLφ,

－,

Lφ);OFcosHM－LMNcosθ,(OHsinφ＋LMNsinθsinSLφφ＋L);OHcosMNsinθcosLHM＋LMNcosθ　　LLφ,

,OHsinφ＋MNsinθsinφ若考虑当主吊索处于数值状态时)

.,吊重P位于吊点D的正下方,则点P在空间直角坐标系的坐标为(LODcosPφ到点０,LODsinNφ求得点,

的距离为－l:

).７c２１０４４

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第４２卷　

　　点P到点F的距离为:

２

(LPF＝[LODcososφ－LOFcφ)＋

２

(LAD＝[LODcosφ＋LOK)＋

/２１２

(]LODsinφ－LAK)

２

[(LOHcosinθcososφ＋LMNsφ－LODcφ)＋

２)　　(LHM＋LMNcosθLOHsinφ＋＋(

/２１２]()　　LMNsinθsinφ＋l－LODsinφ)２

LPN＝

关系,３根牵引索在X方向上的分量为:sinα,ì|F１|x＝ïF１

ï

cosíF２|F２|x＝β,

ïïîF３cosγ|F１|x＝

　　在Z方向上的分量为:

()７

/２１２

]　　(LODsinφ－l－LOsinφ)F　　点A到点D的距离为:

()３()４点B到点E的距离为:

cosα,ì|F１|z＝ïF１

ï

()sin８íF２|F２|z＝β,

ïïîF３sinγ|F１|z＝

//其中,sinα＝(xLPF;cosα＝(zzF－xP)F－P)//LPF;sinβ＝(zLPcosβ＝(xS－zP)S;P－xS)　　LBE　　(＝[(LOEcosLφ＋LOK２

LOEsinφ－BK２点C到点F的距离:

)]１/)＋

２

(５

)LCF．２　(＝L[(LOFcosφ＋L２

OFsinφ－LCK牵引索静力学建模

)]OK１２

)＋

２/(６

)牵引索式减摇装置静力分析如图５所示.

图５　牵引索减摇装置静力分析图

图为吊重的重力５中各点与图(设吊重质量为１中各点表示的含义相同;

m且G＝mg为主吊绳张力;F)

;T１索方向的夹角Ⅱ和牵引索;βⅢ的、F２张力、F３分别为牵引索;α为牵引索Ⅰ与ⅠZ、牵轴引正轴负方向的夹角、

γ分别为牵引索.吊重在自身重力Ⅱ、牵、

引主吊绳拉索Ⅲ与力及３根牵引索张力作用下而保持静平衡.当吊重处于受力平衡状态时,主吊绳PD段处于竖直状态,P、F、D处于X间位姿的对称性,若０O２,Z平面则牵引索在Y方向的分量为由于牵引索根牵引索的张力相等Ⅱ、牵引索Ⅰ的张力,Ⅲ空则此

根牵引索在Y方向上的合力为考虑张力在X方向和因此只需要、牵引索ⅡZ方向的静０平,

衡问题.定义牵引索Ⅰ、牵引索Ⅲ的张力在牵引索分量分别为Fx、F２x、F３x,在X方向上的分量分别为F１Z方向上１z、F２z、F３z.根据空间３根几何LPS;sinγ＝(zN－zP)/LPN;cosγ＝＝

(xP－xNL/PN.吊重在由于N和S的对称性,有L)

PSLPNX和Z方向的静力平衡方程为.:

F１x－F２x－F３x＝０

　　F由于牵引索１z－F２z－(１(９０

))易知有如下关系Ⅱ:

、牵引索F３z－mⅢg空间位姿的对称性＋T＝０,|coFs２β|＝＝|c

oFs３γ|((１１１

２

))　　sinβ＝s

inγ整理可得主吊索拉力、吊重重力及牵引索(１３)的拉力关系为:

Ⅰ　　T＝mg＋|F１由于吊绳属于柔性件|(sin,

αtanβ－c

osα只能施加拉力,)(而无法１４)施加推力,因此必须满足T≥０的条件,牵引索的张力约束条件为:

Ⅰcosα＝sinαtanβ≤

|mFg１１５

３３．　|

()牵引索负载边界条件仿真分析

１　牵引索张力边界条件仿真分析

结合实验室场地的实际大小系统参数取为:

LOF＝１．７０m,LOH＝０．３２m,LHM＝０．２５mL,

MN＝０．７５mL,LOD＝１．２０m,LOK＝０．１２m,CK＝０．９０m为,β空间设定l０＝．２１

~０°１,．m４m＝２,５kgφ.定义牵引索,起重机的工作].KcosⅠ的张力约束系数为∈[

０°８０°K＝α－sinαtanβ≤

mg,即

(　　|F１

在起重机工作空间中用K的变化趋势如图从图６所示M.

atlab进行仿真|１６),

得到K的取值范围为６可以看出,牵引索Ⅰ的张力约束系数

增加明显变大;在主吊绳长度为０．１~１．５,

数值随着变幅角度的为８０°时取得最大值;主吊绳长度为０．２m０．、２变幅角度m、

变幅２GX２　第８期吉　阳,等:船用起重机减摇装置液压系统设计与试验研究

/.度为１．４m时取得最大值０．０６ms

１０４５

角度为０时取得最小值Km当K取得最°０．１,in＝小值时,F１取得最大值F１ma１２５０N.x＝

由以上仿真分析可知,在起重机工作空间中,

图６　K的变化趋势

．２　牵引索速度边界条件仿真分析

在起重机正常作业中,起升速度通常大于变幅速度,牵引索的速度能够追随主吊索的起升速度即可满足设计要求.根据搭建的牵引索式减摇起重机位置模型,对其各个吊索的长度求一次导数,可求得各条吊索的速度为:

̇LPN２　＝－̇Lφ(LOH＋LMNsinθ－LOD)cosφsinφ/PN　L＋(LOHsinφ＋LMNsinθsinφ＋ODsinφ)(LOḢφcosφ＋LMṄl－

φsinθ×̇L　cosφ＋̇l－LOḊPF２φ̇cosφ)

/LP　(＝－Lsin(LOF－LODφ－l－L)φcosφsinφ/NL,PF＋ODOFsinφ)(LOḊφcosφ－

̇　̇l－LOḞL/CḞ̇＝L(－LOKLOFφsinφφco－sφL)

LPFCKLOḞφ,cosφ/LCF,PFC＝－(LOF－LOD２̇/)

　　̇(L)φcosφsinφLPF＋ODsinφ－l－LOFsinlφ－Lφ)(LOḊφcosφ－OḞcos/LPF＋(̇　　起重机在起升作业时各条牵引索的速度仿真

　Lφ)－LOKLOFφφφ)

sinφ－CKLOḞcos/LCF.情况如图７所示.因为牵引索,所以仅对牵引索Ⅱ、牵引索的速度进行仿真.

Ⅰ和牵引索Ⅲ空间位置具有对称性Ⅲ由图引索７a可知,当起升速度为０．１０m/s时,

牵随变幅角度的增大Ⅰ的追随速度范围为、主吊索长度的增加而增大０．０３~０．１０m/s;速度;在变幅角度为８０°、主吊索长度为１．４m时取得最大值０由图．１０m７b/s

可知.,,当起升速度为牵引索Ⅲ的速度范围为０．１０/m/;s时,

绝对值随着变幅角度的增大而增大－０．０４~０．０,６随着主吊索ms速度长度的增加而增大;当变幅角度为０°

、主吊索长牵引索的最大追随速度vmax＝

０．１０m/s.图７　牵引索Ⅰ、牵引索Ⅲ的速度

　试　　验

为检验减摇装置液压系统设计的合理性,搭建试验台如８所示.

图８　起重机试验台

该试验台由起重机模块、摇摆试验台和液压

站组成.为了使试验摇摆周期更加接近５０m实船在４级海况下的运动周期[９]

,

利１５用０~

安３４２１０４６

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第４２卷　

装在减摇液压马达进口侧压力传感器采集压力数据,并以与牵引索Ⅰ相连的减摇液压马达为例,分析减摇液压马达在不同摇晃角度、不同主吊索长度,在试验台固定摇摆周期６s情况下的液压系统响应情况.

、船舶在横摇和纵摇分别为５°１０°时进行减

,,变化周期不稳最小压力０．０．５２１MPa５１２MPa

,,定,最小周期为２s最大周期为６s图中出现突出的尖点,这是由于考虑尖点出现牵引索在追随吊重运动时,在滑轮处偶尔会出现卡顿,从而造成负载增大.对比图１主吊索越０a和图１０b可知,短,液压马达的变向速度越能追随外界负载,液压系统响应越好.

、从图１船舶在纵摇５主吊索长０c可以看出,°

摇,控制过程中减摇马达进口压力随时间的变化趋势如图９所示,吊绳长度分别为０．６、１．０m时所示.

减摇马达进口压力随时间的变化趋势如图１０

,,最小压力为０．周期稳定在０．３２４MPa３１５MPa

度为０．减摇马达进口最大压力为６m的情况下,

图９　不同摇晃角度的压力变化

图１０　不同绳长时的压力变化

由图所知,船舶在横摇下,减摇马达进口最大压力为９０５．°３４、４M纵摇P５a°

的情况力为０．２８７MPa;在横摇１０°、纵摇１０°

的情况下,最小压,减摇马达进口最大压力为为变向速度能追随船舶的摇晃０．３１５MPa,变化周期均为０．３４,液压系统响应良好６s４,M表明液压马达Pa,最小压力.

从图度为０．６m１０a可以看出,船舶在横摇的情况下,减摇马达进口最大压力为５°

、主吊绳长定在．３４４M度为１６．s０m;P从图a,最小压力为的情况下１０b可以看出０．３３,３M在横摇Pa

,

减摇马达进口最大压力为５,°

变化周期稳、主吊索长６度为s;从图１．０m１０d可以看出,船舶在纵摇的情况下,

减摇马达进口最大压力为５°、主吊索长０稳定．３１５,最小周期为MPa,最小压力为现,验证了图１０３s,最大周期为０．３１０MPa

,变化周期不,,b中当船舶横摇时牵引索在滑轮６s无尖点出处会出现卡顿使负载增大的猜想.

５　结　　论

针对船舶起重机在作业时吊重摇晃的问题,本文建立了加装减摇装置的船用起重机位置模型和减摇装置牵引索的静力学模型,所设计的减摇装置牵引索与减摇马达同轴的减摇绞车相连,利用Matlab仿真确定牵引索负载的边界条件,

进而设计了船用起重机减摇装置液压系统,并进行了试验研究,得到如下结论:

舶横摇时减摇马达进口平均压力高于纵摇时减摇(１

)在相同摇晃角度和摇摆周期条件下,船马达的进口压力,表明船舶横摇时减摇装置牵引索所受负载较大,且横摇角度越大,牵引索所受负载越大.

响较大(２),主吊索长度越短减摇回路液压系统响应受主吊索长度影,液压系统响应越好.

周期为(３

)综上所述６s试验验证了本文设计的液压系统在摇摆的海况下具有良好的动态特性.

,本文设计的减摇装置液压系统能够适应工况变化,具有良好的液压响应性能,设计方案具有良好的可行性,对减轻吊重的摇摆具有一定的理论指导意义.

[参　考　文　献]

[１]　PlToOroTTapnteEstRJingJsof,SonCrIeNdouGcHnetrdOomSloESdyifWsitceaEmtisTo．Dneisenig

cphunantolsnohdhumagay

pe２r０s１[nＧ６J,]inＧtheＧ２．４IE４EE１５１３Ｇs１a５c２ti０on．

,():(下转第１０７６页)

０１０７６

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第４２卷　

加,碰撞概率趋于稳定,与理论推导结果一致,改进算法的碰撞概率始终小于传统动态帧时隙算法１９．８％.

的碰撞概率.统计得出改进算法的碰撞概率约为

由图４可知,在理想情况下,随着标签数增

[]]射频识别系统冲突防范算法[计算机系统应用,４　周朝阳．J．[]周艳聪,张晶,等．基于黄金分割的动态帧时隙５　董永峰,

]河北工业大学学报(自然科学ALOHA防碰撞算法[J．,():版)２０１５,４４３５３Ｇ５９．():２０１３,２２１０１３２Ｇ１３５．

]():进[计算机应用研究,J．２０１２,２９３９０７Ｇ９０９．

４　结　　论

本文针对现有动态帧时隙算法存在的缺陷提出了改进策略,以消耗时隙最少为目标,计算了不同帧长对应的标签数的阈值,并以此为最佳识别过程提出了一种新的改进算法.该算法避免了多次调整帧长造成的时隙浪费,同时利用分治算法思想,将冲突标签按冲突时隙数分成若干子结构,有效减少了识别的时间时延.理论推导和实验仿真都显示改进算法的效果更佳,并且该算法不会增加读写器的额外负载,设计简单,易于理解,实用性强.

[参　考　文　献]

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[]]曹加恒．一种改进的动态帧时隙A６　潘雪峰,LOHA算法[J．[]昂志敏,王楠．基于改进A７　丁晓静,LOHA算法的RFID抗

():３１１２１９３７Ｇ１９３９．

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(上接第１０４６页)

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