半潜起重船吊机升沉补偿装置参数优化研究★

刘 博 秦立成 彭甲志 高莹莹

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 升沉补偿装置参数优化的意义

半潜起重船海上吊装施工时运动导致吊缆受力过大，为了减少受力，本文对普通缸、复合缸、串联缸和并联缸吊机的升沉补偿装置进行了探讨，研究了升沉补偿装置机理并进行了优化设计，减少了升沉运动导致的被吊重物产生过大的受力。横摇和纵向运动可由万向节运动补偿装置来克服，纵向和横向平面内运动可由螺旋桨的动力定位或系泊限制系统补偿。垂向升沉运动会对起重机设备产生较大的影响，由于过大的升沉运动会导致被吊重物产生过大的运动，并且产生较大的起重力。因此，需要研究相关的补偿装置以便减小垂荡运动对被吊物的影响。

目前根据能量来源的不同可将升沉补偿系统分为主动、被动和半主动三种。主动系统由液压泵供电，滞后幅度小，补偿的精度很高，但耗费能量大。被动系统能量全部来自船舶升沉产生的运动，无需附加电源，但滞后非常严重，精度补偿低。半主动系统综合了前两种系统的优点，由蓄能器和液压泵提供能量，既能兼顾提高补偿精度，又能降低系统能耗。在实际应用中，船用起吊设备将在2级～6级海况下作业发生剧烈的升沉运动，利用升沉补偿系统可以减小升沉运动，从而使起重机能够正常起升作业。

2 升沉补偿装置设计方法

2.1 串联油缸方式

常见的主动升沉补偿系统通常采用四种设计方案，即普通缸、复合缸、串联缸和并联缸。图1显示了气缸系列的设计方案。双缸系列是在一条直线上使用主动缸2和被动缸1。该方法的优点是可以进行力的叠加，利用能量实现了升沉的补偿。主要能量由被动气缸提供，而较少的能量由主动气缸提供，这使得两个气缸很难协调，主要是因气缸1的尺寸大，气缸2的尺寸相对小。加上双缸串联使用，安装难度很大，因此船舶甲板上需要预留较大的安装空间，实际应用很少。

2.2 并联油缸方式

并联系统有两个主动缸、一个被动缸，分布如图2所示，被动缸2、主动缸1，3的活塞杆顶部与滑轮支架由柔性连接。位移提升由被动油缸2进行补偿，系统的负载惯性和摩擦主要由两侧主动油缸负责补偿。该系统减少了纵向安装在船体上所占的空间，并且在运动过程中主动缸和被动缸之间的连接类似于差动连接，提高了响应速度。

2.3 普通油缸方式

普通油缸方案如图3所示，采用了单缸的主要形式，代替了被动缸与主动缸，避免了多缸在空间上的配合；单缸的优点：结构紧凑，在船体上占用的安装空间小，体积小，缸体数量少，系统简单；只有一个缸，减小系统耗能，提高了机械效率。但是在无杆腔油口处，蓄能器与主动液压系统协同完成补偿动作实现难度较大。

2.4 复合油缸方式

如图4所示的复合油缸设计方案，在保留了单液压缸方案的优点基础上，还能够方便地实现由蓄能器来补偿负载大部分的升沉位移，液压泵只向复合缸的B腔、C腔供油，其能量用来抵消系统摩擦力和负载惯性，降低能耗；同时，复合缸的B腔与C腔截面相等，流量进出B腔与C腔的一致。复合油缸的空间结构相对复杂，设计制造增加了一定的难度，由于空间的复杂性，在制造上和维修成本上都会大大增加成本。

2.5 升沉补偿装置

本升沉补偿装置整体方案选为复合液压缸式升沉补偿系统。其中液压缸作为执行件采用集成了主动缸与被动缸性能的复合缸形式，如图5所示。

复合缸包括三个腔分别是A腔、B腔、C腔，A腔与蓄能器连接是通过a口，B腔与蓄能器连接是通过c口，C腔与蓄能器连接是通过c口。当复合缸只起被动缸的补偿作用时，B腔就与C腔连接，即通过油管连接b口与c口。从图中可以看出，B室和C室的油速相同。为了使B室在单位时间内排出的油量与进入C室的油量相同，必须使B室与C室具有相同的工作面积。

其工作原理如下：

1)当船舶静止时，升沉补偿系统不工作。

2)在平静海面上工作时，可切换到被动升沉补偿模式。此时，旁通阀10开始连通，方向阀7在中间位置工作。船舶上浮时，由于活塞的惯性作用下保持平衡，A室的液压油将会被压回到蓄能器，C室的容积减小，活塞杆缩回，液压油将会被压到B室，以补偿负载上升的位移。当船舶下沉时，A室容积变大，蓄能器中的油被压回A室，B室中的液压油被压回C室，补偿下降的位移。

3)恶劣海况作业时，应切换模式。船舶上升时，活塞在惯性作用下将会趋于平衡位置，A室容积减小，液压油将被压回蓄能器中。控制器11使阀7在正确的位置工作，液压油通过端口b压入腔室B，补偿负载的位移上升。当船体下降时，A室容积增大，蓄能器将液压油压入到A室，同时控制器11向左连接换向阀7，液压油在变量泵的作用下进入C室。腔室B中的液压油返回油箱通过b端口，驱动活塞杆向外伸出，以补偿负载的向下移动。

升沉补偿装置参数确定及优化技术协议书中关于升沉补偿装置给出的具体设计参数如表1所示，先分析船舶升沉运动规律及补偿运动规律，再根据设计方案及技术要求完成主要部件的计算。

表1 油缸式主动升沉补偿系统设计要求

3 船体及补偿运动分析

海浪的运动可近似写为：

(1)

波浪的运动近似为正弦运动，表示为：

(2)

波浪运动频率与船舶的升沉运动相同且振幅较小时：

(3)

不受船体运动的影响时，补偿运动应满足：

(4)

以上各式中，T为海浪周期；θ为初始相位角；H为海浪波高；μ为船的升沉位移与海浪波高之比。

4 复合油缸设计

与普通油缸的计算方法一致，其尺寸标记如图6所示。

当工作载荷m=500 t，载荷Q=4 900 kN。

最大静拉力为:

(5)

其中，mh为滑轮组倍率，本系统取m=1；ηz为滑轮组效率；ηD为导向滑轮效率。

液压缸实际推力为:

(6)

其中，ηm为液压缸机械效率。

平衡的方程：

(7)

内径的计算：

(8)

其中,μg为液压缸负载率；d为复合缸的内径；η为液压缸的总效率；p为系统的压力。

复合缸体壁厚的影响：

(9)

其中，[σ]为缸底材料的许用应力；k0为缸体壁厚,m。将数据代入式(10)，得k0≥199.5 mm。

在升沉补偿完全被动式系统模式下，B室与C室的流量与作用面积相同。

(10)

当p≥7 MPa时，d1/d0=0.7，代入式(8)，初选d0=770 mm，d1=540 mm。

复合油缸活塞杆为空心结构，因此杆壁的应力σ必须小于其材料的许用应力[σ]：

(11)

其中，k1为活塞杆壁厚,m；[σ]=σb/1.4，σb为材料的抗拉强度，当为无缝钢管时，σb=100 MPa～110 MPa，此处取σb=100 MPa。解得，k1≥74.5 mm，取k1=75 mm。

设计中要求最大的升沉补偿高度为±1.5 m，滑轮组为单倍率设计，根据式(6)可知，活塞杆补偿距离为1.2 m，根据设计手册GB 321—1980优先数和优先数列，取活塞行程l=1 250 mm。

长度L公式：

L>l+K+C

(12)

其中，l为活塞行程，m；L为缸体长度，m；活塞的厚度K=(0.6～1)d。

油口直径满足下面的公式:

(13)

代入数据计算得da=27.9 mm，圆整为da=30 mm。

缸底有油口的缸底厚度满足下面的公式：

(14)

根据p=0.25[σ]，取[σ]=126 MPa。代入数据并圆整得，h=200 mm。

根据以上计算，复合油缸设计参数见表2。

表2 复合油缸相关参数

5 研究结论

在海上风、浪、流的作用下起重船将产生六个自由度方向的运动，在起吊作业中被吊物将一起运动，导致吊缆受力过大。本文的研究成果不仅为常规项目提供了技术支持，也为我国后续深水半潜式起重船吊机设计提供了参考。研究对比分析了四种油缸式的升沉补偿方案，通过对项目给定的海况、船舶升沉运动规律、补偿运动规律及液压系统的综合分析，提出了采用复合液压缸式升沉补偿系统的方案，并完成液压系统原理及主要部件的设计计算，包括：系统压力、系统流量、复合油缸、蓄能器等，给出了油缸、蓄能器及系统的主要设计方法及设计参数，为副起升500 t升沉补偿功能的系统设计及进一步的元件选型奠定了基础。