新型海上起重機升沉補償系統及補償方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型海上起重機升沉補償系統及補償方法，包括一個起重裝置、升沉補償執行裝置、控制器和船舶升沉模擬系統，所述的升沉補償執行裝置吊裝在起重裝置上,船舶升沉運動模擬系統安裝在升沉補償執行裝置的下方，通過控制器控制起重裝置、升沉補償執行裝置、船舶升沉運動模擬系統，實現升沉補償執行裝置和船舶升沉運動模擬系統的相互配合。本發明安裝在吊鉤與貨物之間的新型主動式升沉補償裝置，方便拆裝，適用范圍廣，可移植性強。
【專利說明】新型海上起重機升沉補償系統及補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明公開了 一種新型海上起重機升沉補償系統及補償方法。
【背景技術】
[0002] 現有升沉補償裝置一般是通過在普通起重機上加裝液壓系統和滑輪組來實現控 制鋼絲繩載荷端的上下運動位移，當船體下沉時活塞桿帶動動滑輪組伸出，當船體上升時， 活塞帶動動滑輪組縮回，以消除波浪對載荷產生的升沉影響。
[0003] 升沉補償裝置按控制力執行方式分為主動式與被動式兩種。被式升沉補 償系統是依靠船舶上升和下降來壓縮釋放蓄能器中的壓縮空氣，蓄能器可作為空 氣彈簧吸收沖擊力，從而減少了鋼絲繩的張力。主動式升沉補償系統通常是使用 MRU(motionreferenceunit)測量船舶的姿態，再通過幾何計算，得出吊鉤在垂直方向的位 移，從而控制執行機構實時收放鋼絲繩，以"抵消"由于波浪而引起吊鉤的額外升沉運動。
[0004] 被動式升沉補償系統不足：由于參數不能選擇和調節，所以在吊裝貨物和工況發 生變化時，系統的補償性能會被限制，且補償精度低。此外，被動式升沉補償系統還存在滯 后比較大的缺點，容易造成事故。
[0005] 主動式升沉補償系統不足：主動補償系統需要系統自身的動力能源來進行工作。 傳統的液壓系統使用液壓泵作為動力，消耗功率較大，只適用于中小功率場合。傳統液壓補 償系統，在補償精度和補償素的較被動補償有改善，但是，還有很大的提升空間。此外，由于 液壓系統還存在體積大，重量大，更換液壓油維護麻煩的缺點。本設計解決了以上不足。
【發明內容】
[0006] 為了解決現有技術中存在的技術缺陷，本發明公開了一種新型海上起重機升沉補 償系統及補償方法。
[0007] 本發明采用的技術方案如下：
[0008] 新型海上起重機升沉補償系統，包括一個起重裝置、升沉補償執行裝置、控制器和 船舶升沉模擬系統，所述的升沉補償執行裝置吊裝在起重裝置上，船舶升沉運動模擬系統 安裝在升沉補償執行裝置的下方，且在升沉補償執行裝置的下方安裝有測量貨物與甲板間 的距離，為升沉補償提供數據資料的傳感器，通過控制器控制起重裝置、升沉補償執行裝 置、船舶升沉運動模擬系統，實現升沉補償執行裝置和船舶升沉運動模擬系統的相互補償。 [0009] 所述的升沉補償執行裝置包括一個連接在起重機鋼絲繩端部的外部框架，在所述 的外部框架頂部固定一個電機I，所述的電機I的輸出端通過聯軸器驅動一個滾珠絲杠I， 在滾珠絲杠I上設有一個與其相配合滑塊，所述的滑塊上安裝兩個與滾珠絲杠I相平行的 螺紋桿，兩個所述的螺紋桿的端部與同一個矩形管相連，在所述的矩形管的底部安裝有一 個聲波傳感器和電磁鐵。聲波傳感器用于測量貨物與甲板間的距離，為實現升沉補償提供 可靠的數據資料。電磁鐵模擬真實吊機中的吊鉤，用于吊裝以及卸放貨物。升沉補償裝置工 作過程，電機I帶動滾珠絲杠I轉動，使滑塊升降，滑塊帶動貨物運動，從而進行升沉補償。
[0010] 在矩形管下端開一個小孔，將電磁鐵懸掛在小孔下方。
[0011] 在矩形鋁管一端用螺栓將聲波傳感器固定。
[0012] 所述的起重裝置包括一個底座，在所述的底座上安裝一個絞車和與其垂直的立 柱，所述的立柱上安裝有一個立式軸支座I，立式軸支座I上安裝有一個吊臂；在所述的吊 臂的末端和立式軸支座的末端安裝有定滑輪，所述的吊臂能沿著立式軸支座上下擺動。
[0013] 所述的絞車包括步進電機II，所述的步進電機II通過一個剛性聯軸器連接一個 卷筒，所述的兩端為凸緣狀，且該卷筒在軸承方向上通過軸承安裝在卷筒支座上。使用時， 在卷筒上纏繞有鋼絲繩，鋼絲繩的另一端繞過立柱和吊臂的末端的定滑輪與升沉補償執行 裝置的外部框架相連。
[0014] 所述的步進電機安裝電機支架上。
[0015] 所述的船舶升沉運動模擬系統，包括底板，在所述的底板上安裝一個底座，在所述 的底座上安裝有一個步進電機III和一個與其垂直的直線滑臺，所述的步進電機III的輸 出端驅動一個與直線滑臺相平行的滾珠絲杠II，在滾珠絲杠II上設有一個滑塊，所述的滑 塊上連接一個與直線滑臺垂直的甲板，甲板與底板之間連接有測量甲板位移的直線位移傳 感器；所述的滑塊在滾珠絲杠II的驅動下能沿著直線滑臺上下移動。
[0016] 上述系統的補償方法如下：
[0017] 步驟1對聲波傳感器和甲板距離初始化；
[0018] 步驟2啟動絞車，將貨物提升到設定的高度；
[0019] 步驟3貨物懸停4秒，啟動升沉運動模擬裝置；
[0020] 步驟4啟動絞車，將貨物下放至目測安全位置；
[0021] 步驟5停止絞車，啟動升沉補償執行裝置；
[0022] 步驟6每隔1. 5s使甲板與貨物距離減少1mm;
[0023] 步驟7當貨物與甲板接觸時，控制滾珠絲杠I下降1. 5cm;
[0024] 步驟8再次啟動升沉補償執行裝置，使貨物與甲板保持接觸；
[0025] 步驟91s后卸放貨物；
[0026] 步驟10啟動絞車，將升沉補償裝置提升，滾珠絲杠I復位；
[0027] 步驟11升沉運動模擬裝置復位。
[0028] 本發明產生的有益效果如下：
[0029] 1)本發明便于在實驗室操作運轉的系統，能夠比較精確直觀地實現海上起吊貨 物到卸放貨物的全過程模擬。
[0030] 2)安裝在吊鉤與貨物之間的新型主動式升沉補償裝置，方便拆裝，適用范圍廣，可 移植性強。
[0031] 3)通過絲杠進行升沉補償，且以單片機為控制核心的補償系統，相比于傳統液壓 式補償，反應靈敏、補償精度高。
[0032] 4)船舶升沉運動模擬裝置，可以方便地模擬不同波浪條件下船甲板的升沉運動。
[0033] 5)針對規則波和不規則波，均能夠實現在船甲板運動至最高位置附近時，自動將 貨物平穩地卸放于船甲板。6)吊機模擬裝置，適合在實驗室環境下模擬吊機吊裝作業。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034] 圖1海上起重機升沉補償系統；
[0035] 圖2執行系統整體結構圖；
[0036] 圖3與運動調節機構結構圖；
[0037] 圖4起重機結構圖；
[0038] 圖5絞車結構圖；
[0039] 圖6船舶升沉運動模擬系統主視圖；
[0040] 圖7船舶升沉運動模擬系統側視圖；
[0041] 圖8不規則波系統實驗流程圖；
[0042] 圖9控制原理圖；
[0043] 圖10船舶升沉運動圖；
[0044] 圖11貨物與甲板相對距離隨時間變化圖；
[0045] 圖12貨物卸放階段與甲板距離隨時間變化圖；
[0046] 101-起重裝置；102-絞車；103-升沉補償執行裝置；104-控制器；105-船舶 升沉模擬系統；201-步進電機I;202-外部框架；203-矩形鋁管；204-螺栓；205-電 磁鐵；206-聲波傳感器；207-聯軸器；208-滾珠絲杠I;209-運動轉換剛片；210-立式 軸支座I;211-螺紋桿；212-圓錐滾子軸承；213-滑塊軸承；214-光杠；301-定滑輪； 302-立柱；303-底座；304-立式軸支座II;305-吊臂；401-步進電機II;402-剛性聯 軸器；403-卷筒；404-凸緣；405-軸承座；406-卷筒支座；407-光杠；408-電機支架； 501-直線滑臺；502-滾珠絲杠II;503-甲板；504-直線位移傳感器；505-底座；506- 底板；507-滑塊；508-步進電機III。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
[0048]如圖1所示，本發明公開了一種新型海上起重機升沉補償系統，包括一個起重裝 置101、絞車102、升沉補償執行裝置103、控制器104和船舶升沉模擬系統105,升沉補償執 行裝置103吊裝在起重裝置上，船舶升沉運動模擬系統安裝在升沉補償執行裝置的下方， 通過控制器控制起重裝置101、升沉補償執行裝置103、船舶升沉模擬系統105,實現升沉補 償執行裝置和船舶升沉模擬系統105的相互配合。
[0049] 升沉補償系統執行裝置結構如下：包括一個連接在起重機鋼絲繩端部的外部框架 202,在所述的外部框架頂部固定一個步進電機1201，所述的步進電機1201的輸出端通過 聯軸器207驅動一個滾珠絲杠1208,在滾珠絲杠208上設有一個與其相配合滑塊，滑塊上安 裝兩個與滾珠絲杠1208相平行的螺紋桿211，兩個所述的螺紋桿211的端部與同一個矩形 鋁管203相連，在所述的矩形鋁管203的底部安裝有一個聲波傳感器206和電磁鐵205。
[0050] 聲波傳感器206米用5V電源供電，輸出信號為數字信號，輸出信號線SDA、SCL分 別與控制器單片機的P3. 6、P3. 7管腳相接，進行I2C通信。
[0051] 接收單片機輸出信號的元件有兩個步進電機驅動器和電磁鐵。
[0052] 方形鋼管（20*20*1，下同）和角鋼（30*30*2. 0,下同）作為外部框架202,連接方 式均采用螺栓204 (M3)連接；所用滾珠絲杠1208直徑為16mm，導程為10mm;滾珠絲杠1208 兩端用圓錐滾子軸承212 (30201型）、鋁板（90*30*3)進行固定；采用光杠（（P1〇,下同）、 滑塊軸承213 (SMA10)、立式軸支座210 (立式SK10)對運動轉換剛片209進行周向固定；采 用螺紋桿211 (M6)將矩形鋁管（50*25*2,下同）與運動轉換剛片209相連接；采用梅花聯 軸器207 (L50D12,內徑10-12)連接兩相混合式步進電機1201與滾珠絲杠208 ;為了便于演 示貨物的卸放，采用電磁鐵205連接貨物，在矩形鋁管下端開一個直徑為4mm小孔，用4cm 長細繩將電磁鐵205懸掛在此小孔下方；在矩形鋁管一端用螺栓（M2)將聲波傳感器206固 定。
[0053] 海上起重機結構具體如下：包括一個底座303,在所述的底座303上安裝一個絞車 102和與其垂直的立柱302,在所述的立柱302上安裝有立式軸支座11304,所述的立式軸支 座II304上安裝有一個吊臂305 ;在所述的吊臂305的末端和立柱302的末端安裝有定滑 輪301，所述的吊臂305能沿著立式軸支座II304上下擺動。
[0054] 絞車102包括步進電機11401，所述的步進電機11401通過一個剛性聯軸器402連 接一個卷筒403,所述的兩端為凸緣404狀，且該卷筒403在軸線方向上通過軸承座405安 裝在卷筒403支座上。卷筒403安裝在卷筒支座406上，使用時，在卷筒403上纏繞有鋼絲 繩，鋼絲繩的另一端繞過立式軸支座和吊臂305的末端的定滑輪與升沉補償執行裝置的外 部框架相連。
[0055] 步進電機安裝電機支架408上，光桿407兩端穿過電機支架408。
[0056] 使用Solidworks對起重機進行三維建模，模型如圖2所示。起重機能進行貨物吊 起與下放，吊臂305的變幅控制與立柱的回轉控制不在本研究范圍內。起重機主體使用矩 形鋁管（50*25*2)制作，并用角鋼、光杠、立式軸支座（立式SK10)、螺栓（M6，M4)進行固定。 起重機使用的滑輪型號為H0:XBD，起重機底座與立柱302、吊臂305與立柱302使用鋼絲繩 ((p2,下同）進行牽拉，使用鋼絲繩卡子固定鋼絲繩。
[0057] 絞車采用2對30*30*2. 0型角鋼作為卷筒支座，支座與吊機底座使用光杠（CP1〇 )進行連接。卷筒與卷筒凸緣分別使用光杠、鐵質圓形擋板（<P55 )制作。光杠407通過 過軸承座（臥式KFL000內徑10)進行徑向固定，用螺栓（M4)將軸承座固定在卷筒支座上。 步進電機（57BYGH250-112)使用電機支架（步進電機支架）固定在吊機底座上。使用剛性 聯軸器（D25L35,內徑8-10)將電機軸與卷筒連接。
[0058] 船舶升沉運動模擬系統，包括底板506,在所述的底板506上安裝一個底座505， 在所述的底座505上安裝有一個步進電機III508和一個與其垂直的直線滑臺501，所述的 步進電機III508的輸出端驅動一個與直線滑臺501相平行的滾珠絲杠11502,在滾珠絲杠 II502上設有一個滑塊507,所述的滑塊507上連接一個與直線滑臺垂直的甲板503,甲板 503與底板506之間連接有測量甲板位移的直線位移傳感器504 ;所述的滑塊507在滾珠絲 杠II502的驅動下能沿著直線滑臺上下移動。
[0059] 梯形絲桿總長為270mm，絲桿螺距8mm，有效行程為210mm，步進電機III508為 42型步進電機（42BYGH4812);為增加滑臺穩定性，采用矩形鋁管（50*25*2)和方形鋼管 (19*19*1.0)以及厚木板（380*300*16)制作結構底座對直線滑臺進行四周固定，連接方式 采用螺栓（M3，M5)連接；模擬船甲板503的平板采用薄木板（300*300*3)制作，并用方形鋼 管對薄木板加固，薄木板與直線滑臺的滑塊507用螺栓（M3)固定，再將直線位移傳感器504 的拉桿與木板連接，傳感器與結構底座用螺栓（M5)連接，加入直線位移傳感器504的作用 是記錄木板的初始位置，通過程序控制使木板在演示過程最后復位。
[0060] 上述系統的補償方法如下：
[0061] 步驟1對聲波傳感器和甲板距離初始化；
[0062] 步驟2啟動絞車，將貨物提升到設定的高度；
[0063] 步驟3貨物懸停4秒，啟動升沉運動模擬裝置；
[0064] 步驟4啟動絞車，將貨物下放至目測安全位置；
[0065] 步驟5停止絞車，啟動升沉補償系統；
[0066] 步驟6每隔1. 5s使甲板與貨物距離減少1mm;
[0067] 步驟7當貨物與甲板接觸時，控制絲杠下降1. 5cm;
[0068] 步驟8再次啟動升沉補償，使貨物與甲板保持接觸；
[0069] 步驟91s后卸放貨物；
[0070] 步驟10啟動絞車，將升沉補償裝置提升，絲杠復位；
[0071] 步驟11升沉運動模擬裝置復位。
[0072] 如圖10所示，表示在不規則波情況下，船甲板的垂向位移隨時間的變化情況。
[0073] 圖11為停止絞車、啟動升沉補償系統后，通過定時采集傳感器測得的貨物與甲板 相對距離值，利用MATLAB繪制的圖形。直線A之前表示通過程序控制貨物在初始階段與甲 板快速接近；直線A和直線C之間表示補償穩定階段，在升沉補償的同時，使貨物與甲板的 距離逐漸減小；圖框D中所示為貨物即將放下時甲板與貨物之間距離變化情況。
[0074] 當聲波傳感器檢測到貨物與甲板接觸時，暫時停止升沉補償，通過控制絲杠使傳 感器與甲板相對距離快速減小約15_(直線C和直線E之間的階段），然后再次啟動升沉補 償，以使貨物平穩卸放于甲板上而不會出現再次懸空。直線C和直線E之間的相鄰數據點 之間的時間間隔并不反映實際時間。
[0075] 由直線C和直線E之間的線圖可以看出，在傳感器平均精度為3mm的情況下，卸放 貨物時，貨物與甲板的相對距離不超過5_，有效地實現了升沉補償。
[0076] 上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范 圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不 需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【權利要求】
1. 新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：包括一個起重裝置、升沉補償執行裝 置、控制器和船舶升沉模擬系統，所述的升沉補償執行裝置吊裝在起重裝置上，船舶升沉 運動模擬系統安裝在升沉補償執行裝置的下方，且在升沉補償執行裝置的下方安裝有測量 貨物與甲板間的距離，為升沉補償提供數據資料的傳感器，通過控制器控制起重裝置、升沉 補償執行裝置、船舶升沉運動模擬系統，實現升沉補償執行裝置和船舶升沉運動模擬系統 的相互補償； 所述的升沉補償執行裝置包括一個連接在起重機鋼絲繩端部的外部框架，在所述的外 部框架頂部固定一個電機I，所述的電機I的輸出端通過聯軸器驅動一個滾珠絲杠I，在滾 珠絲杠I上設有一個與其相配合滑塊，所述的滑塊上安裝兩個與滾珠絲杠I相平行的螺紋 桿，兩個所述的螺紋桿的端部與同一個矩形管相連，在所述的矩形管的底部安裝有一個聲 波傳感器和電磁鐵； 所述的船舶升沉運動模擬系統，包括底板，在所述的底板上安裝一個底座，在所述的底 座上安裝有一個步進電機III和一個與其垂直的直線滑臺，所述的步進電機III的輸出端 驅動一個與直線滑臺相平行的滾珠絲杠II，在滾珠絲杠II上設有一個滑塊，所述的滑塊 上連接一個與直線滑臺垂直的甲板，甲板與底板之間連接有測量甲板位移的直線位移傳感 器；所述的滑塊在滾珠絲杠II的驅動下能沿著直線滑臺上下移動。
2. 如權利要求1所述的新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：在矩形管下端開 一個小孔，將電磁鐵懸掛在小孔下方。
3. 如權利要求1所述的新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：在矩形鋁管一端 用螺栓將聲波傳感器固定。
4. 如權利要求1所述的新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：所述的起重裝置 包括一個底座，在所述的底座上安裝一個絞車和與其垂直的立柱，所述的立柱上安裝有一 個立式軸支座I，立式軸支座I上安裝有一個吊臂；在所述的吊臂的末端和立式軸支座的末 端安裝有定滑輪，所述的吊臂能沿著立式軸支座上下擺動。
5. 如權利要求4所述的新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：所述的絞車包括 步進電機II，所述的步進電機II通過一個剛性聯軸器連接一個卷筒，所述的兩端為凸緣 狀，且該卷筒在軸承方向上通過軸承安裝在卷筒支座上；使用時，在卷筒上纏繞有鋼絲繩， 鋼絲繩的另一端繞過立柱和吊臂的末端的定滑輪與升沉補償執行裝置的外部框架相連。
6. 如權利要求1所述的新型海上起重機升沉補償系統，其特征在于：所述的船舶升沉 運動模擬系統，包括底板，在所述的底板上安裝一個底座，在所述的底座上安裝有一個步進 電機III和一個與其垂直的直線滑臺，所述的步進電機III的輸出端驅動一個與直線滑臺 相平行的滾珠絲杠II，在滾珠絲杠II上設有一個滑塊，所述的滑塊上連接一個與直線滑臺 垂直的甲板，甲板與底板之間連接有測量甲板位移的直線位移傳感器；所述的滑塊在滾珠 絲杠II的驅動下能沿著直線滑臺上下移動。
7. 如權利要求1-6任一所述的新型海上起重機升沉補償系統的補償方法，其特征在 于，如下： 步驟1對聲波傳感器和甲板距離初始化； 步驟2啟動絞車，將連接在電磁鐵上的貨物提升到設定的高度； 步驟3貨物懸停4秒，啟動升沉運動模擬裝置； 步驟4啟動絞車，將貨物下放至目測安全位置； 步驟5停止絞車，啟動升沉補償系統； 步驟6每隔1. 5s使甲板與貨物距離減少1mm ; 步驟7當貨物與甲板接觸時，控制絲杠下降1. 5cm ; 步驟8再次啟動升沉補償，使貨物與甲板保持接觸； 步驟91s后卸放貨物； 步驟10啟動絞車，將升沉補償裝置提升，絲杠復位； 步驟11升沉運動模擬裝置復位。
【文檔編號】B66C23/06GK104370229SQ201410660704
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】劉文龍, 陳良路, 朱林, 趙彥琪, 呂慧軒, 薛浩 申請人:中國石油大學(華東)