新型海上起重机升沉补偿系统及补偿方法

摘要

本发明公开了一种新型海上起重机升沉补偿系统及补偿方法，包括一个起重装置、升沉补偿执行装置、控制器和船舶升沉模拟系统，所述的升沉补偿执行装置吊装在起重装置上,船舶升沉运动模拟系统安装在升沉补偿执行装置的下方，通过控制器控制起重装置、升沉补偿执行装置、船舶升沉运动模拟系统，实现升沉补偿执行装置和船舶升沉运动模拟系统的相互配合。本发明安装在吊钩与货物之间的新型主动式升沉补偿装置，方便拆装，适用范围广，可移植性强。

说明书

技术领域

本发明公开了一种新型海上起重机升沉补偿系统及补偿方法。

背景技术

现有升沉补偿装置一般是通过在普通起重机上加装液压系统和滑轮组来实现控制钢丝绳 载荷端的上下运动位移，当船体下沉时活塞杆带动动滑轮组伸出，当船体上升时，活塞带动 动滑轮组缩回，以消除波浪对载荷产生的升沉影响。

升沉补偿装置按控制力执行方式分为主动式与被动式两种。被式升沉补偿系统是依靠船 舶上升和下降来压缩释放蓄能器中的压缩空气，蓄能器可作为空气弹簧吸收冲击力，从而减 少了钢丝绳的张力。主动式升沉补偿系统通常是使用MRU(motionreferenceunit)测量船舶 的姿态，再通过几何计算，得出吊钩在垂直方向的位移，从而控制执行机构实时收放钢丝绳， 以“抵消”由于波浪而引起吊钩的额外升沉运动。

被动式升沉补偿系统不足：由于参数不能选择和调节，所以在吊装货物和工况发生变化 时，系统的补偿性能会被限制，且补偿精度低。此外，被动式升沉补偿系统还存在滞后比较 大的缺点，容易造成事故。

主动式升沉补偿系统不足：主动补偿系统需要系统自身的动力能源来进行工作。传统的 液压系统使用液压泵作为动力，消耗功率较大，只适用于中小功率场合。传统液压补偿系统， 在补偿精度和补偿素的较被动补偿有改善，但是，还有很大的提升空间。此外，由于液压系 统还存在体积大，重量大，更换液压油维护麻烦的缺点。本设计解决了以上不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本发明公开了一种新型海上起重机升沉补偿系统 及补偿方法。

本发明采用的技术方案如下：

新型海上起重机升沉补偿系统，包括一个起重装置、升沉补偿执行装置、控制器和船舶 升沉模拟系统，所述的升沉补偿执行装置吊装在起重装置上,船舶升沉运动模拟系统安装在 升沉补偿执行装置的下方，且在升沉补偿执行装置的下方安装有测量货物与甲板间的距离， 为升沉补偿提供数据资料的传感器，通过控制器控制起重装置、升沉补偿执行装置、船舶升 沉运动模拟系统，实现升沉补偿执行装置和船舶升沉运动模拟系统的相互补偿。

所述的升沉补偿执行装置包括一个连接在起重机钢丝绳端部的外部框架，在所述的外部 框架顶部固定一个电机I，所述的电机I的输出端通过联轴器驱动一个滚珠丝杠I，在滚珠丝 杠I上设有一个与其相配合滑块，所述的滑块上安装两个与滚珠丝杠I相平行的螺纹杆，两个 所述的螺纹杆的端部与同一个矩形管相连，在所述的矩形管的底部安装有一个声波传感器和 电磁铁。声波传感器用于测量货物与甲板间的距离，为实现升沉补偿提供可靠的数据资料。 电磁铁模拟真实吊机中的吊钩，用于吊装以及卸放货物。升沉补偿装置工作过程，电机I带 动滚珠丝杠I转动，使滑块升降，滑块带动货物运动，从而进行升沉补偿。

在矩形管下端开一个小孔，将电磁铁悬挂在小孔下方。

在矩形铝管一端用螺栓将声波传感器固定。

所述的起重装置包括一个底座,在所述的底座上安装一个绞车和与其垂直的立柱，所述的 立柱上安装有一个立式轴支座I，立式轴支座I上安装有一个吊臂；在所述的吊臂的末端和立 式轴支座的末端安装有定滑轮，所述的吊臂能沿着立式轴支座上下摆动。

所述的绞车包括步进电机II，所述的步进电机II通过一个刚性联轴器连接一个卷筒，所 述的两端为凸缘状，且该卷筒在轴承方向上通过轴承安装在卷筒支座上。使用时，在卷筒上 缠绕有钢丝绳，钢丝绳的另一端绕过立柱和吊臂的末端的定滑轮与升沉补偿执行装置的外部 框架相连。

所述的步进电机安装电机支架上。

所述的船舶升沉运动模拟系统，包括底板，在所述的底板上安装一个底座，在所述的底 座上安装有一个步进电机III和一个与其垂直的直线滑台，所述的步进电机III的输出端驱动一 个与直线滑台相平行的滚珠丝杠II，在滚珠丝杠II上设有一个滑块，所述的滑块上连接一个 与直线滑台垂直的甲板，甲板与底板之间连接有测量甲板位移的直线位移传感器；所述的滑 块在滚珠丝杠II的驱动下能沿着直线滑台上下移动。

上述系统的补偿方法如下：

步骤1对声波传感器和甲板距离初始化；

步骤2启动绞车，将货物提升到设定的高度；

步骤3货物悬停4秒，启动升沉运动模拟装置；

步骤4启动绞车，将货物下放至目测安全位置；

步骤5停止绞车，启动升沉补偿执行装置；

步骤6每隔1.5s使甲板与货物距离减少1mm；

步骤7当货物与甲板接触时，控制滚珠丝杠I下降1.5cm；

步骤8再次启动升沉补偿执行装置，使货物与甲板保持接触；

步骤91s后卸放货物；

步骤10启动绞车，将升沉补偿装置提升，滚珠丝杠I复位；

步骤11升沉运动模拟装置复位。

本发明产生的有益效果如下：

1)本发明便于在实验室操作运转的系统,能够比较精确直观地实现海上起吊货物到卸放 货物的全过程模拟。

2)安装在吊钩与货物之间的新型主动式升沉补偿装置，方便拆装，适用范围广，可移植 性强。

3)通过丝杠进行升沉补偿，且以单片机为控制核心的补偿系统，相比于传统液压式补偿， 反应灵敏、补偿精度高。

4)船舶升沉运动模拟装置，可以方便地模拟不同波浪条件下船甲板的升沉运动。

5)针对规则波和不规则波，均能够实现在船甲板运动至最高位置附近时，自动将货物平 稳地卸放于船甲板。6)吊机模拟装置，适合在实验室环境下模拟吊机吊装作业。

附图说明

图1海上起重机升沉补偿系统；

图2执行系统整体结构图；

图3与运动调节机构结构图；

图4起重机结构图；

图5绞车结构图；

图6船舶升沉运动模拟系统主视图；

图7船舶升沉运动模拟系统侧视图；

图8不规则波系统实验流程图；

图9控制原理图；

图10船舶升沉运动图；

图11货物与甲板相对距离随时间变化图；

图12货物卸放阶段与甲板距离随时间变化图；

101—起重装置；102—绞车；103—升沉补偿执行装置；104—控制器；105—船舶 升沉模拟系统；201—步进电机I；202—外部框架；203—矩形铝管；204—螺栓；205—电 磁铁；206—声波传感器；207—联轴器；208—滚珠丝杠I；209—运动转换刚片；210—立式 轴支座I；211—螺纹杆；212—圆锥滚子轴承；213—滑块轴承；214—光杠；301—定滑轮； 302—立柱；303—底座；304—立式轴支座II；305—吊臂；401—步进电机II；402—刚性联轴 器；403—卷筒；404—凸缘；405—轴承座；406—卷筒支座；407—光杠；408—电机支 架；501—直线滑台；502—滚珠丝杠II；503—甲板；504—直线位移传感器；505—底座； 506—底板；507—滑块；508—步进电机III。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种新型海上起重机升沉补偿系统，包括一个起重装置101、 绞车102、升沉补偿执行装置103、控制器104和船舶升沉模拟系统105，升沉补偿执行装置 103吊装在起重装置上,船舶升沉运动模拟系统安装在升沉补偿执行装置的下方，通过控制 器控制起重装置101、升沉补偿执行装置103、船舶升沉模拟系统105，实现升沉补偿执行装 置和船舶升沉模拟系统105的相互配合。

升沉补偿系统执行装置结构如下：包括一个连接在起重机钢丝绳端部的外部框架202， 在所述的外部框架顶部固定一个步进电机I201，所述的步进电机I201的输出端通过联轴器207 驱动一个滚珠丝杠I208，在滚珠丝杠208上设有一个与其相配合滑块，滑块上安装两个与滚 珠丝杠I208相平行的螺纹杆211，两个所述的螺纹杆211的端部与同一个矩形铝管203相连， 在所述的矩形铝管203的底部安装有一个声波传感器206和电磁铁205。

声波传感器206采用5V电源供电，输出信号为数字信号，输出信号线SDA、SCL分别与 控制器单片机的P3.6、P3.7管脚相接，进行I2C通信。

接收单片机输出信号的元件有两个步进电机驱动器和电磁铁。

方形钢管(20*20*1，下同)和角钢(30*30*2.0，下同)作为外部框架202，连接方式均 采用螺栓204(M3)连接；所用滚珠丝杠I208直径为16mm,导程为10mm；滚珠丝杠I208 两端用圆锥滚子轴承212(30201型)、铝板(90*30*3)进行固定；采用光杠(下同)、 滑块轴承213(SMA10)、立式轴支座210(立式SK10)对运动转换刚片209进行周向固定； 采用螺纹杆211(M6)将矩形铝管(50*25*2，下同)与运动转换刚片209相连接；采用梅 花联轴器207(L50D12，内径10-12)连接两相混合式步进电机I201与滚珠丝杠208；为了便 于演示货物的卸放，采用电磁铁205连接货物，在矩形铝管下端开一个直径为4mm小孔，用 4cm长细绳将电磁铁205悬挂在此小孔下方；在矩形铝管一端用螺栓(M2)将声波传感器206 固定。

海上起重机结构具体如下：包括一个底座303,在所述的底座303上安装一个绞车102和 与其垂直的立柱302，在所述的立柱302上安装有立式轴支座II304，所述的立式轴支座II304 上安装有一个吊臂305；在所述的吊臂305的末端和立柱302的末端安装有定滑轮301，所述 的吊臂305能沿着立式轴支座II304上下摆动。

绞车102包括步进电机II401，所述的步进电机II401通过一个刚性联轴器402连接一个 卷筒403，所述的两端为凸缘404状，且该卷筒403在轴线方向上通过轴承座405安装在卷 筒403支座上。卷筒403安装在卷筒支座406上，使用时，在卷筒403上缠绕有钢丝绳，钢 丝绳的另一端绕过立式轴支座和吊臂305的末端的定滑轮与升沉补偿执行装置的外部框架相 连。

步进电机安装电机支架408上，光杆407两端穿过电机支架408。

使用Solidworks对起重机进行三维建模，模型如图2所示。起重机能进行货物吊起与下 放，吊臂305的变幅控制与立柱的回转控制不在本研究范围内。起重机主体使用矩形铝管 (50*25*2)制作，并用角钢、光杠、立式轴支座(立式SK10)、螺栓(M6，M4)进行固定。 起重机使用的滑轮型号为HO:XBD，起重机底座与立柱302、吊臂305与立柱302使用钢丝绳 (下同)进行牵拉，使用钢丝绳卡子固定钢丝绳。

绞车采用2对30*30*2.0型角钢作为卷筒支座，支座与吊机底座使用光杠()进行 连接。卷筒与卷筒凸缘分别使用光杠、铁质圆形挡板()制作。光杠407通过过轴承座 (卧式KFL000内径10)进行径向固定，用螺栓(M4)将轴承座固定在卷筒支座上。步进电 机(57BYGH250-112)使用电机支架(步进电机支架)固定在吊机底座上。使用刚性联轴器 (D25L35，内径8-10)将电机轴与卷筒连接。

船舶升沉运动模拟系统，包括底板506，在所述的底板506上安装一个底座505，在所述 的底座505上安装有一个步进电机III508和一个与其垂直的直线滑台501，所述的步进电机 III508的输出端驱动一个与直线滑台501相平行的滚珠丝杠II502，在滚珠丝杠II502上设有一 个滑块507，所述的滑块507上连接一个与直线滑台垂直的甲板503，甲板503与底板506 之间连接有测量甲板位移的直线位移传感器504；所述的滑块507在滚珠丝杠II502的驱动下 能沿着直线滑台上下移动。

梯形丝杆总长为270mm，丝杆螺距8mm，有效行程为210mm，步进电机III508为42型 步进电机(42BYGH4812)；为增加滑台稳定性，采用矩形铝管(50*25*2)和方形钢管(19*19*1.0) 以及厚木板(380*300*16)制作结构底座对直线滑台进行四周固定，连接方式采用螺栓(M3， M5)连接；模拟船甲板503的平板采用薄木板(300*300*3)制作，并用方形钢管对薄木板 加固，薄木板与直线滑台的滑块507用螺栓(M3)固定，再将直线位移传感器504的拉杆与 木板连接，传感器与结构底座用螺栓(M5)连接，加入直线位移传感器504的作用是记录木 板的初始位置，通过程序控制使木板在演示过程最后复位。

上述系统的补偿方法如下：

步骤1对声波传感器和甲板距离初始化；

步骤2启动绞车，将货物提升到设定的高度；

步骤3货物悬停4秒，启动升沉运动模拟装置；

步骤4启动绞车，将货物下放至目测安全位置；

步骤5停止绞车，启动升沉补偿系统；

步骤6每隔1.5s使甲板与货物距离减少1mm；

步骤7当货物与甲板接触时，控制丝杠下降1.5cm；

步骤8再次启动升沉补偿，使货物与甲板保持接触；

步骤91s后卸放货物；

步骤10启动绞车，将升沉补偿装置提升，丝杠复位；

步骤11升沉运动模拟装置复位。

如图10所示，表示在不规则波情况下，船甲板的垂向位移随时间的变化情况。

图11为停止绞车、启动升沉补偿系统后，通过定时采集传感器测得的货物与甲板相对距 离值，利用MATLAB绘制的图形。直线A之前表示通过程序控制货物在初始阶段与甲板快速接 近；直线A和直线C之间表示补偿稳定阶段，在升沉补偿的同时，使货物与甲板的距离逐渐 减小；图框D中所示为货物即将放下时甲板与货物之间距离变化情况。

当声波传感器检测到货物与甲板接触时，暂时停止升沉补偿，通过控制丝杠使传感器与 甲板相对距离快速减小约15mm(直线C和直线E之间的阶段)，然后再次启动升沉补偿，以 使货物平稳卸放于甲板上而不会出现再次悬空。直线C和直线E之间的相邻数据点之间的时 间间隔并不反映实际时间。

由直线C和直线E之间的线图可以看出，在传感器平均精度为3mm的情况下，卸放货物 时，货物与甲板的相对距离不超过5mm，有效地实现了升沉补偿。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。