船用起重机恒张力系统的设计仿真研究

徐 伟，徐化文

（四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000）

船用起重机是在海洋环境中进行起吊作业的特种起重机械。起重机在海上作业的过程中，通过起重机的回转和变幅，改变起重臂的角度及位置，并通过主、副绞车的收、放绳，将货物由补给船移至目标船。

由于作业船舶会因风浪的影响，而相对上下运动，在起吊或释放的过程中，货物会与上升的船体发生二次碰撞；已放落到甲板上的货物，也可能由于船体的下沉而出现再次悬空的现象，这给海上的安全有效作业，造成了很大的困难。

为在恶劣海况条件下，将货物安全可靠地从补给船移到目标船上，起重机除需要具有较高的起吊速外，还应具有起吊钢丝绳的恒张力控制功能，这可以使起吊钢丝绳始终保持在张紧状态，以减小补给船升沉运动和波浪起伏运动对货物和船体产生的冲击。

本文对起重机液压系统的恒张力系统，进行了建模，针对恒张力控制模式进行了仿真，并通过了现场试验验证。结果表明，通过起吊绞车的液压系统控制，能够实现对起吊钢丝绳的恒张力控制，从而大大降低了起重机作业过程中海浪的运动冲击，提高了作业的安全性，进而验证了该设计是可行性的。

1 船用起重机工作原理及恒张力系统

本文研究的船用起重机的结构总成见图1。

船用起重机主要有吊臂、转台、主绞车、副绞车、大钩、小钩及动力装置和控制设备等部分组成。动力装置一般由柴油机或电动机提供动力，动力装置一般置于动力室内，控制设备主要控制起重机的各种动作，一般置于在操作室中。

图1 船用起重机的结构总成

1.1 船用起重机工作原理

船用起重机工作原理是：船用起重机主要通过电机（或柴油机）提供动力，带动整个起重机的液压系统，驱动各个液压马达，为绞车和回转马达提供动力，从而完成起重机的各个起吊和回转动作。

其中，变幅绞车，完成吊臂的上下摆动；回转马达，则完成起重机的回转；通过两者的动作，改变起吊重物的位置；主、副绞车的收放钢丝绳，完成起吊重物的高度控制。

1.2 恒张力系统工作原理

本文阐述的恒张力系统，属于起重机液压系统的一部分，与副绞车联接，构成恒张力绞车。其研究的是一种被动波浪补偿系统，这种工作模式主要用于“面操作”，即在海上两条船之间，或固定平台和供应船之间，或船舶和海面之间，或船舶和海床之间吊运货物，当货物到达支持面后（下放货物）或离开支持面前（起吊货物）使用。

恒张力系统的工作原理是：工作时，操作人员发出起升或下放指令，通过副绞车马达的转动，重物将被吊起或释放至补给船甲板。跟随时，副绞车马达带动卷筒始终向着收绳方向转动，实现快速收绳，达到张紧状态。通过恒张力液压系统的控制，当重物由波峰跌入波谷时，由船只带动卷筒反向放绳；当重物由波谷升向波峰时，钢丝绳即被张紧。

2 恒张力系统的设计与仿真

本文所设计的具有恒张力系统的船用起重机，船厂已经给定的所在海域的海况，数据显示最高海浪为4 m，并按照船厂的要求进行设计。因此，本文所研究的起重机恒张力系统，不需要再加随动吊钩系统采集数据。只需在船用起重机的副绞车，增加恒张力系统，即其副钩在起吊重物时，具有波浪补偿的性能。

2.1 恒张力液压系统

本液压系统主要有：液压电机1、比例溢流阀2、梭阀3、节流阀4、换向电磁球阀5 以及控制单元等组成。

绞车恒张力系统液压原理图如图2所示。

图2 绞车恒张力系统液压原理图

根据吊钩的起吊能力等，确定比例溢流阀2、梭阀3 两端的压差。当正常起吊货物时，电磁阀5 不得电，泄油管路是断开的，液压油由液压电机的B 口进，A 口出，控制绞车收放钢丝绳起吊货物；当跟随时，电磁阀5 得电，L 油路导通，根据起吊货物的总质量，A、B 口存在一定的压差，液压油除了要给液压电机供油，维持钢丝绳张紧力矩外，多余的油将通过L口管路回到油箱。

当货物由波峰到达波谷时，补给船拖动钢丝绳使得绞车旋转释放钢丝绳；当货物由波谷到达波峰的过程中，液压电机旋转收紧钢丝绳；当到达波峰的瞬间，钢丝绳张紧，绞车电机工作，将货物吊离补给船，此时恒张力系统工作完毕。

其中，比例溢流阀2 控制A、B 口两端的压力差，保证绞车的正反转，同时起到保护该部分油路的作用；梭阀3 保证梭阀两端高油压从中间油口通过，进而控制油路的压力；电磁换向球阀5 通过给定电信号，来开启恒张力系统功能。

总之，起重机从补给船上吊取货物，并将货物吊离或放到另一船上。在这个过程中，无实时的测距装置，在波浪跟随时，副绞车马达始终输出一个与重力无关、与重力方向相反的快速张紧力矩。通过对给定溢流阀的溢流压力，设定恒张力绞车的张力，使得钢丝绳始终保持一定的张紧状态，保证恒张力绞车的电机吊着重物，随波浪一起做正向或反向的旋转运动，从而保证了在重物的起吊、释放过程中的相对平稳性。

2.2 恒张力系统的仿真

被动式波浪补偿控制系统在海上作业时，海浪的运动形式为正弦波形式，故在系统仿真时，选取正弦波信号即可。

（1）恒张力系统仿真的条件。一是根据船东提供的海况，海浪浪高为4 m，波浪周期为12 s；二是设定货物距离补给船4 m，启动恒张力系统；三是重物跟随速度设定为10 m/min。

恒张力系统仿真界面如图3所示。

图3 恒张力系统仿真界面

在波浪模拟模块中，根据仿真条件设定波浪情况；在波浪跟随模块中，通过操纵杆使重物缓缓下降至与补给船距离差为4 m，同时通过操作室中手柄，或者通过触摸屏，设定重物跟随速度；左侧为仿真模块，显示在给定的条件下，重物随着时间的推移与补给船之间的距离，及跟随的时间检测。

（2）恒张力系统仿真过程与结束。当点击波浪模拟模块START，系统进行波浪检测，所检测到的波浪为正弦波，浪高为4 m，周期为12 s；当控制操作杆使重物与补给船距离为4 m 时，启动波浪跟随模块，重物将按设定好的速度跟随波浪运动，跟随距离差逐渐变小，直至重物与补给船接触，仿真停止。

恒张力系统仿真的过程与结束如图4，图5所示。

图4 恒张力系统仿真某时刻过程

图5 恒张力系统仿真结束时刻

（3）仿真界面结果分析。由图4、图5结果显示，随着时间的推移，跟随的距离差逐渐变小，当重物与补给船接触时即着陆，波浪跟随结束，总时间为24.2 s。

正弦波结果输出如图6所示。

图6 系统正弦波仿真结果

仿真结果显示，海浪的周期为12 s，幅值为4 m。该系统对正弦波的响应与正弦波基本保持一致；基本达到了恒张力波浪补偿控制系统的响应要求。

3 结束语

本文针对船用起重机的工作状况，以及起重机的特殊要求，对其绞车进行了功能上的改进。通过恒张力液压系统的设计，满足其海浪跟随的功能；并通过模拟仿真界面，验证了系统的可行性；最终通过工厂的现场试验，证明了该系统的设计是成功的，满足了船东的要求。通过本文的理论探讨，希望能为今后恒张力系统的设计提供理论借鉴与参考。

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