波浪补偿器的力伺服液压系统研究

周明健，史良马

波浪补偿器的力伺服液压系统研究

*周明健，史良马

（巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽，巢湖 238000）

随着海洋资源的开发，人们对海洋工程装备的使用性能要求越来越高，如何提高海洋工程装备在使用过程中的安全性、稳定性、精确性已成为一个重要研究课题。波浪补偿器作为海洋工程装备中重要组成部分之一，对其液压控制系统的研究显得格外重要。本文旨在通过研究波浪补偿器的典型液压控制系统，确定波浪补偿器选择力伺服液压控制系统作为控制方案，并设计出其力伺服液压系统原理图。该方案在减少工程装备在海洋作业过程中起吊绳索所受到交变载荷的同时，也能对被起吊货物的速度进行一定波浪补偿，从而保证了海上作业的人员和物资安全，为新型主动波浪补偿功能海洋工程装备的研发提供新的思路。

波浪补偿器；液压控制系统；力伺服液压控制系统；交变载荷

0 前言

随着人类向海洋领域进军，波浪补偿器的应用范围越来越广泛，海上施工、钻井平台、船只补给、深海资源开采等作业都要运用波浪补偿技术[1-5]。波浪补偿器要减少吊装钢缆和被吊重物受到风浪的影响，确保海上作业人员和物资的安全[6]。

波浪补偿技术与液压控制系统相结合，形成新型的波浪补偿技术，由液压执行元件、伺服阀、传感器、伺服放大器、A/D、D/A转换模块、计算机、液压控制系统等组成，可以使系统组成更加简单，控制的精确性、快速性、稳定性得到很大提高的同时，被控对象的自重也得到极大增加，在未来海洋装备中具有较大的市场占有率和巨大的发展潜力[7]。

1 波浪补偿器的液压控制系统方案

传统的波浪补偿器的液压控制系统方案[8-9]中，大多数采用被动式、主动式与牵引复合的波浪补偿方式，通常以液压缸为执行元件，而液压缸具有反应速度慢、行程短、液压冲击比较大、控制的稳定性差等缺点，不能很好地满足波浪补偿需要，因此对波浪补偿器的液压控制系统进行研究，将以液压马达作为执行元件，拟定了以下3种控制方案。

图1 波浪补偿回路液压控制方案

1.1 波浪补偿回路液压控制方案

波浪补偿回路[10]如图1所示，它是由比例换向阀、远程调压阀、平衡阀、电磁换向阀、安全阀、压力继电器等主要液压元件组成的液压回路。当比例换向阀处于打开的状态，保证进入液压马达的液压油流量满足液压马达的泄漏量，此时液压马达处于要工作又未能工作的临界状态，液压马达既可以正转又可以反转。压力继电器检测液压马达入口的压力，当液压马达入口处的压力低于设定值时，其向电磁换向阀发出换向信号，远程调压阀接通安全阀的遥控口，安全阀被打开，多余的压力油经过安全阀的遥控口、电磁换向阀、远程调压阀，回到了油箱，从而调节了液压马达入口的液压油的压力。当船只处于波峰时，吊装的重物将产生向上的加速度，钢缆的受力增大，导致液压马达的工作压力增大，安全阀被打开，液压马达反转释放钢缆；当船只处于波谷时，负载的重物产生向下的加速度，钢缆的受力减小，造成液压马达的工作压力减小，液压马达正转回收钢缆。

1.2 速度伺服液压控制方案

速度伺服液压控制回路[11]由伺服阀、速度传感器、液压马达、伺服放大器等主要液压元件组成，液压回路的液压原理如图2所示。速度伺服液压控制的工作原理是以船舶在洋面上的竖直升降为输入信号与经过速度传感器反馈的液压绞车的速度信号进行比较，得到偏差信号，再由此信号通过伺服放大器控制伺服阀的开口的大小和方向，从而控制重物的起吊速度和方向。其控制过程方框图如图3所示。

图2 速度伺服液压控制回路原理图

图3 速度伺服液压控制回路的控制过程方框图

1.3 力伺服液压控制方案

力伺服液压控制回路[12-13]由伺服阀、力传感器、液压马达、伺服放大器等主要液压元件组成，补偿回路的液压原理如图4所示。力伺服液压控制回路的工作原理是以船舶竖直升降为输入信号和经过力传感器k反馈的钢缆的拉力信号U进行比较，得到偏差信号，再将此信号通过伺服放大器控制伺服阀的开口的大小和方向进而控制液压马达的输出扭矩T来减小绳索所受的交变载荷。在控制绳索所受的交变载荷的同时，控制了起吊重物的速度。其控制过程的框图如图5所示，作用在液压马达上的外负载力矩T是影响马达输出扭矩的干扰因素。

图4 力伺服液压控制补偿回路的液压原理图

图5 力伺服液压控制过程方框图

2 波浪补偿器的三种控制方案对比及选择

方案1：利用液压马达压力调节回路和比例阀浮动控制回路，可以随着负载变化而自动调节供给液压马达的进油压力，在未工作时实现液压马达的“浮动”控制状态。该种控制方案的液压回路简单、成本低，在一定程度上能实现波浪补偿的功能，但是液压系统的调试比较复杂，很难达到进入液压马达的液压油流量满足液压马达的泄漏量，绞车很难处于收揽却收不动的理想状态，液压系统的控制性能比较差。

方案2：速度伺服液压控制系统是一种自动控制系统，在此系统中，执行元件能以一定精度自动地按照输入信号的变化规律而动作，综合了电气控制和液压控制两方面的优点。电液控制技术[14]能方便地与计算机相结合，使电液控制系统有很大的灵活性和充分利用计算机的信息处理能力，使系统具有更复杂的功能和更广泛的适应性，成本比较高。相对于方案1，方案2是国内比较先进的新型主动式波浪补偿液压伺服系统控制，其优点是具有控制灵活和适用领域广泛，同时控制性能好。

方案3：力伺服液压控制系统采用伺服阀控制液压马达。相对于方案2，能够直接快速、准确、稳定地控制绳索所受到的交变载荷，同时也能对被吊货物的速度进行一定波浪补偿作用；相对于方案1，具有良好的控制性能，而且便于实际的操作和控制。国内比较先进的新型主动式波浪补偿液压伺服系统控制主要采用速度液压伺服系统和位置液压伺服系统，很少利用以阀控液压马达的力液压伺服系统，因此采用力液压伺服系统就有一定的新颖性，值得研究。

综合以上三种方案分析比较，本课题采用方案3完成波浪补偿功能。

3 波浪补偿器力伺服液压系统

3.1 波浪补偿器力伺服液压系统液压回路方案[15]

构成液压系统的回路有主回路和辅助回路两大类。该液压系统有三条液压回路：减压节流回路、力伺服液压控制回路、平衡回路+同步保压回路。

3.2 调速方案和方向控制方案的拟订[16]

执行元件运动方向和运动速度的控制是拟订液压系统的核心问题。方向控制一般用换向阀或插装阀来实现。根据波浪补偿系统的工作循环、动作变换性能和自动化程度等要求，确定了控制液压马达的换向阀是O型的三位四通的伺服换向阀，而控制液压油缸的换向阀是Y型的三位四通的电磁换向阀。控制液压马达的回转速度是伺服控制器，而控制液压缸的运动速度是节流调速阀。

3.3 油路循环方式的拟订

液压系统的油路循环方式有开式和闭式两种，油路循环方式主要取决于液压调速方式，节流调速和容积—节流联合调速只能采用开式系统，因此波浪补偿器的液压系统采用开式系统。

3.4 动力源方案的拟订

液压系统的工作介质完全由液压源提供，液压源的核心是液压泵。液压源型式与调速方案有关，该系统采用压力补偿式变量泵供油。

3.5 压力控制方案的制订[17]

液压系统的工作压力必须与所承受的负载相适应。对于定量泵供油的节流调速系统，系统压力采用溢流阀（与泵并联）进行恒压控制。容积调速或容积—节流联合调速系统，系统最高压力由安全阀限定。如果各回路的压力要求不同，可采用减压阀来控制。如在系统不同工作阶段需要两种以上的工作压力，则可通过先导式溢流阀的遥控口，用换向阀接通远程调压溢流阀以获取多级压力，则可通过先导式溢流阀的遥控口，用换向阀接通远程调压溢流阀以获取多级压力；系统等待的工作期间，应尽量使液压泵卸载。

3.6 辅助回路方案的制订

净化装置是液压系统中不可缺少的一部分，一般泵的入口要设置粗过滤器，进入系统的油液根据保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为了防止系统中的杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性或其它型式的过滤器。根据液压设备的工作环境及温升的要求，可考虑设置冷却器、加热器等温控装置。根据系统压力调整和观测的要求，在液压泵出口、各个压力控制元件等处应设置测压点，多个测压点（一般不多于6个）可共用一块压力表，通过压力表开关实现测压点的转换，从而减少压力表的数量。

3.7 液压系统的组成以及原理图

波浪补偿器的力伺服液压系统原理如图6所示，构成此液压系统有三条液压回路：减压节流回路、力伺服液压控制回路、平衡回路+同步保压回路。利用减压节流回路来对液压回转装置进行刹车，当液压阀20得电时，液压马达将停止转动；利用力伺服液压控制回路来实现回转装置在减小起吊绳索所受交变载荷的前提下起吊重物；利用平衡回路+同步保压回路实现变幅装置中的的同步油缸稳定可靠地工作。此液压系统有轴向恒压变量柱塞泵和手动泵，当装置在工作时出现停电时，手动泵启用。

1液位计 2油箱 3空气过滤器 4、17、31、32吸油过滤器 5截止阀 6变量泵 7联轴器 8电动机 9 压力表组件10测力接头 11、16单向阀 12手动泵 13电磁溢流阀 14水冷却器 15回油过滤器 18节流阀 19减压阀 20、22电磁换向阀 21伺服阀 23同步马达 24液控单向阀 25平衡阀 26正反转马达 27马达刹车 28蓄能器 29 力传感器30放大器 33变幅油缸

4 结论

（1）本文总结现有的波浪补偿器的液压控制系统方案，提出了三种比较可行的波浪补偿器液压控制系统方案；

（2）对以上三种液压控制系统方案进行对比研究，阐述了波浪补偿器力伺服液压控制系统的优点；

（3）对波浪补偿器的力伺服液压控制系统进行研究，设计出力伺服液压系的统原理图。

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Study Of Force-Servo Hydraulic System for Wave Compensator

*ZHOU Ming-jian, SHI Liang-ma

（College of Electronic Engineering and Electrical Automation, Chaohu University, Chaohu , Anhui 238000, China)

With the exploitation of Marine resources, the operation performance of Marine engineering equipment is required more and higher. How to improve the security, stability and accuracy in the process of using the Marine engineering equipment has become an important study subject. Wave compensator as an important part of Marine engineering equipment, the study of the hydraulic control system is particularly important. Our purpose is to determine the wave force servo hydraulic control system is chosen as the compensator control scheme by studying of the typical hydraulic control systems for wave compensator and to design its force servo hydraulic system schematic diagram. The scheme not only reduce alternating load of lifting rope, but also compensate velocity of lifting good influenced by the wave on the sea, which can ensure safety of personnel and material in offshore operation and provide new ideas of developing a new type of the marine engineering equipment that owns active wave compensation function.

wave compensator; hydraulic control system; force servo hydraulic control system；alternating load

TH137.5

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.04.014

1674-8085(2014)04-0062-05

2014-03-20；

2014-04-15

*周明健(1987-)，男，安徽宁国人，助教，主要从事流体传动与控制研究(E-mail:zhoumingjian88@126.com);

史良马(1966-)，男，安徽巢湖人，教授，主要从事物理学研究(E-mail:slm428@shu.edu.cn)