（机械电子工程专业论文）高海况救助设备系统电液控制技术研究.pdf

同济大学硕二l 学位论文 摘篮 摘要 本文的研究建立在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所的“高海况打捞 设备系统”项目的基础上，设计了船用龙门起重机的纵向防摇装置。 首先对改进前、后的高海况打捞设备系统进行了对比，着重分析了其液压和 电气控制系统。设计了两套纵向防摇装置的改进方案，原理均是采用电液比例控 制方式，由角位移传感器采集的信号控制电液比例方向阀，进而控制液压缸活塞 杆的伸缩，以使起吊重物保持水平。并利用结构的几何关系推导了控制量的表达 式，阐述了控制原理，对比了方案的优缺点。然后对龙门摇摆起重机的防摇装置 的载荷进行了分析，求出了纵向防摇装置液压缸所受的最大力矩，确定了液压缸 的尺寸，选择了合适的电液比例方向阀和角位移传感器，并对液压系统进行了相 关计算。接着，对液压系统进行了数学建模，用m a t l a b 分析了其频域和时域性 能，并设计了合理的p i d 控制器。最后，对校正后的系统进行了仿真分析，从理 论上验证了纵向防摇装置的正确性和可操作性。 关键词：船用龙门摇摆起重机防摇装罱p i d 控制器 m a t l a b 仿真 1 司济人学坝i j 学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to ft h ef i s h e r ym e c h a n i c a lf a c i l i t y r e s e a r c hi n s t i t u t e ：“s a l v a g ee q u i p m e n ts y s t e ma ta b o m i n a b l es e ac o n d i t i o n ”i t d e s i g n st h el e n g t h w a y sa n t i - r o l l i n gc o m p e n s a t i v es e to fg a n t r ys w i n gc r a n ef o rs h i p f i r s t l y , i tc o n t r a s t st h ei m p r o v e ds a l v a g ee q u i p m e n ts y s t e ma ta b o m i n a b l es e a c o n d i t i o nw i t ht h ef o r m e ro n e ，a n a l y z e si t sh y d r a u l i ca n de l e c t r i cs y s t e m s e c o n d l y , d e s i g n st w ok i n d so fi m p r o v e dp l a n so ft h el e n g t h w a y sa n t i - r o l l i n gc o m p e n s a t i v es e t t h e yb o t hu s ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nv a l v et oc o n t r o lt h em o v e m e n t o fp i s t o nr o d so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，s ot h a tt h eh o i s t i n gl o a dc a nb ek e ：p t h o r i z o n t a l a n dc a l c u l a t e st h ec o n t r o l l e do b j e c t se q u a t i o n s ，e x p l a i n si t sc o n t r o l l i n g t h e o r y , c o n t r a s t st h es t r o n gp o i n t sa n dw e a kp o i n t so ft h et w op l a n s t h i r d l y , a n a l y s e s t h ef o r c e so nt h ea n t i - r o l l i n gs e to ft h eg a n t r ys w i n gc r a n e ，f i n d so u tt h es e r i o u s c o n d i t i o n ，t h e r e f o r e w o r k so u tt h es i z eo ft h e c y l i n d e r , c h o o s e sa p p r o p r i a t e p r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nv a l v ea n da l l g l es e n s o r , a n dc a l c u l a t e so nt h eh y d r a n l i cs y s t e m f i n a l l ym a k e sm a t h e m a t i cm o d e l i n go nt h eh y d r a u l i cs y s t e m ，w o r k so u ta p p r o p r i a t e p i dc o n t r o l l e rt o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e ，a n ds i m u l a t eo ni tu s i n gm a t i a b ， t h e r e f o r ev a l i d a t e si t sc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：g a n t r ys w i n g c r a n ef o rs h i p ；a n t i - r o l l i n gc o m p e n s a t i v es e t ； p i dc o n t r o l l e r ；m a t l a bs i m u l a t i o n i i 目济大学硕十学位论文第】章绪论 1 1 本课题背景概述 第1 章绪论 该课题是建立在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所的“高海况打捞设 备系统”项目的基础上，这是高海况救助设备方面的项目，属船舶工程领域，是 9 2 1 载人航天工程中着陆场系统中的项目。根据“载人航天9 2 1 工程”总体要求， 为了确保航天员的生命安全，着陆场系统必须考虑各种应急救生情况下的营救方 法和手段。当返回舱应急溅落在4 6 级海况的大海对，应能够将返回舱及时、 安全、有效的捕获、起吊至打捞船上，固定好打捞上船的返回舱，并及时救援航 天员。项目从2 0 0 1 年3 月开始正式进入产品的研制，至目前已完成三套离海况 救助设备的制造。2 0 0 3 年9 月，三套高海况救助设备分别安装于交通部打捞局 “德意”、“德鲲”和“北海1 0 2 ”拖轮上，参加了高海况救助模拟返回舱全天候 试验，以及顺利执行9 2 1 - - 0 5 发射应急任务。重复性试验验证了本项目的打捞方 法可行，技术设计科学、合理、可操作性强、模块化设计方便了船舶选用和设备 装拆、节省建设及运行经费等特点。 图1 1 高海况打捞设备系统 同济大学硕士学位沦文第1 章绪论 如图1 1 所示，“高海况打捞设备系统”包括：回转拦截臂、打捞网、龙门 摇摆起重机、返回座架及操作平台监视系统、电气控制系统。 1 2 龙门摇摆起重机简介 1 2 1 龙门摇摆起重机组成 如前述，“高海况打捞设备系统”包括：龙门摇摆起重机、回转拦截臂、打 捞网、返回座架及操作平台监视系统、电气控制系统。 如图1 2 ( a ) 、( b ) 所示，龙门摇摆起重机在4 6 级海况下打捞3 3 t 重的漂 浮物。它由龙门架( 1 ) 、横向防摇装置( 2 ) 、纵向防摇装置( 3 ) 、龙门架座架( 5 ) 、 摇摆交幅油缸( 6 ) 、起吊绞机、龙门架摇摆限位保险装置、公共底座、甲板安装 底座及液压系统等组成，由统一泵站供给动力。图中( 4 ) 为打捞物。 图1 2 ( a ) 龙门摇摆起重机正视图 i 司济大学硼士学位论文第1 章绪论 如图11 所示，“高海况打捞设备系统”包括：回转拦截臂、打捞网、龙门 摇摆起重机、返回座架及操作平台监视系统、电气控制系统。 1 2 龙门摇摆起重机简介 1 2 1 龙门摇摆起重机组成 如前述，“高海况打捞设备系统”包括：龙门摇摆起重机、回转拦截臂、打 捞网、返到座架及操作平台监视系统、电气控制系统。 如图1 2 ( a ) 、( b ) 所示，龙门摇摆起重机在4 6 级海况下打捞3 3 t 重的漂 浮物。它由龙门架( 1 ) 、横向防摇装置( 2 ) 、纵向防摇装置( 3 ) 、龙门架座架( 5 ) 、 摇摆变幅油缸( 6 ) 、起吊绞机、龙门架摇摆限位保险装置、公共底座、甲板安装 底座及液压系统等组成，由统一泵站供给动力。图中( 4 ) 为打捞物。 底座及液压系统等组成，由统一泵站供给动力。圈中( 4 ) 为打捞物。 圈1 2 ( a ) 龙l j 摇摆起重机l 【：视幽 同济人学碗士学位论文第1 章绪论 7 氟 纵吼 、 一。 嗡蘩。确噫蠢t 专一 图1 2 ( b ) 龙门摇摆起重机侧视图 图中：1 龙门架2 横向防摇装置3 纵向防摇装置4 打捞物5 龙门架座架6 龙门架摆幅 液压缸 说明：图中的纵向防摇装置为原有的结构，在第4 章中将阐述对其的改进方案。 1 2 2 龙门摇摆起重机工作原理 图1 3 龙门摇摆起重机摆幅某个角度时的丁作情况 龙门摇摆超重机安装在船后甲板上 时摆出船外，在这个位置对返回舱起吊 面向船尾，不工作时摆向船内，要起吊 受船横摇的影响最小，龙门架上设有横 向防摇装置，r u 以在龙门架摆动时，防止因船横摇造成的返回舱横向晃动，有利 3 问济人学碗i 学位论文 笫1 章结论 于起吊过程对返回舱摇晃的控制和下放时对准座架的中心位置。 启动摇摆油缸将龙门架摆向船外的起吊位置，启动防纵摇绞机拉紧绳索，返 回舱移动到船尾后，然后将返回舱吊起，被横向防摇装置卡牢后起吊绞机停车， 再将龙门架摆动到船内。门架变幅使返回舱到达座架正上方时开始放下返回舱， 使之进到座架桶内。 如图1 - 3 所示为龙门摇摆超重机摆幅到某个角度时的工作情况。 1 2 3 相关作业参数 其作业的条件和相关参数如下： 海况：4 6 级，7 级风速为1 3 9 1 7 2 m s ， 船摇：横摇庐= 3 0 0 ，纵摇妒= 6 0 横摇周期：i - l l s ，纵摇l 一5 5 s ，垂荡周期瓦一5 5 s 。 技术参数： 使用工况：s 6 级海况 安全起升载荷：s 6 级海况下起吊3 6 3 t 起升速度：0 4 6 m s 起吊摇摆角度：5 0 0 ( 向船尾方向) 4 0 0 ( 向船首方向) 起吊摇摆9 0 0 拉回时间：7 1 s 起吊摇摆9 0 0 推出时间： 1 0 4 s 液压油缸额定工作压力= 1 7 m p a 液压油缸额定流量：q = 1 6 0 l m i n 起吊绞机平均线速度：0 4 6 m s 起吊绞机液压系统额定压力：尸一1 8 m p a 起吊绞机液压系统最大压力：己。t2 0 m p a 起吊绞机额定流量：q = 2 8 0 l m i n 起吊绞机额定拉力：f 一1 3 0 k n 纵摇限摆绞机额定压力、流量：e 一1 8 m p a ，q - 1 2 0 l m i n 纵摇限摆绞机额定拉力：f = 4 0 k n 1 3 补偿防摇装置概况” 高海况救助设备及波浪补偿器国内外有研究，也已取得科研成果，主要应用 于船舶设备在高海况条件下救助以及超重或海上补给作业。如挪威h y d r a l i f t 公 司生产1 6 0 t 的起重机采用波浪补偿器后，可以在相当恶劣的海况条件下安全作 4 同济人学坝 j 学位论义第1 章绪论 业。在我国主要用于军工产品，而且主要使用在小吨位设备上。目前国内外在这 方面的技术主要集中在控制领域的研究，采用现代计算机技术，结合液压传动技 术，实现控制设备的高速响应自动控制安全运行。 图1 4 为h y d r a l i f t 公司的1 6 0 t 带自动波浪补偿器的h y d r a l i f t 起重机的作业 情况。 图1 4h y d r a l i f t 起重机的作业情况 图1 5 水下载荷波动曲线 图1 5 为带自动波浪补偿器的h y d r a l l f t 起重机及收放装置操作的水下载荷 的波动曲线。 起重机和收放装置的自动波浪补偿，或以液压油缸作为自动波浪补偿器，或 将自动波浪补偿器直接安装在绞车上。凡自带波浪补偿器的h y d r a l i f t 起重机， 可于下述四种模式工作： ( 1 ) 常规模式，由操作者直接操作手柄控制绞车和吊钩运动。 ( 2 ) 自动波浪补偿模式，由计算机控制液压油缸或自动波浪补偿器，使水下载 荷在“起重机工作点”处垂直方向上的波动值降至最小。 ( 3 ) 恒张力模式，于海底突加载荷时仍维持钢索张力在设定值上。 ( 4 ) 空载补偿模式，于舰船激烈上下升沉时吊钩卸放或系固载荷时用。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 在恶劣海况条件下，救助落水人员及漂浮的重要物品，一般要求救助过程中 严禁硬性碰撞，以防损坏物品或影响被救人员生命安全。这就要求设计专用救助 设备，且系统安全性能好，设备运行可靠。目前系统中龙门摇摆起重机已设计有 同济大学硕士学位论文第1 章绪论 横向防摇及纵向防摇装置，该装置为静态补偿。系统缺少恶劣海况条件下设备作 业时的波浪补偿作用，为此本课题对纵向防摇装置进行改进，提高防摇效果，并 拓展了该系统的使用范围及其对恶劣海况的适应能力。 该技术研制成功可以为我国救助的专业水平提供技术支持，市场前景相当广 阔，可以体现良好的社会效益。 作者在该课题的研究中，主要做了以下工作： ( 1 ) 理解渔机所研制的“高海况打捞设备系统”。在课题的进行中，由于该所 对系统作了改进，所以本文对比分析了改进前、后的液压及电气控制系统，为本 课题的研究工作打好基础。纵向防摇装置的改进设计是在改进后系统上进行的。 ( 2 ) 设计了两套纵向防摇装置的改进方案，包括机械和液压控制部分。利用结 构的几何关系推导了控制量的计算式，并阐述了控制原理，对比了方案的优缺点。 ( 3 ) 对龙门摇摆起重机的防摇装置的载荷进行了分析，求出了纵向防摇装置液 压缸所受的最大力矩，确定了液压缸的尺寸、选择了合适的电液t b 例方向阀和角 位移传感器，并进行了流量等的计算。 ( 4 ) 通过对电液比例方向阀、液压缸和角位移传感器的分析，建立了纵向防摇 装置的数学模型，并代入了元件的实际参数，得出了简化的系统方框图。 ( 5 ) 利用m a t l a b 分析了系统的频域和时域性能，并设计了合理的p i d 控制器。 接着对校正后的系统进行了仿真分析，从理论上验证了纵向防摇装置的正确性和 可操作性。 同济人学硕 j 学位论文 第2 章液雕系统分析 第2 章液压系统分析 2 1改进前龙门摇摆起重机液压系统原理分析 本设备主要动作有龙门架来回摆幅9 0 。；起吊绞机起升、下降和停止( 起吊 返回舱) ；纵摇限摆绞机来回转动来拉紧和放松防摇绳。以上运动均为液压驱动， 由各设备上的手动比例复合阀或集中控制室内的按钮( 控制电液换向阀) 进行操 作，分别实现手动和电控，两者为并联控制。另外与之相关的动作还有操作平台 的升降、开合，以及座架的夹紧。系统由公共泵站供油，经操作阀控制，再到各 驱动设备( 油马达或液压油缸) 。 2 1 1 摆幅与起吊液压系统原理 图2 1 起吊绞机与龙门架摆幅液压原理图 图中：1 起吊绞机2 龙门架摆幅油缸3 和5 电液换向阀4 雨i6 手动比例复合阀 7 同济人学坝士学位论文 第2 章液压系统分析 如图2 1 所示为起吊绞机( 1 ) 和龙门架摆幅油缸( 2 ) 的液压原理图。 起吊绞机工作原理：当电液换向阀( 3 ) 处于断电状态时，手动比例复合阀 ( 4 ) 的手柄向前推动，此时压力油进入起吊绞机油马达，起吊绞机油马达开始 转动( 起升货物) ，手柄推动的距离越大，进油量增加越多，油马达转速加快， 起吊速度越快，手动比例复合阀可以无级控制油马达的转速，手柄向后拉动，起 吊绞机油马达反向转动( 放下货物) ，手柄回到中位则起吊绞机油马达停止工作， 并在刹车装置作用下制动。其电控操作在集中控制室内进行，手动比例复合阀手 柄在中位，电液换向阀通过三只按钮通、断电，控制分上升、停止、下降三档， 这时起吊绞机动作和手动操作相同，但起吊速度另一组按钮通过改变变量油泵的 供油量大小来控制起吊绞机油马达的转速。 龙门架摇摆由龙门架摆幅油缸( 2 ) 控制。电液换向阀( 5 ) 处于断电状态时， 手动比例复合阀( 6 ) 的手柄向前推动，压力油进入液压缸，液压缸活塞杆伸出， 龙门架向前摆动( 向船尾) ，手柄推动的距离越大，液压缸进油量增加，龙门架 向前摆动越快，手动比例复合阀可以无级控制液压缸的伸缩量；手柄拉回到中位 则双向缓冲液压锁自锁定液压油缸进出油路，确保液压油缸在油路失压情况下仍 保持失压前的状态；手柄向后拉动，液压缸活塞杆缩回，龙门架向后摆动( 向船 首) 。其电控操作在集中控制室内进行，手动比例复合阀手柄在中位，电液换向 阀通过三只按钮通、断电，控制分液压缸伸出、停止、收缩三档，这时液压缸动 作和手动操作相同，但活塞杆移动速度得由另一组按钮控制改变变量油泵的供油 量大小来控制活塞杆的移动速度。 2 1 2 辅助绞机液压系统原理 辅助绞机包括：前张紧索、左曳纲、抽缝合绳、纵摇限位、后张紧绳绞机。 纵摇限位绞机用于在起吊装置纵向摇摆时用铰绳牵扯住它，使摇摆不超过一定角 度，不碰触平台。抽缝合绳绞机用于搜捕到打捞物后，将网袋与网身分离。图 2 2 为纵摇限位、后张紧索、抽缝合绳绞机的液压原理图。 h 济人学硕士学位论文 第2 章液肤系统分析 图2 2 纵摇限位、后张紧索与抽缝合绳绞机液压原理图 图中1 纵摇限位绞机2 后张紧索绞机3 抽缝合绳绞机 2 1 3 操作平台液压系统原理 图2 3 夹紧油缸、平台油缸与升降油缸液压原理剧 目c f ，1 夹紧油缸2 平台油缸3 升降油缸 9 订口n 氆一 同济人学删卜学位论文 第2 章液压系统分析 操作平台由平台油缸控制，分为左平台、右平台，控制平台两侧合上或打开， 以使打捞物能放进返回座架中。升降机由升降油缸控制，用于使返回座架平台升 降。座架央紧由夹紧油缸控制，分为前左夹紧、后左夹紧、前右夹紧、后右央紧， 由四个油缸分别操控，当打捞物放进返回座架中后，油缸伸出，夹紧打捞物。如 如图2 3 所示为夹紧油缸、平台油缸与升降油缸的液压原理图。 2 2 液压系统整体分析 打捞网液压系统参数如下： 系统额定压力：2 0 m p a 系统控制压力：5 m p a 系统最大流量：2 4 0 l m i n 此系统由3 台变量泵供油。1 # 与2 # 泵型号相同。如图2 4 所示。 图2 4 液压系统泵站 当电磁铁1 d t 、2 d t 处于图示位置时，1 # 泵供油流向前张紧索、左曳纲、 起吊绞机的手动比例复合阀，以及提上纲绞机中的手动多路换向阀中，实现手动 控制。以上油路为串联连接，其中手动多路换向阀为并联油路多路换向阀。分析 时可参见图2 1 、图2 2 、图2 3 。 当电磁铁2 d t 得电时，泵源的油液分别流向以上各部分相应的电液换向阀 中，实现电控。 当电磁铁1 d t 、3 d t 处于图示位置时，2 # 泵供油流向抽缝合绳、后张紧索、 纵摇限位绞机，龙门架摆幅油缸、升降油缸的手动比例复合阀，以及平台油缸和 火紧油缸的手动多路换向阀中，以上油路为串联连接，其中手动多路换向阀为并 1 0 济大学硕十学位论文 第2 章液扯系统分析 联油路多路换向阀。 当电磁铁3 d t 得电时，泵源的油液分别流向以上各部分相应的电液换向阀 中，实现电控。 当电磁铁1 d t 得电时实现1 # 泵组与2 # 泵组互换。 手动比例复合阀或电液换向阀处于不同的工作位置时分别实现相应绞机的 钢丝绳的收、放动作。 另外系统可实现1 # 与2 # 泵合流对起吊绞机及其以后油路的机构供油。 3 # 泵提供控制油源。 2 3 改进后的液压系统分析 2 3 1 改进后液压系统撅述 改进后的液压系统与原液压系统各部分功能一致，但实现的方式上有了很大 的改进。原液压系统是采用手动换向阀、电液换向阀和二位三通电磁换向阀的组 合来实现对各部分手控和电控两种方式的操纵。丽改进后的系统则是用比例多路 阀来实现不同操纵方式的切换。 改进后的系统，由于几个绞机或液压缸可共用一个比例多路换向组阀，系统 结构大为简化、清晰。由于比例多路换向阀负载敏感的功能，系统效率提高，功 率损失减小。 2 3 2 各部分液压系统原理简介 前张紧索、左曳纲绞机使用同一组比例多路换向阀( 图略) 。 抽缝合绳( 1 ) 、后张紧索( 2 ) 、纵摇限位绞机( 3 ) 使用同一组比例多路换 向阀( 4 ) 。如图2 5 所示。 拦截臂变幅绞机、拦截臂回转装置、右曳纲绞机、提上纲绞机使用同组比 例多路换向阀( 图略) 。 起吊绞机( 5 ) 、龙门架摆幅油缸( 6 ) 、升降油缸( 7 ) 、平台油缸( 8 ) 、夹紧 油缸( 9 ) 使用同。组比例多路换向阀( 1 0 ) 。如图2 6 所示。 剧济大学颂 学位论文 第2 章液压系统分析 图2 5 抽缝合绳、后张紧索与纵摇限位绞机液压原理图 图中：1 抽缝合绳绞机2 后张紧索绞机3 纵摇限位绞机4 比例多路换向阀 同济人学坝：l 学位论文 第2 章液压系统分析 1 图2 6 龙门架摆幅油缸、起吊绞机，升降、平台、夹紧油缸液压原理图 图中：5 起吊绞机6 龙门架摆幅油缸7 升降油缸8 平台油缸9 夹紧油缸1 0 比例多路换向 蒯 同济人学硕十学位论文 第2 章液乐系统分析 2 4 改进后液压系统中比例多路阀的使用 2 41 l ：v f f l l 多路阀简介。3 多路换向阀是由两个以上手动换向阀为主体，并可根据不同的工作要求加上 安全阀、单向阀、补油阀等辅助装置构成的多路组合阀。具有结构紧凑、通用性 强、流量特性好、一阀多能、不易泄漏以及制造简单等特点，常用于起重运输机 械、工程机械及其它行走机械的操纵机构。 由于多路阀构成的液压系统所采用的调速方法大多属于节流调速( 包括带与 不带压力补偿器两种) ，当多路阀所控制的执行机构功率较大时就会出现较大的 功率损失。为克服这一点，出现了负载敏感多路阀。 负载敏感多路阀可同时操纵几个执行机构。这种阀的关键是设置了感知各联 阀所控制的执行机构负载压力大小的负载敏感通道。其中梭阀选择出最大的负载 压力，用于控制泵输出油液的压力。 并联油路多路换向阀中，各单阀之间的进油路并联。滑阀可各自独立操作， 系统压力由最小负载的机构决定，当同时操作两个或两个以上滑阀时，负载轻的 工作机构先动作，此时分配到各执行元件的油液仅是泵流量的一部分。当一个多 路阀控制的执行机构可能有多个同时动作，那么为保证各执行机构的动作互不干 扰，各联阀均需带二通压力补偿器( 定差减压阀) 。它能保持各联阀的阀芯前后 压差为常数，使进入执行机构的流量仅与阀芯位置有关，而与泵输出压力及负载 压力无关。 2 4 2p s l 型比例多路换向阀的负载敏感原理 此系统使用的是h a w e 公司的p s l 型负载反馈式比例多路换向阀，如图2 7 所示。 在2 5 1 节中简要介绍了e b 例多路阀的负载敏感原理，下面对于p s l 型比例 多路换向阀，进行具体的说明。 在l s 信号( 负载压力) 通路上有梭阀( 1 ) 。这些梭阀位于各个l s 通路和 主l s 通路( 2 ) 之间的连接处，由于对面的压力大小不同，它们或是开启或是 关闭，当单独的l s 通路( 3 ) 关闭时，主l s 通路上的最高压力不能流入，因而 在主通路上不会产生任何压降。 在各联单阀中装有二通压力补偿器( 4 ) ，它计量着进入的油液。这些二通压 力补偿器位于滑阀的上游，可以视为初试调节阀。滑阀上的锥形控制边缘用做j 次计量装置。冈为处于下游的梭阀( 1 ) 能够防l 卜较高的l s 信号从主l s 通路( 2 ) 1 4 确济大学颂 。学位论文 第2 章液压系统分析 进入，因而二通压力补偿器仅仅接收它本身的那个阀片的1 5 信号，并根据这个 l s 信号不断地调整起环状间隙，以便校正系统压力( 5 ) 和执行元件所需压力之 间的压差。因而，对较小负载的阀片也能实现比例控制。 由于装着梭阀( 1 ) ，连接块中的三通流量调节阀( 6 ) 只接受最大负载阀片 的l s 信号，因而它将调整到提供所有动作的执行元件所需要的总流量( 连接块 是p s l 比例多路换向阀的功能组件之一，将在下节中介绍) 。 p s l 比例多路换向阀用于控制液压执行元件的运动方向和速度，这种控制 是无级的，并且不受负载的影响。为此，可使多个执行元件同时并相互独立地以不 同的速度和压力工作，直到所有部分流量的总和达到泵的流量为止。 图2 7p s l 型负载敏感式比例多路换向阀 图中：1 ，梭阀2 主l s 通路3 单片阀的l s 通路4 二通压力补偿器5 系统压力6 三通流 量调节阀7 负载压力( l s 信号) 的采集点 2 4 3p s l 型比例多路换向阀的结构与功能 p s l 型比例多路换向阀是种组合式阀，由以下三种功能组件组成。如图2 8 所示，与泵源连接的为连接块( 左侧) ，中间是比例换向阀，右边是终端块。 一、连接块组件 在连接块中主要介绍三通流量调节阀( 参见2 4 2 节和图2 7 ) 。在液压系统 中要能够与其变化的负载无关的控制执行元件的流量，该流量应当保持恒定，或 硎济大学碗l 擘伉论文 第2 章液胜系统分析 是按照一个任意的比例控制信号以最小滞后进行变化。这就需要一个控制机构一 三通流量调节阀，使流量在工作期间与变化的负载持续的匹配。 在相同的压差下，节流口面积越大流量越大，通过三通流量阀可以保持节 流口两端的压差恒定。节流阀的压差只决定于弹簧力大小，不受负载影响。多余 流量由三通阀分流回油箱。 棚撇 图2 8p s l 型比例多路阀结构图 二、比例换向滑阀组件 1 特殊的控制锥角设计：信号节流孔将执行元件的压力和系统泵侧之间的压差 提供给二通压力补偿器，此外在执行元件侧的最大负载压力提供给连接块中 的三通流量阀。 2 二通压力补偿器，参见2 4 2 节。 3 梭阀：如果只有一个滑阀动作，它便启开通往l s 通路。如果有2 个以上的 滑阀动作，它就给较高压力的l s 信号启开通路，而关闭另一条l s 信号( 较 低压力) 的通路。 4 独立负载控制 三、终端块组件 终端块在阀块组合的终端，它的功能是连接整个阀组，为下组阀做过渡。 由上述可见，使用比例多路阀有以下优点： 1 无级控制，与负载变化无关； 2 满足多个执行元件同时工作； 3 提高液压系统效率，减少发热； 4 对系统有减振作用，使系统更平稳。 矧济大学碳士学位论文 第2 章液压系统分析 另外，还可以节省安装空间，减轻整机熏量等。 2 5 本章小结 本章首先对高海况打捞设备系统中最重要的组成部分一龙门摇摆起重机进 行了介绍，描述了其组成结构、工作原理等。并对本文的重点研究对象一横向防 摇装置、纵向限摆装置在图上作了标明，便于进一步分析。 龙门摇摆起重机的主要动作有龙门架来回摆幅；起吊绞机起升、下降和停止 ( 起吊返回舱) ：纵摇限摆绞机来回转动来拉紧和放松防摇绳。另外与之相关的 还有操作平台的升降、开合以及座架的夹紧。因此，接下来，重点分析了它们的 液压原理。然后简要分析了液压系统的整体结构和功能。 本章从2 4 节开始对改进后的液压系统进行分析。改进后的液压系统采用比 例多路阀来实现手动和电控的操作。共使用了4 组比例多路阀，每一组都由几个 铰机或油缸来共用，简化了系统结构。接着对采用的h a w e 公司的p s l 型负载 反馈式比例多路换向阀进行了介绍，重点阐述了负载敏感原理，阀的组件和功能。 下面对改进前后的液压系统的不同点以列表的方式列出，便于更清晰的了 解。 表2 1 改进前后的液压系统的不同点 改进前改进后 采用手动复合比例阀和电液换向阀实现手控采用比例多路换向阀，同时具有手控和电控 和电控操作；的功能。 用到的液压元件多，系统比较复杂；由于多个执行元件可共用一个比例多路换向 组阀，系统结构大为简化、清晰。 实现各部分功能的油路之间采用串联连接，由于负载敏感的功能，多个执行元件可间时 功率损失较大；工作：且液压系统效率提高，功率损失减小。 开关阀下作时对系统的冲击大。比例电磁铁的动作使系统稳定，且调速方便。 | i i j 济大学预卜学位论文 第3 章电气控制系统分析 3 1p l c 简介4 1 第3 章电气控制系统分析 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l i e r ) 可编程控制器是一种以计算机技术为 基础的新型工业控制装鬣。p l c 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通 用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来， 控制器硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控 制器的用户程序存储器内。 p l c 的结构主要由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r a m 及r o m ) 、输入输出单元 ( u o ) 、电源和编程器等几部分组成，其结构框图如图3 1 所示。 # 钮一 用户程序存储器 输 系 琵程序存储器 输 触点 出 可 望当 = = = = j ，出卑孙瑚鸶彳陶 l 斗关， 元 元 r 1 审撙 l 1 1 w j l 亘缉韭望劐罡 图3 1p l c 结构框图 p l c 采用循环扫描的工作方式，这个过程可分为内部处理、通信服务、输入 处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需的时间称为扫描周 期。p l c 处于停止运行( s t o p ) 状态时，只完成内部处理和通信服务工作。p l c 处 于运行状态时( r u n ) ，除完成上述操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出 处理工作。 3 ，2 改进前控制系统分析 同济大学硕十学位论文 美釜 嚣 蓥 襄 找 冒 图3 2 改进前p l c 电气控制局部原理图 第3 章l u 气摔制系统分析 纠 霪 掣黼0 百蝻。 蒂卑堡=蔷一 瓣摧崔妲 蜊挺摧柱 石五l拧磊塑 剐济人学坝士学位论文 第3 章电气控制系统分析 改进前控制系统采用三菱公司的f x 2 n 1 2 8 m r 型p l c 控制。实现的功能包 括：外控制动控制( 前张放缆、后张放缆、回转刹车松开) ；辅助绞机操作( 前 张紧绳、左曳纲、抽缝合绳、纵摇限摆铰机的收、停、放) ；回转拦截臂操作； 龙门吊操作( 门吊变幅、起重铰机的收、停、放) ；泵组的操作( 1 、2 、3 # 泵的 启动、停，以及泵组互换，合泵供油，两级变速) 。图3 2 为改进前p l c 电气控 制系统的局部原理图。 3 3 改进后系统的控制器- - p l v c 4 改进后的高海况打捞设备系统采用h a w e 公司的p l v c 4 作为控制器。p l v c ( p r o g r a m m a b l el o g i cv a l v ec o n t r 0 1 ) 可编程总线控制器，是与前述的h a w e 的 比例多路阀匹配的产品。p l v c 4 阀用可编程控制器，是一种综合的p l c 型( 可 编程控制) 微电子控制器，用于行走式和固定式液压设备，涉及广泛的工程领域。 不同的控制任务由以下各部分实现： 模块化系统，带扩展模块和可选模块 基块 扩展模块( 附加的输入输出) 文本显示，用于诊断和初始化设置( 通过c a n 总线) 下面来介绍一下它的主要性能参数 基块p l v c 4 4 路模拟量输入( 用于操纵杆、电位计和模拟信号压力传感器等) 3 路数字量输入( 用于行程开关、按钮开关、按键等) 3 组频率信号输入( 用于轴编码器、转速计等) 应急停止信号 r s 2 3 2 和c a n 总线的接口 4 路输出，用于比例阀或开关阀( 电流控制) 1 路模拟量输出0 1 0 vd c 1 路可编程辅助电压输出，5 v ，d c ，最大1 5 0 m a ( 提供操纵杆、电位计等 的电源) 3 个过电保护输出信号 电源1 0 一3 0 v d c ，最大5 a 扩展模块( p w m ) 8 路模拟量输入( 用丁操纵杆、电位汁和模拟信号压力传感器等) 8 路数字量输入( 用于行程开关、按钮开关、按键等) 同济人学硕士学位论文 第3 章l b 气控制系统分析 8 路p w m 输出用于比例或开关阀 电源1 0 一3 0 v d c ，最大5 a 扩展模块( i - p w m ) 8 路模拟量输入( 用于操纵杆、电位计和模拟信号压力传感器等) 8 路数字量输入( 用于行程开关、按钮丌关、按键等) 8 路过电保护输出信号，最大1 5 a 8 路用于发光二极管的输出信号，最大1 0 0 m a 电源1 0 - - 3 0 v d c ，最大5 a 在基本模块上最多可同时加3 个扩展模块，( 最多2 个相同的) 软件特点 通过i l 、f b d 或l d 语言对p l c 编程控制 工作时初始化设定 内置c a n 总线操作系统 3 4 改进后控制系统说明 幽3 3改进后系统中p l v c 可编程总线控制器的使刚 如图3 3 所示为p l v c 可编程控制器在改进后的电气系统中的使用。 同济大学硕十学位论文 第3 章电气拄制系统分析 如图3 4 为改进后的电气控制系统的原理示意图。 图3 4 系统电气控制示意图 同济人学硕士学位论文第3 章l u 气控制系统分柝 由图3 4 可见，改进后的电气控制系统由两个p l v c4 基块与各自的扩展模 块连接构成。两基块之间用c a n 总线连接。在第一个基块上还连接有p c 和触 摸屏。各基块及其扩展模块的模拟量输出分别控制比例多路阀的比例电磁铁。数 字量输出则分别控制各电磁换向阀电磁铁。 【髯 ；| ：p 酬磋_ _ i 正藿f| 匾 j x “ = r d h “ i h 叫 _ 陆 i i l 盛 ： 划匿一ie ： 州i 一 ”i 口_ - 扩 j e 口 蝰 。譬 州 ： ：。 莲e 卜_ 靳 暑。 掣。 l 。黯： 0 。 一 ； ! “ e：” ： 3 t， g 宙 i 5 5 2 1 竦 ；r l 堰l i ! 心鳙 u 。卧 盂j 1 jf t 瀚 。 1 僻4 t 怛鬓剿 蟒 ：5 ，。 滓 ： i “； 靖! i ：j 1 j 蝈： 努t 目性! 姊 【1 ，t e 。 脯 糍 靖 = j = il抽f 卜 整如 帆1 必： 一 5 i i ：l 细斗 7 广t r ：盛； 一 二r 寸r 。 。t - = i 。 ：卜f t ：； j l _ - 。 j _ _ 卜： ； r ，r i 盎静 i 一! ! 。 j 吲1 1 i d 一毒日j ff 喾r j _ _ _ b 一 j l 一4 番一 0 幢i 幢 - 同济大学颤 学位论文 第3 章i h 气控制系统分析 如图3 5 所示为基块的连接图。它的输出连接到触摸屏、起重绞车、门吊变 幅油缸的电位器等。另外与电源、扩展模块以及下一组p l v c 的基块连接。 3 5 触摸屏的使用 如图3 6 所示，改进后的“高海况打捞设备系统”使用的是p r o f a c e 的g p 系列触摸屏。g p 系列触摸屏工业图形显示器( 简称触摸屏) 是一种连接人类和 机器( 主要为p l c ) 的人机界丽，被称为p l c 的脸面。它是替代传统的控制面 板和键盘的智能化操作显示器。可用于参数的设置、数据的显示和存储，并以曲 线、动画等形式描绘自动化控制的过程。并可简化p l c 的控制程序。 图3 6p r o - f a c e 触摸屏在系统中的使用 与模拟仪表相比，操作台控制有如下优点： 体积变化小，几乎不占空间； 连线简单化； 能储存大量的数据： 通过标准的e t h e m e t 实现数据共享和机器的远程监控。 同济大学颂十学位论文 第3 章电气控制系统分析 g p 系列触摸屏的主要作用 监视：以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映p l c 的内部状态，存储器 数据，从而直观反映工业控制系统的流程、走向 控制：可以通过触摸来改变p l c 内部状态位、存储器数值，从而参与过程控制。 数据处理：通过标准的大容量c f 卡存储配方数据，实时采样的数据和历史报警 信息。还可以通过标准的e t h e r n e t 不增加工厂成本的情况下接入工厂现有的局域 网，从而实现数据共享和机器的远程监控。 3 6 本章小结 本章主要分析了电气控制系统。改进前控制系统采用三菱公司的 f x 2 n 1 2 8 m r 型p l c 控制。因此首先对p l c 进行了简要的介绍。接着对p l c 实现的控制系统的功能进行了描述，包括：外控制动控制；辅助绞机、回转拦截 臂、龙门吊以及泵组的操作。 改进后的电气控制系统采用 l 州e 公司的与比例多路阀匹配的产品p l v c 4 作为控制器。本章从3 - 3 节开始，首先介绍了p l v c 4 的结构和功能，然后据图 对改进后的系统进行了概括分析，它由两个p l v c 4 基块与各自的扩展模块连接 构成。然后对图形显示设备触摸屏的功能作了介绍。 同济大学 j i i 卜学位论史 第4 章纵向防摇装置设计 第4 章纵向防摇装置设计 4 1横向防摇装置的结构 由于纵向防摇装置的作用是限制横向防摇装置及其所吊打捞物的摆动，所以 先介绍后者的结构，参见图4 1 ，它由防摇爪( 1 ) 、支承盘( 2 ) 、支承杆( 3 ) 、 支承架( 4 ) 等组成。支承盘下部设有四只可转动的防摇爪。支承杆两端为铰支 承，使支承杆只受拉或压力的作用；装置左、右上端设有支承架、支承架转座、 支承架轴承、支承架轴，使龙门架摆动时支承盘平面保持与甲板平行，在船舶横 摇以及打捞物在不同起吊姿态起吊时，能防止打捞物横向摇摆。 图4 1 横向防摇装置示意图 图中：1 防摇爪2 支承盘3 支承杆4 支承架 说明：图中标明了横向摇摆的方向。而纵向摇摆是垂直于纸面的，该图中未标出。请参见图 2 1 ( a ) 和2 1 ( b ) 中关于方向的标识。 4 2 原有纵向防摇装置的原理和特点 原有的纵向防摇装置采用液压绞车的形式，参见图2 1 。当横向防摇装置支 承盘向船尾摆动时，由绞机起吊给予防摇绳一定的拉力，即可控制沿船尾和沿船 首方向的摆动，能减少横向防摇装置的纵向摆动量。横向防摇装置支承盘与龙门 架有保险绳连接，当龙门架向船首摆动3 8 0 时，保险绳控制支承盘，不让它再向 船首方向摆动，使打捞物不会触碰操作平台。 耐济久学碳上学位论文第4 章纵向舫摇装营设 可见原有的纵向防摇装置为静态补偿，它不能随着支承盘摇摆角度的变化而 对其进行动态补偿限摆，所以有必要对其进行改进。 4 3 纵向防摇装置的改进设计 4 3 1 设计方案1 作者设计了两个纵向防摇装置的改进方案。下面先来说明方案1 。 改进后的纵向防摇装置，机械设计方案如图4 2 所示。采用电液比例阀控制 液压缸的形式进行补偿。在龙门摇摆起重机的横梁上安一个支架。支承盘与横梁 之间前后分别安装一个液压缸( 图4 2 中的液压缸1 、2 ) 液压缸的一端与横梁 上的支架铰接，另一端与支承盘铰接。当龙门摇摆起重机变幅时，横梁上的支架 是固定的，液压缸的活塞秆绕铰点自由的摆动，同时活塞杆伸缩以保持支承盘处 于水平状态。 图4 2 纵向防摇装置机械设计方案图 该方案的控制是用电液比例方向润控制液压缸的形式。在一侧的支承杆的轴 卜或支承盘中心平面与支承杆的交线上，安装一个绝对角位移传感器( 参见图 4 3 ) ，测量起吊装置相对于竖直位置摆动的角位移。由这个角位移传感器的信号 的f 负和大小来控制电液比例方向阀的方向和开度。其液压控制方案如图4 , 4 所 刚济大学硕1 学位论殳第4 章纵向防摇装置设计 不。 使进油口分别与一侧液压缸的无杆腔与另一侧液压缸的有杆腔相通，即当支 承盘向正方向摆动时，两液压缸的活塞杆对支承盘形成一边拉一边推的效果，直 至其偏转角度为。为止；反之当支承盘向负方向摆动时，通过电液比例方向阀的 换向，两液压缸的活塞杆对支承盘形成与前述相反的效果，直至达到满意的调节 效果。 这样进行改进后，由于角位移传感器直接测量支承盘的偏转角度，因此不论 是什么原因引起的支承盘的摆动，都能对其进行调节。 图4 3 拟定的角位移传感器安装位置的示意图图4 4 电液比例阀控制液压缸方案图 4 3 2 设计方案2 设计方案2 的机械设计部分仍采用图4 2 所示的结构，图中的液压缸1 应采 用伺服油缸，液压缸2 仍采用普通油缸。方案2 的液压控制图也与方案l 的相同 ( 见图4 4 ) 。不同的是在方案2 中角位移传感器的安装位置变了，新增了一个位 移传感器。下面来对其进行分析。 由于支承盘的晃动主要是龙门摇摆起重机摆幅和海浪引起的，方案2 主要考 虑前一个因素。在龙门摇摆起重机的横梁上安装绝对角位移传感器，来检测它摆 幅引起的角位移。由于根据几何关系，任意的龙门吊变幅的角度，都应浚对应 个液压缸活塞杆伸长或缩短的量，因此可以在伺服液压缸( 图4 2 中的液! 缸1