CN107986179A - 海上作业起重机的升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种海上作业起重机的升沉补偿装置，包括：液压油箱、与液压油箱分别相连的变量液压泵和溢流阀、传感器、检测卷筒运动信号的编码器、与传感器相连的控制器、与控制器分别相连的液压控制阀、二次元件，其中，控制器与变量液压泵相连；负载与卷筒相连，并驱动二次元件的转动，输出高压油；液压控制阀分别与液压马达、发电机、逆变器及比例控制阀、蓄能器相连；二次元件与卷筒、负载相连，负载与控制器相连；逆变器与超级电容、电机相连，并交互信息；电机与动力耦合装置相连；控制器输出控制信号改变变量液压泵的排量，从而控制二次元件的转速，达到补偿目的。本发明解决了需要额外动力源，能耗巨大的问题，大大提高能源利用率，节约了生产成本。

Description

海上作业起重机的升沉补偿装置

技术领域

本发明涉及起重机，尤其涉及一种用于海上作业起重机的升沉补偿装置。属于海洋能源开采起重作业工程领域。

背景技术

随着海洋能源开采的日益广泛，海洋工程装备也蓬勃发展起来。海上作业起重机做为海洋工程的重要装备之一，在能源开采、海上物流、救援等领域发挥着重要作用。

目前，海上作业起重机的母船，在受到海风、波浪、洋流等各种干扰的影响下，将会产生空间的波频摇荡运动。其中，对船舶的运动状态影响最大的是重力方向上的升沉运动。由于升沉运动的存在，因此，导致海上作业的安全性、作业效率大大降低。且由于升沉运动的影响，还会使两船舶或船舶与水下平台之间的相对位置发生变化，货物的起升和下降很难进行精确的控制，因此，容易产生碰撞及货物的再次悬空，致使补给不能正常进行。为了解决上述问题，在海上作业起重机上增加了一种升沉补偿***。按照控制方式不同，升沉补偿***可分为被动式升沉补偿***和主动式升沉补偿***两类。其中，被动式补偿***的优点是不需消耗额外能量，但其精度较低、滞后量较大，因此，无法满足高性能要求。而主动式升沉补偿***按照其执行元件的不同可以分为液压缸式、绞车式两种。其中，液压缸式位移补偿范围较小、占用空间较大。绞车式升沉补偿方式有非常明显的优势，补偿的位移不受限制；液压马达可通过差动减速器，将补偿动作与起升动作集成，两者共用一套起升机构，因此，节约了空间及设备成本。主动式升沉补偿***滞后量较小、补偿效率较高，其是确保海上作业安全性的必要装备。但是，主动式补偿***结构复杂，成本较高，且需要额外的动力源，能耗巨大。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种用于海上作业起重机的升沉补偿装置，其不仅能够回收负载下降时所产生的重力势能，解决了需要额外的动力源，能耗巨大的问题，大大提高能源利用率；而且，大大提高了***性能，节约了生产成本。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：包括：设置在母船的液压油箱、与液压油箱分别相连的变量液压泵和溢流阀、设置在母船上用于检测船舶运动状态的传感器、检测卷筒运动信号的编码器、与传感器相连的控制器、与控制器分别相连的液压控制阀、二次元件，其中，传感器将采集到的船舶运动状态转换成电信号，并通过电缆传递给控制器；控制器与变量液压泵相连，用于改变液压泵的排量；负载通过钢丝绳与卷筒相连，用于提升负载；且负载在重力的作用下向下运动，卷筒将负载的直线运动转化为旋转运动，用以驱动二次元件的转动，输出高压油；液压控制阀分别依次与液压马达、发电机、逆变器及比例控制阀、蓄能器相连，通过控制回收能量液压马达的排量、发电机的扭矩以及比例控制阀的开口大小，用以改变背压，实现对二次元件转速的调节，并将负载的重力势能转换为电能和液压能储存在超级电容和蓄能器中；二次元件依次与卷筒、负载相连，负载与控制器相连；逆变器与超级电容、电机相连，并交互信息；电机与动力耦合装置相连；控制器输出控制信号改变变量液压泵的排量，从而控制二次元件的转速，以达到补偿目的。

所述变量液压泵安装在发动机上，变量液压泵在控制器输出信号的作用下动作，提供驱动负载所需的高压油。

所述液压控制阀采用三位三通液压控制阀；该液压控制阀控制变量液压泵与二次元件之间的液压油流向。

所述二次元件与卷筒之间安装有的减速器，用于将负载起升下降运动和升沉补偿运动合成；二次元件为液压马达或泵，用于实现液压能和机械能相互转化。

所述编码器安装在卷筒上，用于检测卷筒转速。

所述控制器结合负载反馈的信号，通过计算后发出指令控制变量液压泵、液压控制阀、二次元件、比例控制阀、液压马达动作。

所述能量回收装置接收二次元件油口输出的液压油并连接至液压马达、溢流阀，液压马达在油液推动下旋转，并带动发电机发电输送至实现交流-直流转换的逆变器，且利用电位差来储存能量的超级电容，并在后续动作中给电机供电，用于辅助发动机进行负载起升的驱动。

所述比例控制阀采用二位二通比例控制阀。

本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其不仅能够回收负载下降时所产生的重力势能，其重力势能回收效率可达51％；解决了需要额外的动力源，能耗巨大的问题，大大提高能源利用率；而且，大大提高了***性能，节约了生产成本。

附图说明

图1为本发明整体结构液压原理示意图；

图2A为本发明中势能转换为液压能时蓄能器压力情况曲线示意图；

图2B为本发明能量回收部分的能量回收效果曲线示意图；

图3A为本发明中超级电容充电时的电压状态曲线示意图；

图3B为本发明中超级电容储能状态曲线示意图。

图中主要标号说明：

1.液压油箱、2.变量液压泵、3.溢流阀、4.液压控制阀、5.二次元件、 6.卷筒、7.减速器、8.编码器、9.钢丝绳、10.负载、11.传感器、12.控制器、13.能量回收装置、14.蓄能器、15.比例控制阀、16.溢流阀、17.液压马达、18.超级电容、19.发电机、20.逆变器、21.电机、22.发动机、23.动力耦合装置。

具体实施方式

如图1-图3B所示，本发明包括：设置在母船上的液压油箱1、与液压油箱1分别相连的变量液压泵2和溢流阀3、设置在母船上用于检测船舶运动状态的传感器11、检测卷筒6运动信号的编码器8、与传感器11相连的控制器 12、与控制器12分别相连的液压控制阀4、二次元件5，其中，传感器11将采集到的船舶运动状态转换成电信号，并通过电缆传递给控制器12；控制器 12与变量液压泵2相连，用于改变液压泵的排量；负载10通过钢丝绳9与卷筒6相连，用于提升负载；且负载10在重力的作用下向下运动，卷筒6将负载10的直线运动转化为旋转运动，用以驱动二次元件5的转动，输出高压油；液压控制阀4分别依次与液压马达17、发电机19、逆变器20及比例控制阀 15、蓄能器14相连，通过控制回收能量液压马达17的排量、发电机19的扭矩以及比例控制阀15的开口大小，用以改变背压，实现对二次元件5转速的调节，并将负载的重力势能转换为电能和液压能储存在超级电容18和蓄能器 14中；二次元件5依次与卷筒6、负载10相连，负载10与控制器12相连；逆变器20与超级电容18、电机21相连并交互信息；电机21与动力耦合装置 23相连；当负载需要上升以补偿船舶对其运动状态所造成的影响时，液压控制阀4右位工作，二次元件5此时工作于马达工况，发动机22提供本发明所需的动力，变量液压泵2输出高压油，驱动二次元件5，提升负载。控制器 12输出控制信号改变变量液压泵2的排量，从而控制二次元件5的转速，以达到补偿目的。蓄能器14释放上一次下降补偿时所回收的能量，高压油驱动回收能量的液压马达17及与之同轴相连的发电机19一起旋转，发电机19发电，液压能被转换为电能，且保持液压马达17与发电机19始终处于工作状态。

上述变量液压泵2安装在发动机22上，变量液压泵2在控制器12输出信号的作用下动作，提供驱动负载10所需的高压油。

上述液压控制阀4采用三位三通液压控制阀；液压控制阀4控制变量液压泵2与二次元件5之间的液压油流向。

上述二次元件5与卷筒6之间安装有的减速器7，用于将负载起升下降运动和升沉补偿运动合成；二次元件5为液压马达或泵，用于实现液压能和机械能相互转化。

上述编码器8安装在卷筒6上，用于检测卷筒转速。

上述控制器12结合负载10反馈的信号，通过计算后发出指令控制变量液压泵2、液压控制阀4、二次元件5、比例控制阀15、液压马达17动作。

上述能量回收装置13接收二次元件5油口C输出的液压油并连接至液压马达17、溢流阀16，液压马达17在油液推动下旋转，并带动发电机19发电输送至实现交流-直流转换的逆变器20，存储至通过将其内部电解质进行极化处理，并利用其所形成的电位差来储存能量的超级电容18，并在后续动作中给电机21供电，用于辅助发动机22进行负载起升的驱动。

上述比例控制阀7采用二位二通比例控制阀。

如图2A，图2B，图3A、图3B所示，在能量回收过程中，蓄能器14和超级电容18参数的状态，其中，0-9.5s这段时间，负载进行第一次上升补偿，本发明不工作，所以，蓄能器14压力与超级电容18电压都保持初始值不变。 9.5-19s时，负载进行首次下降补偿动作，这时，二次元件5在负载10重力的作用下进入泵工况，输出高压油，此时通过控制比例阀15开口大小、液压马达17排量和发电机19扭矩，使本发明在补偿船舶运动的同时，回收负载下降的势能。

图2A是蓄能器14内气体压力变化曲线，负载下降阶段蓄能器14内压力升高，这是由于二次元件5输出的高压油压缩蓄能器14内气体，将负载的重力势能转换为液压能储存起来，此时，蓄能器14内气体的体积相应的减小，其容积变化曲线如图2B所示。图3A为超级电容18的电压变化曲线，其初始值由前述取为380V，在9-12s这段时间，其电压值没有升高，一是由于回收能量的液压马达17和发电机19需要一定的响应时间，二是首次下降补偿开始时，由于负载速度低，可回收功率较小，回收得到的重力势能全部消耗在发电机19和回收能量的液压马达17内部摩擦上，超级电容18未储能，12s 后，随着回收能量的增加超级电容18电压升高，在下降即将结束时，负载10 速度再次降低，超级电容18不储能，且其内阻消耗一部分能量导致电压有所降低。图3B为超级电容18储能状态曲线，其值与超级电容18电压平方成有关；19-28.5s时，负载第二次上升补偿，液压控制阀4工作在右位，本发明单独运行，此时蓄能器14释放能量，高压油驱动回收能量的液压马达17及与之同轴相连的发电机19一起旋转，发电机19发电，将液压能转换为电能，储存在超级电容18中，这样一来，可以避免发电机19频繁启动制动。从图2 和图3中所示各元件的变化状态可以看出本发明在保证补偿效率的情况下实现了能量回收功能。

上述液压油箱、变量液压泵、溢流阀、液压控制阀、卷筒、减速器、编码器、负载、传感器、控制器、蓄能器、比例控制阀、溢流阀、液压马达、超级电容、发电机、逆变器、电机、发动机为现有技术，未进行说明的内容为现有技术，故不再进行赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：包括：设置在母船的液压油箱、与液压油箱分别相连的变量液压泵和溢流阀、设置在母船上用于检测船舶运动状态的传感器、检测卷筒运动信号的编码器、与传感器相连的控制器、与控制器分别相连的液压控制阀、二次元件，其中，传感器将采集到的船舶运动状态转换成电信号，并通过电缆传递给控制器；控制器与变量液压泵相连，用于改变液压泵的排量；负载通过钢丝绳与卷筒相连，用于提升负载；且负载在重力的作用下向下运动，卷筒将负载的直线运动转化为旋转运动，用以驱动二次元件的转动，输出高压油；液压控制阀分别依次与液压马达、发电机、逆变器及比例控制阀、蓄能器相连，通过控制回收能量液压马达的排量、发电机的扭矩以及比例控制阀的开口大小，用以改变背压，实现对二次元件转速的调节，并将负载的重力势能转换为电能和液压能储存在超级电容和蓄能器中；二次元件依次与卷筒、负载相连，负载与控制器相连；逆变器与超级电容、电机相连，并交互信息；电机与动力耦合装置相连；控制器输出控制信号改变变量液压泵的排量，从而控制二次元件的转速，以达到补偿目的。

2.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述变量液压泵安装在发动机上，变量液压泵在控制器输出信号的作用下动作，提供驱动负载所需的高压油。

3.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述液压控制阀采用三位三通液压控制阀；该液压控制阀控制变量液压泵与二次元件之间的液压油流向。

4.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述二次元件与卷筒之间安装有的减速器，用于将负载起升下降运动和升沉补偿运动合成；二次元件为液压马达或泵，用于实现液压能和机械能相互转化。

5.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述编码器安装在卷筒上，用于检测卷筒转速。

6.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述控制器结合负载反馈的信号，通过计算后发出指令控制变量液压泵、液压控制阀、二次元件、比例控制阀、液压马达动作。

7.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述能量回收装置接收二次元件油口输出的液压油并连接至液压马达、溢流阀，液压马达在油液推动下旋转，并带动发电机发电输送至实现交流-直流转换的逆变器，且利用电位差来储存能量的超级电容，并在后续动作中给电机供电，用于辅助发动机进行负载起升的驱动。

8.根据权利要求1所述的海上作业起重机的升沉补偿装置，其特征在于：所述比例控制阀采用二位二通比例控制阀。