丁海東，李達平，張 園

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引 言

隨著海洋探索、開發(fā)活動日益增多，無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）作為海底開采和生命科學研究的重要探測設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。半潛式石油平臺在水下防噴器安裝、海底取樣、海床地形地貌測繪和海上風電基站托管架安裝等項目中起到關(guān)鍵性作用[1]。A型架吊相對于直臂吊和折臂吊具有結(jié)構(gòu)簡單、操作維護便利等優(yōu)點，常被應(yīng)用于ROV的布放回收工作中，一般安裝在母船的側(cè)舷或艉部。在布放目標對象時，A型架吊將其通過變幅吊運到舷外，再由帶波浪補償?shù)慕g車將其下放到海底作業(yè)。同理，反方向工況可實現(xiàn)目標對象回收工作[2]。本文對上海振華重工（集團）股份有限公司研發(fā)的新型ROV布放回收A型架吊系統(tǒng)進行分析，指出液壓系統(tǒng)通常被忽略的問題，選取系統(tǒng)中比較重要的變幅機構(gòu)進行建模仿真，為以后研制類似設(shè)備提供參考。

1 A型架吊系統(tǒng)設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

A型架吊主要由基座、伸展機構(gòu)、變幅機構(gòu)、止蕩機構(gòu)、夾持回轉(zhuǎn)機構(gòu)和夾持鎖緊機構(gòu)組成。圖1為機械結(jié)構(gòu)圖，其中：狀態(tài)1為運輸狀態(tài)；狀態(tài)2為作業(yè)狀態(tài)。由狀態(tài)1可知，在運輸時，門架通過機構(gòu)的折疊，保持與基座平行；這種設(shè)計可節(jié)省空間[3]。此外，為便于陸上卡車直接運輸，基座的寬度及卡扣形式與集裝箱保持一致。伸展機構(gòu)上安裝限位接近開關(guān)，在作業(yè)時，首先將伸展機構(gòu)油缸伸出，到達工作位置，限位觸發(fā)，伸展油缸停止動作并保持在工作位置。門架的變幅由兩邊對稱的變幅油缸完成，采用剛性同步形式。油缸上安裝有位移傳感器，可通過油缸的位移換算變幅的實時角度。綜上所述，到達作業(yè)位置實際上由伸展和變幅 2步動作完成。在同類產(chǎn)品中，僅依靠變幅油缸來完成，相同的變幅角度需伸出較長的油缸行程。在設(shè)計油缸時，細長的油缸對活塞桿材料的撓性和剛性要求更高。為滿足安全系數(shù)要求，往往將油缸做得比較大，這會增加設(shè)備的重量和采購成本。止蕩機構(gòu)根據(jù)液壓缸的對稱動作來緩沖吸收波浪起伏引起的沖擊?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)安裝有液壓電機來調(diào)整夾持的角度。鎖緊機構(gòu)的主要功能是：當ROV從海底回收到鎖緊機構(gòu)位置時，單作用油缸開始伸出夾持鎖緊機構(gòu)，進一步由變幅返回甲板面。 在下放ROV的過程中，鎖緊機構(gòu)的打開需與絞車聯(lián)動，保證絞車能在給鋼絲繩一定的預(yù)緊力的情況下打開鎖緊油缸。

圖1 機械結(jié)構(gòu)圖

1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖2為液壓系統(tǒng)原理圖，采用比例多路閥控制各機構(gòu)動作。多路閥選擇的標準為：既可采用遠程電比例控制，也可采用本來的手柄操作控制，彈簧自復(fù)位。在動力源的設(shè)計滿足各機構(gòu)聯(lián)動的情況下，為保證執(zhí)行機構(gòu)的動作不受負載的影響，且速度只與閥口的開度有關(guān)，比例多路閥采用閥前壓力補償?shù)男问?。在止蕩機構(gòu)中，電磁換向閥9實現(xiàn)止蕩油缸從浮動狀態(tài)到主動運動偏擺的過程。夾持回轉(zhuǎn)機構(gòu)選配的擺線馬達具有體積小、重量輕、慣性小、低速大扭矩和可實現(xiàn)無級調(diào)速等特點，省去變速箱可解決安裝空間有限的問題。夾持鎖緊機構(gòu)選用彈簧復(fù)位油缸來保證閥件在失效的情況下安全打開。變幅油缸機構(gòu)與伸展油缸機構(gòu)的不同之處在于：伸展油缸無桿腔安裝了壓力傳感器16，在工作過程中，隨著變幅油缸的運動和機構(gòu)幅值角度的增大，伸展油缸會由受壓狀態(tài)變成受拉狀態(tài)。為監(jiān)控油缸是否存在吸空現(xiàn)象，需采集壓力傳感器信號，實時監(jiān)測油缸無桿腔的壓力。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)分析

為節(jié)省現(xiàn)場故障分析時間，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，本文僅對液壓系統(tǒng)調(diào)試工作和系統(tǒng)維護過程中容易被忽略的幾個問題進行分析。

2.1 液壓油

液壓油的清潔度與系統(tǒng)的可靠性、控制精度及元件使用壽命息息相關(guān)。油液的污染容易造成元件的磨損、卡滯，使得系統(tǒng)內(nèi)泄漏情況加劇，甚至無法運行[4]。因此，影響清潔度的每個工序都要予以重視。

1) 需注意在該系統(tǒng)中，清潔度要求為NAS 7級，新采購的液壓油不能直接加注，需在過濾至優(yōu)于NAS 7級之后才能注入油箱；

b) 在管路的沖洗中，對沖洗的流速和溫度需有合理的工藝，沖洗溫度≥60℃，雷諾數(shù)＞4000，并保證在紊流的狀態(tài)下沖洗；

c) 在整個施工過程中，應(yīng)保護好已沖洗干凈的管路及元件，避免二次污染。

液壓油另一個重要指標是含水量。當液壓油含水量較大時，容易造成乳化現(xiàn)象，乳化后液壓油的黏度明顯下降，元件得不到很好的潤滑，會加速磨損和銹蝕，對系統(tǒng)造成很大危害。因此，液壓油乳化之后將無法繼續(xù)使用。該系統(tǒng)要求液壓油含水量＜0.1‰，并選用帶干燥劑填充的空濾器。

2.2 系統(tǒng)的排氣

在閉式系統(tǒng)或大型油缸系統(tǒng)中，當開始調(diào)試或長時間不運行時，執(zhí)行機構(gòu)往往會出現(xiàn)跳動、顫抖等現(xiàn)象。下面從油液彈性模量的角度來分析該現(xiàn)象。式(1)中，彈性模量是油液壓縮性能的直接體現(xiàn)，彈性模量越大或越穩(wěn)定，越有利于提高系統(tǒng)的控制精度[5]。

式(1)中：B為彈性模量，Pa；0V為油液初始體積，L；PΔ為輸入油液壓差，Pa；VΔ為油液在PΔ下的變化量，L。

含氣量對有效彈性模量的影響關(guān)系式為

式(2)中：effB 為有效彈性模量，Pa；γ為含空氣百分比，%；aB為空氣彈性模量，Pa；λ為含液壓油百分比，%；oB為液壓油彈性模量，Pa；cB為油缸或管路的彈性模量，Pa。

由式(1)和式(2)及圖3可知，傳送介質(zhì)的有效彈性模量相當于液壓油彈簧模型、空氣彈簧模型和容器彈簧模型的串聯(lián)作用。有效彈性模量隨著空氣含量的增加而減小。為使系統(tǒng)更穩(wěn)定地運行，盡量減少空氣對系統(tǒng)的干擾，防止空氣氣蝕元件。在設(shè)計過程中，回油管需插至油箱液面以下，且吸油管與回油管之間應(yīng)設(shè)計隔離板，以便于氣泡排出。同時，在調(diào)試之前要對系統(tǒng)中的管路和油缸進行排氣。

圖3 有效彈性模量曲線圖

2.3 溫度對系統(tǒng)的影響

設(shè)備在海洋環(huán)境下運行，通常面對的溫差較大。在以往碼頭的液壓保壓系統(tǒng)中，壓力隨著溫度的變化而變化，甚至隨溫度的升高而出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。因此，當伸展油缸保持在工作位置時，壓力傳感器檢測無桿腔的壓力；當壓力超過設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出“伸展油缸無桿腔壓力過高”報警，同時輸出斜坡給比例多路閥進行卸壓，保證系統(tǒng)在安全壓力下運行。

3 系統(tǒng)控制

A型架吊的控制主要依靠變幅閥控油缸系統(tǒng)。由于2個變幅油缸采用剛性同步，因此在控制系統(tǒng)中，只選其中1個油缸作為控制對象，忽略門架的彈性變形對系統(tǒng)的影響。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，受液壓油的內(nèi)泄漏影響，彈性模量等因素會隨著負載的變化而變化。在不同負載情況下，即使輸入相同的值，輸出值的偏差也比較大。因此，引入PID對系統(tǒng)進行控制?？刂品匠淌絒6]為

式(3)中：pK 為比例增益；iK為積分增益；為PID輸入信號（誤差信號），m。為微分增益；（）u t為PID輸出信號，m；

圖4 變幅油缸系統(tǒng)簡化模型

建立變幅油缸系統(tǒng)簡化模型見圖 4，分段信號1設(shè)定，在0～5s內(nèi)輸出為0，在5～20s內(nèi)輸出為 0～0.8，在 20～35s內(nèi)輸出為 0.8～0。在沒有 PID參與的情況下，仿真結(jié)果見圖5。在運行時間為12.5s時，油缸位置為0.39698m，誤差為0.03018m，提高閥前增益 K（圖中“4”號位），控制精度增大，但增益過大會產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象（見圖6）。

圖5 仿真結(jié)果曲線

圖6 增益過大誤差輸出曲線

因此，在PID控制調(diào)試過程中，Kp的設(shè)置既要考慮提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間和控制精度，也要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當 Ki環(huán)節(jié)的設(shè)定偏小時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)振蕩；當Ki環(huán)節(jié)的設(shè)定偏大時，消減系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，效果不理想。Kd剛好與Ki相反，設(shè)置適當?shù)奈⒎衷鲆娌粌H可減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，而且可調(diào)高Kp值，得到更好的控制精度[7]。在PID設(shè)定之后，仿真結(jié)果曲線見圖7，誤差信號和油缸活塞桿速度跟蹤見圖8。

由圖7和圖8可知，在加入PID控制之后，有助于系統(tǒng)提高控制精度，減小穩(wěn)態(tài)誤差[8]。在研發(fā)新產(chǎn)品或新機型的過程中，PID控制的設(shè)定無法采用“經(jīng)驗法”來調(diào)節(jié)，往往采用“試湊法”，仿真的意義在于給現(xiàn)場調(diào)試人員一個參考值，縮短產(chǎn)品調(diào)試周期，提高工作效率。

圖7 PID調(diào)節(jié)后仿真效果曲線

圖8 PID調(diào)節(jié)后誤差與速度跟蹤曲線

4 結(jié) 語

本文介紹了A型架吊結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計及運行工況，還分析了液壓油液的清潔度及空氣和溫度對系統(tǒng)的影響。此外，對變幅機構(gòu)閥控油缸系統(tǒng)進行了建模仿真，采用PID調(diào)節(jié)控制得到比較理想的效果，可為類似設(shè)備的設(shè)計提供技術(shù)儲備和參考思路。