課程設(shè)計（論文）波浪補償起重機液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

1、遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計論文波浪補償起重機液壓控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要波浪補償起重機是遠洋運輸補給船首選的其中設(shè)備。隨著我國綜合國力的強大和海洋開發(fā)的日益增多，海上作業(yè)日趨頻繁，對鉆井平臺等深海作業(yè)的人員和設(shè)備的補給也越來越重要。而且，隨著我國海軍力量的強大，海上補給海軍不對的補給問題也不容忽視。為了克服在海上補給船與接收艦船補給貨物時波浪運動引起兩船相對橫移和升沉，對吊裝作業(yè)造成不利影響，特別是對于一些軍用物資，具有極大危險性，絕對不允許這種情況發(fā)生，波浪補償起重機采用了電液比例控制技術(shù)。波浪補償起重機，通過臂架回轉(zhuǎn)和折臂補償兩船橫移，通過安裝在臂架上的測量索編碼器檢測兩船的相對升沉，補償缸驅(qū)動補

2、償絞車使貨物與接收艦船甲板間距離的變化，避免貨物與甲板突然碰撞而造成損失。關(guān)鍵詞：起重機；波浪補償系統(tǒng)；液壓驅(qū)動系統(tǒng)design of hydraulic control system for wave compensation craneabstractwave compensation crane is the first choice of ocean transportation supply ship equipment. with chinas comprehensive national strength of the powerful and marine developmen

3、t of growing, operations at sea is more and more frequent, and deep sea drilling platform to work the personnel and equipment supply is more and more important. and, with a powerful force of the chinese navy, marine supply navy wrong supply problems also not allow to ignore. in order to overcome sup

4、ply ship at sea and to receive the goods supply ship motion causing two ship relative move transversely and ups and downs, hoisting working to cause adverse effect, especially for some military material, which has a great danger, must not allow this happens, the wave compensation crane electroh-ydra

5、ulic proportional control technology. wave compensation cranes, through the arm frame and folding boom fill turn .key words: cranes; wave compensation system; hydraulic drive system 目 錄1緒論41.1波浪補償起重機在生產(chǎn)中的作用41.2波浪補償起重機的國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢51.3波浪補償起重機的基本組成62波浪補償起重機臂架的設(shè)計72.1波浪補償起重機臂架的設(shè)計要求及補償原理73 波浪補償起重機液壓部件的設(shè)計8

6、3.1 波浪補償起重機主臂液壓圖及分析83.2 波浪補償起重機副臂液壓圖及分析93.3 波浪補償起重機絞車起升液壓圖及分析103.4 波浪補償起重機臂架回轉(zhuǎn)液壓圖及分析113.5 波浪補償起重機蓄能液壓圖及分析124 波浪補償起重機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計134.1 液壓系統(tǒng)總圖及分析135 液壓缸設(shè)計155.1油缸泄漏與密封問題15課程設(shè)計的體會17參考文獻181緒論1.1波浪補償起重機在生產(chǎn)中的作用隨著我國綜合國力的強大和海洋開發(fā)的日益增多，海上作業(yè)日趨頻繁，對鉆井平臺等深海作業(yè)的人員和設(shè)備的補給也越來越重要。而且，隨著我國海軍力量的強大，海上補給海軍不對的補給問題也不容忽視。當兩船在海上進行貨物橫

7、向靠幫補給時 ,由于波浪作用 ,兩船的橫搖 ,縱搖以及升沉引起的相對運動 ,造成下放中的貨物與上升的船體發(fā)生碰撞 ,或已放落到甲板上的貨物由于船體的下沉出現(xiàn)再次懸空的現(xiàn)象 ,同時還將引起起吊繩索的拉力發(fā)生很大變化。為了確保吊裝的安全 ,需要使原起重機增加波浪補償功能 。波浪補償起重機工作條件多變 ,影響因素多 ,而且對快速響應(yīng)性 ,適應(yīng)性都有較高的要求 。波浪補償起重機的控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心 。良好的控制性能和可操作性是起重機安全作業(yè)的前提。1.2波浪補償起重機國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外波浪補償裝置的研究動態(tài)（1）國內(nèi)對波浪補償裝置的研究 我國在該項研究方面己進行了大量的研究工作并取得了一

8、系列重要成果。從國內(nèi)外現(xiàn)有研究情況看，絕大多數(shù)研究工作集中在鉛垂補償方面，水平面內(nèi)補 償研究較少。國內(nèi)現(xiàn)有的補償起貨機的工作原理都是通過測量裝置測得兩船的相 對運動（主要是垂直方向），將該運動的參數(shù)轉(zhuǎn)化成絞車的轉(zhuǎn)速變化從而達到 波浪補償?shù)淖饔谩?起重機防晃是個經(jīng)典的研究課題，過去人們把注意力集中在起重機上端滑輪 上，試圖在該位置增設(shè)一些附加機構(gòu)未抑制鋼繩的晃動。但是由于滑輪下端的鋼 繩與重物構(gòu)成一單擺系統(tǒng)，因此只在上端采取措施進行防晃，其效果并不明顯。 隨著信息技術(shù)、機器人技術(shù)等相關(guān)學科的發(fā)展，多學科的交叉與融臺，具有 更高準確性和可靠性的高性能起重機波浪補償裝置將會出現(xiàn)。（2）國外對波浪補償

9、裝置的研究 關(guān)于起重機海浪補償，國外己進行了大量的研究工作，美國、俄羅斯均已申 請了相關(guān)方面的專利，許多起重機己得到應(yīng)用（例如，美國sandia國家實驗室為美國海軍開發(fā)的補給艦起重機）。國外研究機構(gòu)主要以美國的研究工作為主導,他們在該方面的研究工作最早是在二戰(zhàn)后期開始的，當時還只是停留在理論層次的研究工作。后期開始轉(zhuǎn)入試驗研究，并開發(fā)出了一系列具有該功能的起重機（例 如，t-acs系列起重船）。國外研究機構(gòu)不僅在垂直方面對波浪補償進行了研究，而且在三維空問內(nèi)對波浪補償系統(tǒng)進行了研究開發(fā)。其中包括對負載的晃動控 制、相對高度補償?shù)?。相?yīng)的主動控制策略被用來控制船舶起貨機的負載晃動問題的研究已經(jīng)有

10、50多年的歷史了。 為了解決3d貨物過駁控制問題，主動式控制必須創(chuàng)造出不會引起貨物晃動 的過駁軌跡，能夠迅速衰減貨物的晃動，并且能夠補償由于船舶運動而引起起重 機的晃動。1985年star曾經(jīng)討論過開環(huán)控制自由晃動的問題。2002年singh以 及2004年kim和singh又迸一步的對該問題進行了討論。為防止操作者的操作 引起的晃動，sandia國家實驗室的parker、dihrman和robinett對在理論上的解 決方法進行了討論。1995年，parkeretal給出了一個更詳細的pcs控制流程圖。 1999年，sandia國家實驗室研首次在比例為1：16的運動試驗臺上對3d pcs控

11、制概念進行了證明并且進行了該控制算法的硬件模擬仿真。之后，在2002年10 月，他們在t-acs 5型船舶上安裝了首臺pcs控制系統(tǒng)。并且將該控制系統(tǒng)與 未安裝該系統(tǒng)的現(xiàn)有起重機進行了比較，安裝該系統(tǒng)的起重機表現(xiàn)明顯高與現(xiàn)有 起重機。操作者甚至可以在船舶搖晃角度達到30的情況下進行操作。wilson、star、parker與robinett等人提出了一種適應(yīng)方法來控制一種主動 式壓電柔性機構(gòu)。masoud、nayfeh以及aimousa在2003年提出了一種循環(huán)方 法來修正操作者的命令，從而防止貨物的晃動。 1.3波浪補償起重機的基本組成1 測量所編碼器； 2補償絞車； 3補償缸； 4-起貨絞

12、車； 5貨物 該波浪補償起重機的工作方式為綜合補償方式，解決艦船在海上由于波浪浮沉和橫移影響貨物裝卸，系統(tǒng)采用高低雙泵加蓄能器油源，有利于能量合理分配與使用。2波浪補償起重機臂架的設(shè)計2.1波浪補償起重機臂架等設(shè)計的基本要求1.液壓臂架公稱規(guī)格12.起升高度30m，最小工作半徑3m，最大工作半徑20m 標記為 y 12-30*3*20 gb/t 12g291 2.起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合 gb 3811的第三部分的要求，并滿足我國船舶檢驗局有關(guān)規(guī)范要求。3.起重機的設(shè)計必須滿足在傳播橫閾5和傾斜2同時發(fā)生的情況，能安全工作。4.起升機構(gòu)應(yīng)有鋼絲繩防松措施。根據(jù)綜合補償方式該波浪補償起重機工作原理

13、如下：綜合補償系統(tǒng)是將波浪垂向補償和橫向補償相結(jié)合的海洋吊機。補償裝置由升沉補償與防晃系統(tǒng)和位移測量系統(tǒng)組成。其升沉補償原理為：由位置測量裝置測得起重機末端對目標船橫向、縱向和垂向的相對位移增量，用橫向和縱向的增量來控制起重機吊鉤在水平面內(nèi)的位移，用垂向的增量來控制海浪補償油缸的位移。通過補償?shù)囊苿觼砜刂频蹉^的位移，最終保持作業(yè)船與目標船之間的瞬間相對距離不變，達到垂向補償?shù)哪康?。其防晃原理為：在重力作用下，并?lián)機構(gòu)對運動的平臺具有約束能力，即并聯(lián)機構(gòu)內(nèi)張力的合力總是與外力（外力矩）方向相反，從而達到抑制運動平臺相對固定平臺晃動的目的。安裝在臂架上的測量絞車用于測量兩船垂向的相對位移，與測量索

14、同軸安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，當兩船距離增大時，測量索被拉出，編碼器正轉(zhuǎn);當兩船距離減小時，測量索自動收緊，編碼器反轉(zhuǎn)，plc對編碼器計數(shù)從而測量兩船相對位移變化。當兩船垂向距離減小時，測量絞車的編碼器檢測位移變化，控制器采樣井經(jīng)計算后輸出比例閥開度信號，控制伺服汕缸伸出，則貨物被提升，提升的位移和速度與船距變化的位移和速度相同;而當兩船垂向距離增大時，貨物也以相同的位移及速度被放卜。此時，無論船體怎樣升沉，貨物相對接收船始終是靜止的，駕駛員操縱起貨絞車，貨物以勻速安全地降落到甲板上，從而實現(xiàn)了波浪補償。3 波浪補償起重機液壓部件的設(shè)計3.1 波浪補償起重機主臂液壓圖及分析10三位四通電液比例換向閥；

15、23，24平衡閥； 30主臂液壓缸主臂液壓缸30是由三位四通電液比例換向閥和平衡閥23，24以及液壓馬達的方向和流量控制的。當在左位通過時，經(jīng)過平衡閥24，主臂抬起。當在右位通過是，經(jīng)平衡閥23，主臂落下。其中單向閥的作用是防止因自身重力回油。為了減少負載變化對控制精度的影響，電液比例控制閥增益及斜率應(yīng)使用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)。3.2 波浪補償起重機副臂液壓圖及分析11三位四通電液比例換向閥； 25，26平衡閥； 31副臂液壓缸副臂液壓缸31為執(zhí)行器，由三位四通電液比例換向閥控制它的運動方向和速度。當在左位通過時，經(jīng)過平衡閥26，副臂抬起。當在右位通過是，經(jīng)平衡閥25，副臂落下。其中單向閥的作用

16、是防止因自身重力回油。為了減少負載變化對控制精度的影響，電液比例控制閥增益及斜率應(yīng)使用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)。3.3 波浪補償起重機絞車起升液壓圖及分析9三位四通電液比例換向閥； 21，22平衡閥； 29起升絞車液壓馬達起升絞車液壓馬達29為執(zhí)行器，由三位四通電液比例換向閥控制它的運動方向和速度。當在左位通過時，經(jīng)過平衡閥22，馬達帶動絞車提起重物。當在右位通過是，經(jīng)平衡閥23，馬達帶動絞車放下重物。其中單向閥的作用是防止因自身重力回油。為了減少負載變化對控制精度的影響，電液比例控制閥增益及斜率應(yīng)使用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)。3.4 波浪補償起重機臂架回轉(zhuǎn)液壓圖及分析8三位四通電液比例換向閥；19，20

17、平衡閥； 28回轉(zhuǎn)液壓馬達回轉(zhuǎn)液壓馬達28為執(zhí)行器，由三位四通電液比例換向閥控制它的運動方向和速度。當在左位通過時，經(jīng)過平衡閥19，馬達順時針方向回轉(zhuǎn)。當在右位通過是，經(jīng)平衡閥20，馬達逆時針方向回轉(zhuǎn)。其中單向閥的作用是防止因自身重力回油。為了減少負載變化對控制精度的影響，電液比例控制閥增益及斜率應(yīng)使用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)。3.5 波浪補償起重機蓄能液壓圖及分析7三位四通電液比例換向閥； 13，12單向節(jié)流閥； 14，15液控單向閥； 16單向閥； 17溢流閥； 18單向閥； 27補償液壓缸補償液壓缸27為執(zhí)行器，由三位四通電液比例換向閥控制它的運動方向和速度。當在左位通過時，經(jīng)過單向節(jié)流閥13

18、，補償液壓缸伸出。當在右位通過是，經(jīng)平衡閥12，補償液壓缸回縮。其中單向閥的作用是防止因自身重力回油。為了減少負載變化對控制精度的影響，電液比例控制閥增益及斜率應(yīng)使用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)。4 波浪補償起重機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計4.1 液壓系統(tǒng)總圖及分析1，2液壓泵； 3，4過濾器； 5，6溢流閥； 711三位四通電液比例換向閥； 12，13節(jié)流閥； 14，15液控單向閥； 16，18，33單向閥； 17溢流閥； 1926平衡閥； 27補償液壓缸； 28回轉(zhuǎn)液壓馬達； 29起升絞車液壓馬達； 30主臂液壓缸； 31副臂液壓缸液壓執(zhí)行器為主臂液壓缸30，副臂液壓缸31，補償液壓缸27，回轉(zhuǎn)液壓馬達28，起

19、升絞車液壓馬達29，分別由5個三位四通電液比例換向閥7-11控制他們的運動方向和速度，其中補償缸采用閉環(huán)控制。系統(tǒng)的油源為低壓大流量泵1和高壓小流量泵2，各泵吸油口設(shè)有過濾精度為8m的精過濾器3和4，液壓泵1和2的供油壓力分別由溢流閥5和6調(diào)定。泵1在波浪補償未啟動時為間歇工作制，工作時向回轉(zhuǎn)回路及蓄能器32供油，蓄能器壓力達到上限后停泵，回轉(zhuǎn)回路由蓄能器供油，蓄能器壓力低于下限時，泵1啟動供油，波浪補償啟動后自動轉(zhuǎn)換為連續(xù)工作制。主臂缸30，副臂缸31和起升絞車液壓馬達29控制回路分別由各回路的電液比例閥和平衡閥控制液壓缸及液壓馬達的方向和流量。為了減少負載變化對控制精度的影響，上述3個回路

20、電液比例閥控制閥電壓的增益及斜率采用軟件進行均衡和調(diào)節(jié)，控制器檢測起吊重量及操作手柄的方向，角度和變化速度，根據(jù)起吊重量調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益，并使起貨，副臂及主臂電液比例閥的增益成線性，減少負載變化的影響?；剞D(zhuǎn)液壓馬達28和補償缸27回路分別由各個路的電液比例閥控制其運動方向和速度。操作桿左右擺動時，回轉(zhuǎn)電液比例閥8經(jīng)平衡閥19或20驅(qū)動回轉(zhuǎn)液壓馬達28，電平控制曲線呈馬鞍形，油泵1直接供油或蓄能器32供油。高壓回路的蓄能器32有兩個作用，波浪補償未啟動時，停泵后由蓄能器保壓；波浪補償啟動時，用于減小系統(tǒng)沖擊，提高響應(yīng)速度。波浪補償電液比例閥為閉環(huán)控制，當貨物到達卸貨區(qū)域上方時，啟動波浪補償，貨物降落

21、到甲板后，關(guān)閉波浪補償。5 液壓缸設(shè)計5.1油缸泄漏與密封問題液壓傳動系統(tǒng)具有體積小、重量輕、比功率大、運行平穩(wěn)、可無級調(diào)速等優(yōu)點，在各種起重機上得到廣泛應(yīng)用。但液壓傳動系統(tǒng)的傳動效率低于其他傳動系統(tǒng)，易產(chǎn)生故障且故障的分析和排除比較困難。因此，要求使用維護人員具備一定的液壓系統(tǒng)基本知識工程機械液壓系統(tǒng)的泄漏主要有兩種，固定密封處泄漏和運動密封處泄漏，固定密封處泄漏的部位主要包括缸底、各管接頭的連接處等，運動密封處主要包括油缸活塞桿部位、多路閥閥桿等部位。從油液的泄漏上也可分為外泄漏和內(nèi)泄漏，外泄漏主要是指液壓油從系統(tǒng)泄漏到環(huán)境中，內(nèi)泄漏是指由于高低壓側(cè)的壓力差的存在以及密封件失效等原因，使液

22、壓油在系統(tǒng)內(nèi)部由高壓側(cè)流向低壓側(cè)。制造和裝配因素（1）制造因素 所有的液壓元件及密封部件都有嚴格的尺寸公差、表面處理、表面光潔度及形位公差等要求。如果在制造過程中超差，例如：油缸的活塞半徑、密封槽深度或?qū)挾?、裝密封圈的孔尺寸超差或因加工問題而造成失圓、本身有毛刺或有洼點、鍍鉻脫落等，密封件就會有變形、劃傷、壓死或壓不實等現(xiàn)象發(fā)生使其失去密封功能。（2）裝配因素液壓元件在裝配中應(yīng)杜絕野蠻操作，如果過度用力將使零件產(chǎn)生變形，特別是用銅棒等敲打缸體、密封法蘭等；裝配前應(yīng)對零件進行仔細檢查，裝配時應(yīng)將零件蘸少許液壓油，輕輕壓入，清洗時應(yīng)用柴油，特別是密封圈、防塵圈、o形圈等橡膠元件，如果用汽油則使其易

23、老化失去原有彈性，從而失去密封機能。 影響泄漏的原因（1）密封件的選擇液壓系統(tǒng)的可靠性，在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)密封的設(shè)計和密封件的選擇，由于設(shè)計中密封結(jié)構(gòu)選用不合理，密封件的選用不合乎規(guī)范，在設(shè)計中沒有考慮到液壓油與密封材料的相容型式、負載情況、極限壓力、工作速度大小、環(huán)境溫度的變化等。這些都在不同程度上直接或間接造成液壓系統(tǒng)泄漏。另外，由于工程機械的使用環(huán)境中具有塵埃和雜質(zhì)，所以在設(shè)計中要選用合適的防塵密封，避免塵埃等污物進入系統(tǒng)破壞密封、污染油液，從而產(chǎn)生泄漏。（2）其他設(shè)計原因設(shè)計中考慮到運動表面的幾何精度和粗糙度不夠全面以及在設(shè)計中沒有進行連接部位的強度校核等，這些都會在機械的工作

24、中引起泄漏。油液污染及零部件的損傷（1）氣體污染在大氣壓下，液壓油中可溶解10左右的空氣，在液壓系統(tǒng)的高壓下，在油液中會溶解更多的空氣或氣體?？諝庠谟鸵褐行纬蓺馀?，如果液壓支架在工作過程中在極短的時間內(nèi)，壓力在高低壓之間迅速變換就會使氣泡在高壓側(cè)產(chǎn)生高溫在低壓側(cè)發(fā)生爆裂，如果液壓系統(tǒng)的元件表面有凹點和損傷時，液壓油就會高速沖向元件表面加速表面的磨損，引起泄漏。（2）顆粒污染液壓油缸作為一些工程機械液壓系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，由于工作過程中活塞桿裸露在外直接和環(huán)境相接觸，雖然在導向套上裝有防塵圈及密封件等，但也難免將塵埃、污物帶入液壓系統(tǒng)，加速密封件和活塞桿等的劃傷和磨損，從而引起泄漏，顆粒污染為液壓元件損壞最快的因素之一。（3）零件損傷密封件是由耐油橡膠等材料制成，由于長時間的使用發(fā)生老化、龜裂、損傷等都會引起系統(tǒng)泄漏。如果零件在工作過程中受碰撞而損傷，會劃傷密封元件，從而造成泄漏。課程設(shè)計心得體會通過本次液壓系統(tǒng)課程設(shè)計，我們學到了許多書本上永遠都學不到的知識，這次設(shè)計使我們真正的明白了書本中的知識的內(nèi)涵。在設(shè)計開始時，我們到圖書館借書，大家都有很大的熱情，每個人都借好幾本書，然后我們聚集到一起開始設(shè)計。在設(shè)計中，我