專利名稱：一種用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船用起重機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具體涉及一種用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液
壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
船舶在海上航行或作業(yè)時(shí)，所消耗的物資必須在海上得到不間斷的補(bǔ)給。但是在 海上有風(fēng)浪的情況下，海浪的起伏會(huì)引起補(bǔ)給船和被補(bǔ)給船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在這種狀況下，如 果使用常規(guī)船用起重機(jī)進(jìn)行海上補(bǔ)給，很容易造成貨物在補(bǔ)給過(guò)程中撞擊被補(bǔ)給船甲板， 同時(shí)已經(jīng)放到被補(bǔ)給船甲板的貨物也可能因?yàn)楸谎a(bǔ)給船下沉而出現(xiàn)再次懸空現(xiàn)象，這對(duì)海 上補(bǔ)給的安全作業(yè)構(gòu)成很大威脅。因此，研究新型的波浪補(bǔ)償起重機(jī)，通過(guò)控制貨物的運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)提高海上補(bǔ)給裝備的綜合性能，實(shí)現(xiàn)海上安全補(bǔ)給具有重要意義。 波浪補(bǔ)償起重機(jī)需要使用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)，而液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起 重機(jī)的整體性能具有重要影響。 對(duì)于大負(fù)載的液壓系統(tǒng)，由于固有頻率較低，阻尼較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性較差，響 應(yīng)時(shí)間往往不能滿足主動(dòng)式波浪補(bǔ)償?shù)囊蟆１景l(fā)明針對(duì)基于差動(dòng)式行星輪絞車的主動(dòng)式 波浪補(bǔ)償起重機(jī)，設(shè)計(jì)了它的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮機(jī)電液控一體化的優(yōu)勢(shì)，采用不同 的方式分別驅(qū)動(dòng)重物的吊放和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，具有控制精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的用于主動(dòng)式波浪補(bǔ) 償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系
統(tǒng)，由油箱、分別包括液壓馬達(dá)的用于重物吊放的起重油路和用于波浪補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償油路組
成；起重油路和補(bǔ)償油路中的液壓馬達(dá)共同驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的差動(dòng)式行星輪絞車轉(zhuǎn)動(dòng)。 所述起重油路由包括依次連接的第一吸油過(guò)濾器、第一液壓泵、第一單向閥、第一
高壓過(guò)濾器、電液比例閥、第一進(jìn)油平衡閥、第一液壓泵和第一出油平衡閥組成，在第一單
向閥出口處分別安裝有第一溢流閥、第一壓力繼電器和第一壓力表，第一壓力繼電器控制
第一電磁制動(dòng)器作為絞車的制動(dòng)元件。 所述補(bǔ)償油路由包括依次連接的第二吸油過(guò)濾器、第二液壓泵、第二單向閥、第二 高壓過(guò)濾器、電磁閥、電液伺服閥、第二進(jìn)油平衡閥、第二液壓泵、第二出油平衡閥組成，在 第二單向閥的出口處分別連接有第二溢流閥、第二壓力繼電器、蓄能器和第二壓力表，壓力 補(bǔ)償器與電液伺服閥并聯(lián)使用，第二壓力繼電器控制第二電磁制動(dòng)器作為絞車的制動(dòng)元 件。 本發(fā)明系統(tǒng)中的起重油路采用電液比例控制，用于重物的吊放；補(bǔ)償油路采用電 液伺服控制，用于波浪補(bǔ)償。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)一是重物的吊放與波浪補(bǔ)償互不干擾，在 沒(méi)有海浪的情況下，可以關(guān)閉補(bǔ)償回路，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)功能與普通起重機(jī)相同，在海浪較大的情況下，打開(kāi)補(bǔ)償回路，可以進(jìn)行有波浪補(bǔ)償?shù)牡跹b。二是波浪補(bǔ)償精度高，將電液伺服 閥與壓力補(bǔ)償器一起使用，避免負(fù)載的改變引起系統(tǒng)流量的改變。三是系統(tǒng)柔性可調(diào)，通過(guò) 電手柄加電液比例閥，可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)起重油路的流量。另外電液伺服閥的增益具有很大的 調(diào)節(jié)范圍，適于較多的海況條件。四是系統(tǒng)安全可靠，兩個(gè)油路均使用雙向平衡閥的組合， 防止重物滑車，使用壓力繼電器和常閉式電磁制動(dòng)器，使系統(tǒng)在沒(méi)有工作時(shí)制動(dòng)器處于閉 合狀態(tài)，保證系統(tǒng)安全。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。 圖2是NGW差動(dòng)式行星輪絞車示意圖。 圖3是電手柄加電液比例閥控制示意圖。 圖4是補(bǔ)償油路電液伺服系統(tǒng)控制框圖。 圖5是壓力補(bǔ)償器與電液伺服閥聯(lián)合使用原理圖。 圖6是雙向平衡閥使用原理圖。 圖7是壓力繼電器與電磁制動(dòng)器的連接形式。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由油箱1、起重油路和補(bǔ)償油路組成；起重油路由吸油 過(guò)濾器2、液壓泵4、單向閥5、溢流閥8、壓力繼電器7、壓力表6、高壓過(guò)濾器9、電液比例 閥11、進(jìn)出油平衡閥12、23和液壓馬達(dá)13等液壓元件組成，各元件的連接按照油液的流動(dòng) 路線依次為吸油過(guò)濾器2-液壓泵4-單向閥5-高壓過(guò)濾器9-電液比例閥11-進(jìn)油平衡 閥12-液壓馬達(dá)13-出油平衡閥23，溢流閥8、壓力繼電器7和壓力表6分別安裝在單向閥 5出口處；所述補(bǔ)償油路由吸油過(guò)濾器2'、液壓泵4'、單向閥5'、溢流閥8'、壓力繼電 器7'、蓄能器19、壓力表6'、高壓過(guò)濾器9'、電磁閥20、電液伺服閥22、壓力補(bǔ)償器21、 進(jìn)出油平衡閥12' 、23'、液壓馬達(dá)13'和傳感器18等元件組成，各元件的連接按照油液 的流動(dòng)路線依次為吸油過(guò)濾器2' _液壓泵4'-單向閥5'-高壓過(guò)濾器9'-電磁閥 20-電液伺服閥22-進(jìn)油平衡閥12'-液壓馬達(dá)13' _出油平衡閥23'，溢流閥8'、壓力 繼電器7'、蓄能器19和壓力表6'分別連接在單向閥5'的出口處，壓力補(bǔ)償器21與電液 伺服閥22并聯(lián)使用，在電液伺服閥的兩個(gè)出口之間連接有梭閥24 ;起重油路和補(bǔ)償油路中 的液壓馬達(dá)13、13'共同驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的差動(dòng)式行星輪絞車15轉(zhuǎn)動(dòng)；壓力繼電器7，7'分別 控制電磁制動(dòng)器14， 14'作為絞車15的制動(dòng)元件。 由電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)的液壓泵4、4'分別為起重和補(bǔ)償兩個(gè)液壓油路供油，這樣 就保證了兩個(gè)油路的流量不會(huì)彼此影響。起重油路采用電液比例控制，主要功能是控制重 物16吊放的速度，即重物16與接收船甲板17的相對(duì)速度，控制方式為電手柄10加電液比 例閥11。補(bǔ)償油路采用電液伺服系統(tǒng)，主要功能為控制波浪補(bǔ)償，使重物16跟隨甲板17運(yùn) 動(dòng)。兩個(gè)液壓馬達(dá)13、13'的運(yùn)動(dòng)通過(guò)NGW差動(dòng)式行星齒輪絞車合成為重物16的運(yùn)動(dòng)。
在起重油路中，吸油過(guò)濾器2用來(lái)過(guò)濾油液，保護(hù)液壓泵4。液壓泵4為整個(gè)油路 提供能源和動(dòng)力。單向閥5用來(lái)防止油液倒流，保護(hù)液壓泵4不受損壞。溢流閥8限定了 系統(tǒng)的最高壓力，起到了一定的安全保護(hù)作用。壓力表6用來(lái)顯示系統(tǒng)的工作壓力。電液比例閥11接收電手柄io給定的電壓信號(hào)并產(chǎn)生一定大小的開(kāi)口，用來(lái)控制系統(tǒng)流量和液
壓馬達(dá)13的轉(zhuǎn)動(dòng)。電液比例閥11采用局部位置反饋，可使定位更精確。
在補(bǔ)償油路中，吸油過(guò)濾器2'、液壓泵4'、單向閥5'、溢流閥8'、壓力表6'等元件的作用與起重油路相同，蓄能器19用來(lái)吸收和釋放能量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。補(bǔ)償油路采用帶反饋的電液伺服控制，由設(shè)置在甲板17上的傳感器18測(cè)量船舶甲板17的速度信號(hào)，由設(shè)置在液壓馬達(dá)13，13'輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器25，25'測(cè)量并通過(guò)計(jì)算得到重物16的速度信號(hào)，計(jì)算二者之間的偏差，然后將偏差信號(hào)通過(guò)伺服放大器輸入電液伺服閥22，控制伺服閥的開(kāi)口大小和方向，最終控制重物16完成波浪補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。伺服放大器的增益連續(xù)可調(diào)，因此該液壓系統(tǒng)可適合于各種海況條件。電液伺服閥22與壓力補(bǔ)償器21聯(lián)合使用，使電液伺服閥22進(jìn)出口壓差恒定，系統(tǒng)流量不受負(fù)載變化的影響。電磁閥20是二位四通閥，當(dāng)在左位時(shí)系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，液壓馬達(dá)13'沒(méi)有動(dòng)作；在右位時(shí)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，波浪補(bǔ)償開(kāi)啟。 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明
1)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法 NGW差動(dòng)式行星輪絞車如圖2所示，包括太陽(yáng)輪a、內(nèi)齒圈b，行星輪g、行星架H。NGW差動(dòng)式行星輪為雙輸入單輸出的機(jī)構(gòu)，它的輸入為中心輪軸25和內(nèi)齒圈軸26，分別連接起重液壓馬達(dá)和補(bǔ)償液壓馬達(dá)；輸出為行星架H，連接絞車15的巻筒，通過(guò)繩索直接控制重物的運(yùn)動(dòng)。 設(shè)基本構(gòu)件的齒數(shù)分別為za、 zb和zH，轉(zhuǎn)速分別為za、 zb和nH，定軸輪系部分傳動(dòng)比為u。，則滿足如下關(guān)系式
無(wú)關(guān)。
Za6
=—~^ = 1
那么
=
仏
1 + wn
假設(shè)巻筒直徑為d，
7/
要實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償功能，需使重物與接收船甲板之間的相對(duì)速度與兩船的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)控制器調(diào)節(jié)補(bǔ)償馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使
60(1、
那么重物與接收船甲板的相對(duì)速度
V
服
乂
60(1 + w0)
通過(guò)以上兩個(gè)式子可以得到兩個(gè)液
60(1+ w0) 。
60(1+ w0) 與兩船的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了波浪補(bǔ)償壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的計(jì)算方法。
起重液壓馬達(dá)首先明確希望的重物與接收船甲板的相對(duì)速度(即吊放速度)，然計(jì)算
計(jì)算
60(1+
"。=-^v服
補(bǔ)償液壓馬達(dá)首先通過(guò)傳感器檢測(cè)到兩船各自的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過(guò)以下公式
60(1+ w0), 2)電手柄加電液比例閥控制起重油路 起重油路采用電手柄加電液比例閥的控制方式，通過(guò)人工操作來(lái)控制重物的吊放 速度，控制原理如圖3所示。電手柄實(shí)際上是由機(jī)械操縱桿和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)兩部分組成的，在 圖中用滑動(dòng)變阻器L代替。當(dāng)操縱電手柄時(shí)，電位計(jì)的阻值發(fā)生改變，則其輸出電壓也響應(yīng) 改變。輸出電壓信號(hào)通過(guò)比例放大器進(jìn)入電液比例閥，控制閥口的開(kāi)口大小，進(jìn)而控制系統(tǒng) 流量。為了使閥口定位更為準(zhǔn)確，比例閥與比例放大器之間增加位置反饋，這樣操縱更為精 準(zhǔn)。 電手柄加比例閥的控制方法與傳動(dòng)的先導(dǎo)閥式控制方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的先導(dǎo)閥和響應(yīng)的油路，只需要電手柄即可；操作精準(zhǔn)，采用位置負(fù)反饋， 能夠精確確定閥口的位置；維修保養(yǎng)方便。
3)補(bǔ)償油路電液伺服控制 補(bǔ)償油路的控制框圖見(jiàn)圖4，系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)到船舶運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)，將該信號(hào)傳輸 到伺服放大器，并且與經(jīng)速度傳感器反饋來(lái)的重物的速度信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算偏差，根據(jù)偏 差的大小輸出一定的電信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入電液伺服閥后控制電液伺服閥產(chǎn)生一定大小的開(kāi) 口量，進(jìn)而控制系統(tǒng)的流量和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。
4)壓力補(bǔ)償器與電液伺服閥聯(lián)合使用方式 主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的負(fù)載經(jīng)常變化，而且變化范圍較大。假設(shè)Cd為流量系數(shù)， W為滑閥的面積梯度，I^為伺服閥的增益，i為線圈輸入電流，Ps為伺服閥的供油壓力，K為 伺服閥的負(fù)載壓力。 根據(jù)電液伺服閥的流量計(jì)算公式 & = C^『^^」丄(尺—p丄) 可知，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載壓力發(fā)生變化時(shí)，在輸入電流不變的情況下，系統(tǒng)的流量也會(huì) 發(fā)生變化，因此系統(tǒng)控制的精確性不高。為了保證波浪補(bǔ)償?shù)目刂凭龋瑢㈦娨核欧y22 與壓力補(bǔ)償器21聯(lián)合使用，如圖5所示。圖中A和B為電液伺服閥22的兩個(gè)出口 ，它們分 別連接梭閥24的兩端。P為電液伺服閥22進(jìn)油口， T為回油口。梭閥24的作用是將A和 B中壓力較大的(pj作為控制油導(dǎo)入液控減壓閥。這樣就保證了P 口壓力與控制油的壓力 PS_K為恒定值。這樣，系統(tǒng)的流量就不受到負(fù)載變化的影響，使控制更為精確。
5)系統(tǒng)的安全保護(hù) 對(duì)主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)這種復(fù)雜海況下的起重設(shè)備，安全保護(hù)是非常重要的。 為此，本發(fā)明通過(guò)以下兩處設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的安全性。 一是在起重油路和補(bǔ)償油路液壓馬
6達(dá)的兩端均安裝雙向平衡閥組，二是通過(guò)壓力繼電器加常閉式電磁制動(dòng)器來(lái)制動(dòng)。
以起重油路為例，圖6所示為雙向平衡閥組使用原理圖。這種使用方式可以防止 重物過(guò)載或系統(tǒng)失壓情況下的滑車現(xiàn)象。其工作原理是當(dāng)重物過(guò)載或系統(tǒng)失壓時(shí)，重物 會(huì)帶動(dòng)液壓馬達(dá)13轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)液壓馬達(dá)13類似于泵的工作狀態(tài)，其一端有壓力而另一端壓 力為零。對(duì)于壓力為零的一端，進(jìn)出油平衡閥12、23閥口在彈簧力作用下關(guān)閉，滑車現(xiàn)象停 止。 為了使絞車在不工作狀態(tài)下及時(shí)剎車，本發(fā)明設(shè)計(jì)了由壓力繼電器7，7'分別控 制的電磁制動(dòng)器14，14'作為制動(dòng)元件，它們的連接方式(以起重油路為例)見(jiàn)附圖7。壓 力繼電器7，7'本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有壓力時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到壓力 繼電器7， 7'的設(shè)定值，開(kāi)關(guān)閉合。將壓力繼電器7， 7'作為開(kāi)關(guān)分別與常閉電磁制動(dòng)器14， 14'聯(lián)合使用，可以保證制動(dòng)器在系統(tǒng)不工作或者工作在卸荷狀態(tài)時(shí)制動(dòng)器始終處于制動(dòng) 狀態(tài)，只有當(dāng)系統(tǒng)壓力到達(dá)一定值時(shí)制動(dòng)器才打開(kāi)，行星輪絞車才能開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方式與 傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)器制動(dòng)性能毫不遜色，而且更加便于安裝與維修。 綜上所述，本發(fā)明針對(duì)基于NGW差動(dòng)式行星輪絞車的主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 其液壓系統(tǒng)，可用于重物吊放與波浪補(bǔ)償控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、補(bǔ)償精準(zhǔn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于由油箱、分別包括液壓馬達(dá)的用于重物吊放的起重油路和用于波浪補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償油路組成；起重油路和補(bǔ)償油路中的液壓馬達(dá)通過(guò)減速器共同驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的絞車轉(zhuǎn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于 所述起重油路由包括依次連接的第一吸油過(guò)濾器、第一液壓泵、第一單向閥、第一高壓過(guò)濾 器、電液比例閥、第一進(jìn)油平衡閥、第一液壓泵和第一出油平衡閥組成，在第一單向閥出口 處分別安裝有第一溢流閥、第一壓力繼電器和第一壓力表，第一壓力繼電器控制第一電磁 制動(dòng)器作為絞車的制動(dòng)元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在 于所述補(bǔ)償油路由包括依次連接的第二吸油過(guò)濾器、第二液壓泵、第二單向閥、第二高壓過(guò) 濾器、電磁閥、電液伺服閥、第二進(jìn)油平衡閥、第二液壓泵、第二出油平衡閥組成，在第二單 向閥的出口處分別連接有第二溢流閥、第二壓力繼電器、蓄能器和第二壓力表，壓力補(bǔ)償器 與電液伺服閥并聯(lián)使用，第二壓力繼電器控制第二電磁制動(dòng)器作為絞車的制動(dòng)元件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于主動(dòng)式波浪補(bǔ)償起重機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由油箱、分別包括液壓馬達(dá)的用于重物吊放的起重油路和用于波浪補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償油路組成；起重油路和補(bǔ)償油路中的液壓馬達(dá)通過(guò)減速器共同驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的絞車轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)一是重物的吊放與波浪補(bǔ)償互不干擾，在沒(méi)有海浪的情況下，可以關(guān)閉補(bǔ)償回路，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)功能與普通起重機(jī)相同，在海浪較大的情況下，打開(kāi)補(bǔ)償回路，可以進(jìn)行有波浪補(bǔ)償?shù)牡跹b。二是波浪補(bǔ)償精度高。三是系統(tǒng)柔性可調(diào)。四是系統(tǒng)安全可靠，兩個(gè)油路均使用雙向平衡閥的組合，防止重物滑車。
文檔編號(hào)B66C23/00GK101723257SQ200910226788
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者徐小軍, 李岳, 胡永攀, 董睿, 陳仲生, 陳循, 陶利民 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)