波浪补偿起重机液压系统设计与分析

王孝霖，顾 含，许 历，李乙迈，韩星星，雷 雨

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

0 引言

船用起重机是在海洋环境中进行作业的特种起重机械，远洋船舶在海上进行货物运输及物资补给时，往往要使用船载起重机进行转载作业。转载作业时，两船一般处于锚泊或漂泊状态，通过系缆并靠在一起，利用船用起重机进行物资吊运，这一过程也被称为并靠吊装作业。海上并靠吊装作业过程中，受风、浪、涌、流等因素的影响，两作业船舶之间会呈现横摇、纵摇及升沉等复杂的相对运动，下放中的货物会与上升的船体发生碰撞，即将放落到甲板的货物，由于船体的下沉与甲板的距离突然增大，会造成货物悬空[1]，这给船舶海上吊装作业带来了安全隐患。因此，为了满足恶劣海况下危险及特殊物品吊装作业的要求，需要采用具有波浪补偿功能的船用起重机。

1 波浪补偿原理

1.1 载体形式及主尺度

船舶海上并靠吊装时，两船之间的升沉运动是主要影响因素，对升沉运动进行补偿是最有效可行的手段。图1为并靠吊装作业时两船的垂向相对升沉运动示意图，若设定向下为正方向，则货物相对于接受船B的下降速度为[2]：

式中：0v⇀为起重机的吊具收放速度；1v⇀为补给船的垂向升沉速度；2v⇀为接受船的垂向升沉速度。

由式(1)可知，只要使两船相对运动速度为零，即货物相对于接受船B的下放速度与两船的相对速度（）无关，货物就可以由起重机以速度平稳地下放到接受船上，也就达到了波浪补偿的目的。

2 波浪补偿技术分类

当前波浪补偿实现的方式主要有两种类型：被动式波浪补偿和主动式波浪补偿，两者的主要区别在于船舶运动状态的采集方式和补偿装置的控制方式[3]。

被动式波浪补偿技术又称为随动补偿技术，是最早出现的波浪补偿技术。被动式波浪补偿起重机与普通船用起重机相比，在原起吊系统的基础上，另外加装了一套随动吊钩装置。两套系统之间彼此独立，起重吊钩用来起吊货物；而随动吊钩连接在接收船上，用来反馈吊装船与接收船的相对升沉运动，随动吊索的拉力随两船相对升沉运动相应变化，机械式地牵引补偿装置动作，达到波浪补偿的效果。

主动式波浪补偿技术将电气控制应用于船用起重机，是近些年广泛使用起来的波浪补偿技术。它通过装设的传感器对两船的相对运动速度、加速度等运动参数以及货物的速度、加速度等运动参数进行检测，然后将检测信号传到控制模块，由控制模块控制补偿装置对起重机吊索的收放进行控制，从而实现波浪补偿功能。

被动式波浪补偿技术依靠设备的挠性结构进行机械控制，不需要动力源、较为简单，但要求接收船有能够连接补偿吊索挂接点，并且对起重机臂架结构的材质、结构强度等要求很高，适用于控制精度要求不高的场合。主动式波浪补偿技术利用电子元件进行控制，装置的整体重量轻、占用空间小，对起重机本体机架和接收船没有特殊要求，但需要增加控制器、传感器等电子设备，对传感器及控制设备、控制算法要求高，适用于控制精度要求高的场合。

3 波浪补偿起重机的设计

3.1 设计要求

某大型船舶在近远海物质补给和物品转载时，需要采用船载起重机进行转载作业，对船载起重机的设计要求如下：

1）船用起重机工作条件

航区：近远海开敞水域；吊钩使用工况：三级海浪；大气温度：-10～+40℃；两船相对运动（垂向）频率：0.4Hz。

2）波浪补偿要求

补偿方式：铅垂方向的速度补偿。补偿目标：货物下落过程中，距离被补给船甲板≤400mm时，开启波浪补偿装置，实现货物相对接收船以不变的额定速度进行补给，货物下落至接触甲板瞬间相对船的速度≤5mm/s。

3.2 起重机本体结构设计

波浪补偿起重机本体由起升机构、变幅机构、回转机构、起重臂架、旋转平台、电气控制系统、安全装置等组成，其中起升机构、变幅机构和回转机构均采用液压马达驱动。

起升机构是用来提升和下降货物的机构，该机构通过液压马达驱动卷扬机工作，实现货物的起升、下降和停止；变幅机构为液压折臂式，通过改变臂架的角度达到变幅的目的，由一根液压变幅缸驱动的臂架构成；回转机构的作用是绕起重机回转中心线在水平面内转移货物，可实现 360°全回转，并可与起升、变幅机构共同配合运动。

3.3 波浪补偿系统组成

图2 波浪补偿系统原理图

为了使船舶起重机满足高控制精度的波浪补偿要求，在对波浪补偿原理及波浪补偿技术深入分析的基础上，该起重机采用了一种主动式的波浪补偿系统，如图2所示。该系统主要由激光测距传感器、加速度传感器、位移传感器、波浪补偿控制器、比例换向阀和补偿液压缸等组成。激光测距传感器安装在起重机吊臂前端，加速度传感器安装在接受船上，位移传感器装设在补偿液压缸上，控制模块和液压阀件安装在控制室内。起补偿作用的液压缸安装在船舶起重机的吊臂上，液压缸活塞杆的端部装设有滑轮组，起重吊索缠绕于滑轮组上，通过补偿液压缸直接对起重机的起重吊索的收缩进行控制，实现对波浪运动的补偿。

其工作原理是，补偿系统工作时，补偿液压缸的活塞初始位置为缸体中部，激光测距传感器实时检测出起重机吊臂与接受甲板之间的距离，加速度传感器实时检测接收船的加速度信号，信号采集装置将距离和加速度信号实时传递给波浪补偿控制器，控制器计算得到两船相对运动速度，作为系统输入。位移传感器对补偿液压缸活塞杆的位移量进行实时检测，测得的信号作为补偿系统的反馈。控制器对输入和反馈脉冲计数并计算偏差，偏差信号经过一定的处理后，输入比例阀的放大器，放大后的偏差信号对电磁比例换向阀的开度和方向进行控制，补偿油缸则随之的伸出或缩回，进而控制货物上升或下降的速度，以实现波浪补偿功能[4]。

3.4 液压系统设计与分析

波浪补偿起重机液压系统主要由液压泵站、多路阀组、高频响比例方向阀、液压执行元件及相应的平衡安全阀块等组成，各子系统按照功能的不同，可分为回转回路、变幅回路、起升回路、补偿回路，其液压系统原理如图3所示。

液压泵站主要由液压油箱、主泵、应急备用泵、冷却器、过滤器等组成。主泵为变量泵，泵的控制形式是：负荷传感控制，即泵排量随负载压力的变化而变化，由负载压力调节，使排量符合执行器的流量要求。变量泵自带离心泵，其作用是辅助变量泵吸油，提高变量泵的额定转速，同时对油液粘度较高的冷启动有利。备用泵控制形式与主泵完全相同，出油口与主泵并联。

回转回路中，有两个压力型平衡阀9和两个安全溢流阀11.1，平衡阀的最大流量为250L/min，最大工作压力为31.5Mpa，用于避免回转马达在倒拖工况下出现失速状况，提高液压回路的可靠性；安全溢流阀的作用是调节回路的压力，在回路压力骤升时，进行溢流泄压，避免液压马达受损，其最大流120L/min，最大工作压力31.5Mpa。位于回转制动回路的减压阀12.2的主要作用是为制动回路提供一定压力的控制油，根据要求其调定压力值为16MPa。起重机回转时，梭阀8.1从主回路引出压力油，由定差减压阀12.1减压，经二位三通电磁阀14.1和单向节流阀15.1，到达制动缸17.1，使制动打开；同时主油路压力油到达回转马达，驱动回转马达18旋转。

图3 波浪补偿起重机液压系统原理图

变幅回路中，有一个液控单向顺序阀10.1和两个液控单向阀13，其中两个液控单向阀的最大流量为60L/min，最大工作压力为31.5Mpa。换向阀中位时，在弹簧的作用下两个液控单向阀将变幅缸锁紧，液控单向顺序阀用于限制货物的下降速度，防止超速下降，起平衡作用。

起升回路回路中，有一个液控单向顺序阀10.2和两个安全溢流阀11.2，液控单向顺序阀的作用是对货物的下降速度进行限制，避免超速下降；安全溢流阀对马达20的A、B工作油口的压力进行限定，在回路压力骤升时，进行溢流泄压，以避免对马达的损伤。当二位三通电磁换向阀14.2右位工作时，回路中的压力信号会通过梭阀8.2、减压阀12.2、二位三通电磁换向阀、单向节流阀 15.2进入制动缸17.2，使得制动缸动作，即马达两油口的压力需达到一定之后制动缸才会打开，防止马达可能因柱塞内无压力油而突然失速。二位三通电磁换向阀恢复左位时，制动缸与卸油口相通，制动缸缩回，起升绞车被刹住。

补偿回路中，为了提高系统的响应速度，电液比例换向阀16与补偿缸21集成在一起，中间不设任何液压阀。由于补偿回路要求换向阀响应速度快，时滞小，采用了力士乐4WRE, 3X系列高频响比例方向阀，其先导阀进油压力25Mpa，主阀最大流量1000L/min，带内置控制放大器。

4 结束语

本文对船舶海上并靠吊装作业过程中的波浪补偿问题展开研究，在对波浪补偿的基本原理和波浪补偿技术进行深入分析的基础上，对普通液压起重机本体进行系统改进，通过加装主动式波浪补偿系统，使其具有波浪补偿的功能，对波浪补偿起重机的工程化具有指导意义。

[1]徐小军, 陈循, 尚建忠.一种新型主动式波浪补偿系统的原理及数学建模[J].国防科技大学学报,2007,29(3):118-122.

[2]邵曼华, 寇雄, 赵鹏程.几种船用起重机波浪补偿装置[J].机械工程师,2004(2):14-15.

[3]平建涛, 李海明, 宋立忠.船用起重机波浪补偿控制技术研究[J].计算机技术与自动化,2009,28(4):42-52.

[4]王洪波.基于波浪补偿技术的船用起重机系统的改进[J].机床与液压,2012,40(16):131-132.