CN107473118A - 一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，用于深水起重机上：包括被动补偿***、主动补偿***、液压缸滑轮***。本发明在活塞杆伸出部分的一端安装两个并列的滑轮组，使补偿能力增大四倍，补偿速度减小到原来的四分之一，减小速度过高产生的撞击影响。采用的被动补偿方式，被动补偿缸的有杆腔与补偿缸的无杆腔通过油管相连，被动补偿缸的无杆腔与气瓶和空气加压***相连，来补偿大部分升沉位移；采用主动补偿方式，在缆绳上经过的位置放置一个拉力传感器，将缆绳张力变化的模拟信号传到控制器上，通过控制电液比例换向阀的阀芯控制主动补偿缸的活塞杆运动，实现最终的精确补偿。因此，本发明能耗低，精度高，补偿幅度大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压缸与滑轮组配合的升沉补偿装置，具体涉及一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，用于深海资源勘探和开发领域，主要用在起重机上，吊放大型水下设备。
背景技术
随着海洋油气资源，特别是深海油气的开发利用，深海高技术装备的研究尤为重要。水下设备的安装需要专门的深水安装***，主要包括吊放装置、缆绳和吊放重物。但是在深海作业时，由于安装母船的升沉运动，使吊放重物的升沉运动加剧，引起缆绳张力的急剧变化，严重时导致缆绳断裂，产生经济损失并对工作人员的安全造成威胁。并且当吊放重物下放到水下平台时，可能与水下平台发生碰撞或者出现悬空现象，影响水下设备的安装准确性。为了保证水下设备正常的吊放安装，吊放装置必须具备升沉补偿功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种液压缸与滑轮组配合的升沉补偿装置，现在的液压缸补偿装置中大多存在被动补偿补偿精度低，主动补偿复杂耗能大，液压缸补偿幅度小的缺点，本发明结合各种补偿方式的优点，并对液压缸的设计做了改善，提高了补偿幅度。安装在起重吊机上可以适用于大深度高负载的场合。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，包括相互配合的液压缸滑轮***、被动补偿***、主动补偿***，补偿安装母船因为升沉运动对吊物产生的影响，其特征在于：
所述的液压缸滑轮***，包括定滑轮、动滑轮、缆绳和补偿缸：动滑轮位于补偿缸的活塞杆伸出的一端；缆绳通过绞车放出、且通过定滑轮连接到动滑轮上；
所述的被动补偿***，包括工作气瓶、备用气瓶、空气加压***、被动补偿缸、控制总阀、二位二通换向阀：被动补偿缸的无杆腔依次通过控制总阀、工作气瓶、二位二通换向阀、备用气瓶与空气加压***相连接；
所述的主动补偿***，包括油箱、电磁溢流阀、主动补偿缸、拉力传感器，控制器、电液比例换向阀、单向阀、回油过滤器、负载敏感变量泵、过滤器： 主动补偿缸的有杆腔与电液比例换向阀的B口相连接、无杆腔与电液比例换向阀的A口相连接；电液比例换向阀的T口通过回油过滤器与油箱相连接；电液比例换向阀的P口依次通过单向阀、负载敏感变量泵、过滤器与油箱相连接；单向阀还通过电磁溢流阀直接与油箱相连接；负载敏感变量泵配设有电机；主动补偿缸依次通过电液比例换向阀、控制器与拉力传感器相连接，拉力传感器安装于缆绳经过的位置；
补偿缸的无杆腔通过油管与被动补偿缸的有杆腔相连接，被动补偿缸的活塞与主动补偿缸的活塞杆相连接。
优选的，液压缸滑轮***中，动滑轮个数为两个：动滑轮I、动滑轮II，二者并联连接在补偿缸活塞杆伸出的一端，并向两侧伸出；补偿缸活塞杆向两侧伸出的位置添加加强筋，提高活塞杆强度。
优选的，液压缸滑轮***中，定滑轮个数为五个：定滑轮A、定滑轮B、定滑轮C、定滑轮D、定滑轮E，其中：定滑轮A、定滑轮B位于动滑轮的左侧，定滑轮E位于动滑轮的右侧，定滑轮C、定滑轮D位于补偿缸底部的两侧。
优选的，缆绳通过绞车放出，依次连接定滑轮A、定滑轮B、动滑轮I、定滑轮C、定滑轮D、动滑轮II、定滑轮E后与货物连接。
优选的，定滑轮B、定滑轮E位于动滑轮的两侧时，位置要使定滑轮与动滑轮之间的缆绳处于和船面垂直的状态，并且定滑轮的位置低于补偿缸的液压缸顶端的位置。
优选的，拉力传感器，安装于定滑轮C、定滑轮D之间缆绳经过的位置，检测缆绳拉力变化。
优选的，连接补偿缸的无杆腔和被动补偿缸的有杆腔的油管上，安装有防爆安全阀；类型是负载原位保持型防爆安全阀，防止油管突然爆裂导致补偿缸活塞杆下降，造成吊放物的突然下降。
优选的，工作气瓶为多个，且并联连接，控制总阀分别与多个并联的工作气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀；备用气瓶也为多个，且并联连接，二位二通比例阀分别与多个并联的备用气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀。
优选的，所述的缆绳为高分子聚乙烯缆绳。
本发明中的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)在起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置工作开始前，打开控制总阀、 控制阀，通过控制电磁比例换向阀阀芯左移，被动补偿缸处于完全收缩的状态，使补偿缸的活塞杆全部伸出；
(2)挂上吊物后，控制电磁比例换向阀阀芯右移，使主动补偿缸活塞上升，补偿缸的活塞开始下降，直到补偿缸活塞处于补偿缸行程的1/2处使停止供油；
(3)然后通过空气加压***向工作气瓶和备用气瓶内加压直到达到25MPa；设置完成后，启动绞车，绞车以0.5m/s的速度释放缆绳。
本发明中，定滑轮负责缆绳的导向，补偿缸推动动滑轮升降来补偿母船的升沉运动，补偿缸与被动补偿缸通过油管相连接，中间安装一个防爆安全阀，被动补偿缸无杆腔连接一系列气瓶与空气加压***，在缆绳经过的位置放置拉力传感器，缆绳张力变化信号然后经控制器的A/D、D/A转换后通过电液比例换向阀控制主动补偿缸的活塞杆运动。
本发明中，缆绳是高分子聚乙烯(迪尼玛Dyneema)缆绳，这种材料的缆绳具有重量轻，抗氧化，抗疲劳，拉力强，耐磨损等优点，其拉力强度为同等钢丝的8倍，现在的Dyneema缆绳产品伸长率很低，几乎为零，40毫米的十二股缆绳可以承受122吨拉力。
本发明中，缆绳通过定滑轮连接到并联动滑轮组上，当需要升沉补偿时，通过活塞杆上升或下降来放松和张紧缆绳，由于并联动滑轮组合的存在，当活塞杆上升或下降一段行程时，可以补偿的距离是行程的4倍，大大增加了补偿的幅度，当需要的补偿速度是a时，补偿缸活塞杆的速度只需要是1/4a，这样减小液压缸产生撞击的影响，对液压缸的设计要求也相应的降低。
本发明中，液压油从电液比例换向阀的T口通过回油过滤器回油箱，负载敏感变量泵和电液比例换向阀之间安装一个单向阀，在负载敏感变量泵与油箱之间安装电磁溢流阀和过滤器，在缆绳经过位置安装拉力传感器，将缆绳张力变化的信号传到控制器，控制器通过A/D、D/A转换将信号传到电液比例换向阀，通过控制电液比例换向阀的开关控制主动补偿缸进出液压油，带动主动缸的活塞杆上下运动，主动缸的活塞杆运动又带动被动液压缸活塞的运动，被动缸活塞的运动使补偿缸的压力发生变化,最终对升沉进行了补偿。
本发明中，在母船上升过程中，补偿缸随着母船上升，缆绳拉力增大，补偿缸无杆腔和被动补偿缸的无杆腔的被压缩，被动补偿缸无杆腔和工作气瓶相连，被动补偿缸无杆腔压力增大，工作气瓶内的气体压缩补偿一部分上升位移，工作气瓶内的气体压缩也会存储下部分能量，当气瓶内气体压缩的补偿能力达不 到所需要求时，这时的拉力传感器将缆绳张紧力与已知的缆绳的张紧力变化传到控制器，母船上升过程中，缆绳的张紧力增大，控制器经过计算后向负载敏感变量泵和电液比例换向阀发送信号，电磁比例换向阀阀芯右移，负载敏感变量泵给主动缸无杆腔供油，油压增大推动主动缸活塞向上运动，使补偿缸的体积增大，压力减小，补偿缸活塞向下运动，补偿母船向上运动的位移。
本发明中，在母船下降过程中，补偿缸随着母船下降，缆绳拉力减小，补偿缸无杆腔和被动补偿缸的无杆腔体积增大，压强减小，工作气瓶释放上述过程中存储的能量，补偿一部分母船下降位移，同时拉力传感器将缆绳张紧力变化的信号传给电液比例换向阀和负载敏感变量泵，电磁比例换向阀阀芯左移，负载敏感变量泵向主动缸的有杆腔供油，推动主动补偿缸活塞向下运动，使补偿缸的体积减小，压力增大，补偿缸活塞向上运动，补偿母船向下运动的位移。
本发明中，负载敏感变量泵能够感受负载压力和流量要求，能够提供负载所需要的流量和压力，且能自动适应。防爆安全阀是负载原位保持型的的防爆阀，当管道***时，板阀紧紧地压在环形的阀座上，因此负载能够停留在管路破裂瞬间的行程位置上，防止突然破裂液压缸活塞杆在缆绳张紧力和自重的作用下突然下降，造成吊放物的突然的下降，对设备和人员造成伤害。
本发明技术方案的优点在于结合了主动补偿和被动补偿的优点，对液压***也做了简化，主动补偿中只用了拉力传感器，没有使用检测活塞位置和检测母船位置的位移传感器，减小成本和设计难度。因此，本发明具有效率高、能耗低、滞后性小、成本低等优点。
附图说明
图1：本发明起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置的整体结构示意图。
其中：1为油箱、2为电磁溢流阀、3为主动补偿缸、4为工作气瓶、5为控制阀、6为备用气瓶、7为空气加压***、8为被动补偿缸、9为控制总阀、10为二位二通换向阀、11为定滑轮、12为绞车、13为动滑轮、14为缆绳、15为补偿缸、16为拉力传感器、17为控制器、18为电液比例换向阀、19为单向阀、10为回油过滤器、21为负载敏感变量泵、22为过滤器、23为电机、24为防爆安全阀；I为动滑轮I、II为动滑轮II；A为定滑轮A、B为定滑轮B、C为定滑轮C、D为定滑轮D、E为定滑轮E。
具体实施方式
以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描 述内容：
本发明首先提供一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，包括相互配合的液压缸滑轮***、被动补偿***、主动补偿***，补偿安装母船因为升沉运动对吊物产生的影响，如图1所示：
所述的液压缸滑轮***，包括定滑轮11、动滑轮13、缆绳14和补偿缸15：动滑轮位于补偿缸的活塞杆伸出的一端；缆绳通过绞车12放出、且通过定滑轮连接到动滑轮上。动滑轮个数为两个：动滑轮I、动滑轮II，二者并联连接在补偿缸活塞杆伸出的一端，并向两侧伸出；补偿缸活塞杆向两侧伸出的位置添加加强筋。定滑轮个数为5个：定滑轮A、定滑轮B、定滑轮C、定滑轮D、定滑轮E，其中：定滑轮A、定滑轮B位于动滑轮的左侧，定滑轮E位于动滑轮的右侧，定滑轮C、定滑轮D位于补偿缸底部的两侧。定滑轮B、定滑轮E位于动滑轮的两侧时，位置要使定滑轮与动滑轮之间的缆绳处于和船面垂直的状态，并且定滑轮的位置低于补偿缸的液压缸顶端的位置。缆绳通过绞车12放出，依次连接定滑轮A、定滑轮B、动滑轮I、定滑轮C、定滑轮D、动滑轮II、定滑轮E后与货物连接。缆绳为高分子聚乙烯缆绳。
所述的被动补偿***，包括工作气瓶4、备用气瓶6、空气加压***7、被动补偿缸8、控制总阀9、二位二通换向阀10：被动补偿缸的无杆腔依次通过控制总阀、工作气瓶、二位二通换向阀、备用气瓶与空气加压***相连接。工作气瓶为多个，且并联连接，控制总阀分别与多个并联的工作气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀5；备用气瓶也为多个，且并联连接，二位二通比例阀10分别与多个并联的备用气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀5。
所述的主动补偿***，包括油箱1、电磁溢流阀2、主动补偿缸3、拉力传感器16，控制器17、电液比例换向阀18、单向阀19、回油过滤器20、负载敏感变量泵21、过滤器22：主动补偿缸的有杆腔与电液比例换向阀的B口相连接、无杆腔与电液比例换向阀的A口相连接；电液比例换向阀的T口通过回油过滤器与油箱相连接；电液比例换向阀的P口依次通过单向阀、负载敏感变量泵、过滤器与油箱相连接；单向阀还通过电磁溢流阀直接与油箱相连接；负载敏感变量泵配设有电机23；主动补偿缸依次通过电液比例换向阀、控制器与拉力传感器相连接，拉力传感器安装于定滑轮C、定滑轮D之间缆绳14经过的位置。
补偿缸15的无杆腔通过油管与被动补偿缸8的有杆腔相连接，被动补偿缸的活塞与主动补偿缸3的活塞杆相连接；连接补偿缸15的无杆腔和被动补偿缸 8的有杆腔的油管上，安装有防爆安全阀24。
本发明还提供一种上述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置的使用方法，具体步骤如下：
(1)在起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置工作开始前，打开控制总阀9、控制阀5，通过控制电磁比例换向阀18阀芯左移，被动补偿缸8处于完全收缩的状态，使补偿缸15的活塞杆全部伸出；
(2)挂上吊物后，控制电磁比例换向阀18阀芯右移，使主动补偿缸3活塞上升，补偿缸15的活塞开始下降，直到补偿缸活塞处于补偿缸行程的1/2处使停止供油；
(3)然后通过空气加压***7向工作气瓶4和备用气瓶6内加压直到达到25MPa；设置完成后，启动绞车，绞车以0.5m/s的速度释放缆绳。
下面结合具体的实施例对本发明装置及方法进行阐述：
实施例1：在海上吊放50吨的重物，放到水下1500米的平台上，以0.5米每秒的速度匀速下放，补偿缸无杆腔压力25MPa，内径320mm，壁厚50mm，液压缸材料为45号优质碳素钢，活塞杆直径220mm，活塞杆行程160mm，选用型号为ZG310-570的铸钢作为滑轮的材料，选用型号为ZG270-500的铸钢作为滑轮架的材料。
本发明中的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，在母船上升过程中，补偿缸随着母船上升，缆绳拉力增大，补偿缸无杆腔和被动补偿缸的无杆腔的被压缩，被动补偿缸无杆腔和工作气瓶相连，被动补偿缸无杆腔压力增大，工作气瓶内的气体压缩补偿一部分上升位移，工作气瓶内的气体压缩也会存储下部分能量，当气瓶内气体压缩的补偿能力达不到所需要求时，这时的拉力传感器将缆绳张紧力与已知的缆绳的张紧力变化传到控制器，母船上升过程中，缆绳的张紧力增大，控制器经过计算后向负载敏感变量泵和电液比例换向阀发送信号，电磁比例换向阀阀芯右移，负载敏感变量泵给主动缸无杆腔供油，油压增大推动主动缸活塞向上运动，使补偿缸的体积增大，压力减小，补偿缸活塞向下运动，补偿母船向上运动的位移。
本发明中的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，在母船下降过程中，补偿缸随着母船下降，缆绳拉力减小，补偿缸无杆腔和被动补偿缸的无杆腔体积增大，压强减小，工作气瓶释放上述过程中存储的能量，补偿一部分母船下降位移，同时拉力传感器将缆绳张紧力变化的信号传给电液比例换向阀和负载敏 感变量泵，电磁比例换向阀阀芯左移，负载敏感变量泵向主动缸的有杆腔供油，推动主动补偿缸活塞向下运动，使补偿缸的体积减小，压力增大，补偿缸活塞向上运动，补偿母船向下运动的位移。
本发明既具有被动补偿能耗低的优点，又具有主动补偿精度高，滞后性小的优点。
上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，包括相互配合的液压缸滑轮***、被动补偿***、主动补偿***，补偿安装母船因为升沉运动对吊物产生的影响，其特征在于：
所述的液压缸滑轮***，包括定滑轮(11)、动滑轮(13)、缆绳(14)和补偿缸(15)：动滑轮位于补偿缸的活塞杆伸出的一端；缆绳通过绞车(12)放出、且通过定滑轮连接到动滑轮上；
所述的被动补偿***，包括工作气瓶(4)、备用气瓶(6)、空气加压***(7)、被动补偿缸(8)、控制总阀(9)、二位二通换向阀(10)：被动补偿缸的无杆腔依次与控制总阀(9)、工作气瓶(4)、二位二通换向阀(10)、备用气瓶(6)与空气加压***(7)相连接；
所述的主动补偿***，包括油箱(1)、电磁溢流阀(2)、主动补偿缸(3)、拉力传感器(16)，控制器(17)、电液比例换向阀(18)、单向阀(19)、回油过滤器(20)、负载敏感变量泵(21)、过滤器(22)：主动补偿缸的有杆腔与电液比例换向阀的B口相连接、无杆腔与电液比例换向阀的A口相连接；电液比例换向阀的T口通过回油过滤器与油箱相连接；电液比例换向阀的P口依次通过单向阀、负载敏感变量泵、过滤器与油箱相连接；单向阀(19)还通过电磁溢流阀(2)直接与油箱(1)相连接；负载敏感变量泵配设有电机(23)；主动补偿缸依次通过电液比例换向阀(18)、控制器(17)与拉力传感器(16)相连接，拉力传感器安装于缆绳经过的位置；
补偿缸(15)的无杆腔通过油管与被动补偿缸(8)的有杆腔相连接，被动补偿缸的活塞与主动补偿缸(3)的活塞杆相连接。
2.根据权利要求1所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：液压缸滑轮***中，动滑轮(13)个数为两个：动滑轮I、动滑轮II，二者并联连接在补偿缸(15)活塞杆伸出的一端，并向两侧伸出；补偿缸活塞杆向两侧伸出的位置添加加强筋。
3.根据权利要求1所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：液压缸滑轮***中，定滑轮(11)个数为5个：定滑轮A、定滑轮B、定滑轮C、定滑轮D、定滑轮E，其中：定滑轮A、定滑轮B位于动滑轮的左侧，定滑轮E位于动滑轮的右侧，定滑轮C、定滑轮D位于补偿缸(15)底部的两侧。
4.根据权利要求2或3所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：缆绳(14)通过绞车(12)放出，依次连接定滑轮A、定滑轮B、动滑轮I、定滑轮C、定滑轮D、动滑轮II、定滑轮E后与货物连接。
5.根据权利要求3所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：定滑轮B、定滑轮E位于动滑轮(13)的两侧时，位置要使定滑轮与动滑轮之间的缆绳(14)处于和船面垂直的状态，并且定滑轮的位置低于补偿缸(15)的液压缸顶端的位置。
6.根据权利要求4所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：拉力传感器(16)，安装于定滑轮C、定滑轮D之间缆绳(14)经过的位置。
7.根据权利要求1所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：连接补偿缸(15)的无杆腔和被动补偿缸(8)的有杆腔的油管上，安装有防爆安全阀(24)。
8.根据权利要求1所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：工作气瓶(4)为多个，且并联连接，控制总阀分别与多个并联的工作气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀(5)；备用气瓶(6)也为多个，且并联连接，二位二通比例阀(10)分别与多个并联的备用气瓶相连接，每个支路上均安装有控制阀(5)。
9.根据权利要求1所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置，其特征在于：所述的缆绳(14)为高分子聚乙烯缆绳。
10.一种权利要求1-9任一项所述的起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在起重机的液压缸式半主动升沉补偿装置工作开始前，打开控制总阀(9)、控制阀(5)，通过控制电磁比例换向阀(18)阀芯左移，被动补偿缸(8)处于完全收缩的状态，使补偿缸(15)的活塞杆全部伸出；
(2)挂上吊物后，控制电磁比例换向阀(18)阀芯右移，使主动补偿缸(3)活塞上升，补偿缸(15)的活塞开始下降，直到补偿缸活塞处于补偿缸行程的1/2处使停止供油；
(3)然后通过空气加压***(7)向工作气瓶(4)和备用气瓶(6)内加压直到达到25MPa；设置完成后，启动绞车，绞车以0.5m/s的速度释放缆绳。
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