邱少華，施衛(wèi)東，宋志國，紀立超，楊 旭

(1.南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.南通大學(xué)，江蘇 南通 226019； 3.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237)

1 引 言

近年來，隨著海上石油開采、海上風力發(fā)電、遠洋運輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)活動日益頻繁，海工裝備的種類、功能、重量等不斷升級與提高。長期的海上作業(yè)活動，需要人員與物料的有效補給，補給裝備成為海工裝備的核心部件。復(fù)雜惡劣海況下，海工棧橋可在船體與船體或船體與建筑物間建立人員通道，通過波浪補償保證棧橋兩端始終連接兩個對接目標，避免棧橋受到過載的連接力，保證人員與物料補給的安全。海工棧橋在大型海上生活平臺、風電運維船、綜合補給艦等擁有廣泛的應(yīng)用前景。

針對具備波浪補償功能的海工棧橋，國內(nèi)外學(xué)者從設(shè)計、制造與測試等多個角度開展了大量的研究工作。挪威海洋技術(shù)研究所的Wu采用頻域方法建立了一種主動波浪補償棧橋的對接操作數(shù)值計算模型，可對棧橋搭接作業(yè)的可操作性進行有效評估[1]。九江精密測試技術(shù)研究所的蘇長青等設(shè)計出一種具備橫搖、縱搖與伸縮補償功能的棧橋，并對棧橋開展了運動學(xué)分析與控制系統(tǒng)設(shè)計[2]。上海振華重工的胡貫勇等設(shè)計了一種包含回轉(zhuǎn)、俯仰與伸縮3個關(guān)節(jié)的海工棧橋，并提出棧橋搭接前采用主動波浪補償控制及搭接后采用被動波浪補償控制的控制思路[3]?？菜祭飦喆髮W(xué)的Raúl Guanche等提出了一種可評估運維船舶和浮式風力發(fā)電平臺間安全人員輸送的波高限制計算方法[4]。中船華南船舶機械的安萬平等對比分析了不同波浪補償原理，設(shè)計了一種新型棧橋波浪補償液壓控制系統(tǒng)，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用隨動補償，橫搖與變幅關(guān)節(jié)采用主動補償，伸縮采用恒推力補償控制[5]。南通中遠海運船務(wù)工程的劉朋提出了一種大型海工棧橋的碼頭試驗方法[6]。哈爾濱工程大學(xué)的Liang Lihua等建立了一種三自由度海工棧橋的運動學(xué)與動力學(xué)模型，并基于關(guān)節(jié)的逆動力學(xué)設(shè)計一種主動波浪補償控制策略[7]。

上述研究，在棧橋主動波浪補償與被動波浪補償方面提出了系列的解決方案。然而，由于海況與作業(yè)目標的復(fù)雜性，單一補償模式無法滿足眾多現(xiàn)場要求。因此，需要設(shè)計一種具備多功能的棧橋液壓控制系統(tǒng)，拓展棧橋的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文綜合考慮海工棧橋的各類典型工況，設(shè)計了一種集主動波浪補償、恒撐力被動波浪補償、無約束隨動波浪補償三種功能于一體的伸縮液壓控制系統(tǒng)，并在AMEsim軟件中，建立了該系統(tǒng)的仿真分析模型，研究系統(tǒng)在不同工況下的工作性能，以及不同工況下的模式切換情況。結(jié)果表明，多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)可以完成不同工況的補償控制，并具有工況切換平穩(wěn)的特點。

2 棧橋伸縮機構(gòu)分析

伸縮機構(gòu)是海工棧橋波浪補償機構(gòu)的末端運動關(guān)節(jié)，主要通過伸長與縮短棧橋過道的長度，配合棧橋的回轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)與俯仰運動關(guān)節(jié)，補償復(fù)雜海況下的船體與目標載體間的位姿變化，保障人員與物料的安全可靠運輸。目前，棧橋伸縮運動的驅(qū)動方式可分為液壓馬達驅(qū)動齒輪齒條與液壓缸直接驅(qū)動兩類。液壓缸的伸縮驅(qū)動裝置具有運動精度高、傳動效率高、安裝簡單、易于維護等優(yōu)點，但伸縮行程受限于液壓缸的自身長度，因此主要應(yīng)用于高精度的中小型海工棧橋。在液壓缸驅(qū)動伸縮機構(gòu)進行伸縮補償運動時，受到棧橋自身慣性力、自身重力、人員/貨物慣性力、人員/貨物重力、機構(gòu)摩擦力、不確定風載荷等載荷的影響。并且由于現(xiàn)場海況復(fù)雜，船體與目標載體間的位姿變化速度較快，要求伸縮運動速度也較快。

本文針對上述工況環(huán)境，設(shè)計了一種新型的大流量、高精度電液比例控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)主動波浪補償、恒撐力被動波浪補償、低阻力自由位置被動補償控制三種功能。在主動波浪補償控制模式下(主要面向棧橋末端與目標載體未剛性連接情況)，可實現(xiàn)伸縮機構(gòu)的精確位置控制，配合其余運動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)棧橋末端搭接點與目標載體間保持空間位置相對靜止。在恒撐力被動波浪補償(主要面向棧橋末端與目標載體接觸但不連接)模式下，可實現(xiàn)伸縮機構(gòu)與目標載體間垂直接觸力的精確控制，配合其余運動關(guān)節(jié)，在保證棧橋橋體受力可控的前提下，避免棧橋與目標載體發(fā)生脫離。在無約束隨動波浪補償模式下(主要面向棧橋末端與目標載體剛性連接的情況)，可實現(xiàn)伸縮機構(gòu)的自由直線運動，配合其余運動關(guān)節(jié)，保證棧橋橋體受力可控。

3 棧橋多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)原理設(shè)計

海工棧橋伸縮補償液壓控制系統(tǒng)包括主動位置控制、恒撐力被動位置控制與低阻力自由位置被動補償控制三個功能模塊及其相關(guān)模式切換控制模塊。主動波浪補償位置控制由大流量三位四通比例換向閥控制液壓缸實現(xiàn)，液壓缸內(nèi)裝有位移傳感器，提供實時的位移反饋。液壓缸兩腔的出口處均設(shè)有壓力傳感器，提供實時的壓力反饋。液壓缸兩腔之間設(shè)有節(jié)流口以提高系統(tǒng)阻尼。恒撐力被動位置控制由恒壓蓄能器組、兩位四通比例換向閥與伸縮液壓缸共同完成，通過調(diào)節(jié)兩位四通比例換向閥的閥芯位置，可實現(xiàn)模式切換過程中壓力的有效控制。無約束自由位置控制由兩個兩位四通液控換向閥與伸縮液壓缸共同完成。圖1為本文設(shè)計的海工棧橋伸縮補償液壓控制系統(tǒng)原理圖，其中，1～6為儲氣瓶；7，16，17為壓力傳感器；8為兩位四通比例換向閥；9為液壓缸；10為位移傳感器；11為活塞式蓄能器；12，14為節(jié)流閥；15，18為兩位四通液控換向閥；19，21為兩位四通電磁換向閥；20為三位四通比例換向閥；22為液壓油源；23為油箱。

圖1 棧橋多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)原理圖

3.1 主動波浪補償控制設(shè)計

面向?qū)痈◇w目標缺少機械連接點，或者棧橋與目標機械連接前需要保持棧橋末端與目標浮體空間位置相對靜止，以避免棧橋與目標搭接點間的剛性碰撞，保證人員與物料的安全運輸，針對這一功能，本文設(shè)計一種基于位置前饋的PD控制策略，實現(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)位置的高速高精度位置控制?；谖恢们梆伒腜D控制策略，根據(jù)伸縮關(guān)節(jié)位置反饋與運動學(xué)逆解得到伸縮關(guān)節(jié)參考信號，調(diào)整三位四通比例換向閥閥芯，實現(xiàn)液壓缸的位置控制。

液壓缸伸出過程中，油源內(nèi)的高壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流回油箱。液壓缸縮回過程中，油源內(nèi)的高壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流入液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流回油箱。

3.2 恒撐力被動補償控制設(shè)計

面向部分對接目標平臺承重不夠，無法支撐棧橋部分自重，設(shè)計一種恒撐力補償控制回路。棧橋末端與對接目標碰觸后，將主油路切換為恒壓蓄能器組，并將其作為穩(wěn)定的恒壓油源。液壓缸在恒壓蓄能器組的作用下輸出恒定撐緊力，使棧橋末端撐在對接目標側(cè)面，并保證搭接過程不發(fā)生脫離，實現(xiàn)恒撐力被動補償控制功能。

系統(tǒng)由主動補償切換至恒撐力補償?shù)倪^程中，三位四通比例換向閥切換至中位，兩位四通比例換向閥緩緩打開至最大開口，逐漸降低蓄能器出口與液壓缸無桿腔的壓差，液壓缸在無桿腔內(nèi)恒壓油的作用下做恒力推進運動。在波浪擾動作用下，對接目標距離增大時，伸縮液壓缸伸出，蓄能器組內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥進入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔內(nèi)油液經(jīng)兩位四通比例換向閥流回油箱；對接目標距離減小時，伸縮液壓缸縮回，油箱內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥補充至液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥流入蓄能器組。

3.3 低阻力自由位置被動補償控制設(shè)計

面向部分對接目標對接平臺可以支撐棧橋部分自重，并可完成與棧橋的剛性連接，設(shè)計一種低阻力自由位置被動補償控制回路。當棧橋伸縮液壓控制系統(tǒng)與目標物體搭接后，伸縮液壓缸的有桿腔與無桿腔均直接接入油箱，實現(xiàn)低阻力自由隨動伸縮，降低伸縮運動給船體與對接目標帶來的耦合作用力。

當系統(tǒng)由主動補償控制切換至低阻力自由位置被動補償控制的過程中，三位四通比例換向閥復(fù)位至中位，兩個兩位四通液控換向閥切換至左位，將伸縮液壓缸的有桿腔與無桿腔分別接入油箱。在波浪擾動作用下，對接目標距離增大時，伸縮液壓缸伸出，油箱內(nèi)油液經(jīng)兩位四通液控換向閥進入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔的油液經(jīng)過兩位四通液控換向閥流入油箱。對接目標距離縮小時，伸縮液壓缸縮回，油箱內(nèi)油液經(jīng)兩位四通液控換向閥進入液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔的油液經(jīng)兩位四通液控換向閥流入油箱。

4 棧橋多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)仿真分析

基于AMEsim軟件，建立海工棧橋伸縮補償液壓控制系統(tǒng)的主動波浪補償控制、恒撐力被動波浪補償控制與低阻力自由位置波浪補償控制三個功能模塊的仿真分析模型，對三

種波浪補償?shù)湫凸r進行仿真分析，并對主動波浪補償至恒撐力被動波浪補償、主動波浪補償至低阻力自由位置波浪補償進行仿真分析。

4.1 主動波浪補償控制分析

在AMEsim軟件中，搭建伸縮機構(gòu)的主動波浪補償控制仿真分析模型，如圖2所示。控制系統(tǒng)部分參數(shù)設(shè)置如下：兩位四通比例換向閥8、兩位四通電磁換向閥19、兩位四通電磁換向閥21的輸入控制信號均設(shè)置為0，使兩位四通比例換向閥8、兩位四通液控換向閥15、兩位四通液控換向閥18處于復(fù)位位置，此時三位四通比例換向閥20直接控制伸縮液壓缸9的位置。在這一液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計一種位置前饋的比例微分控制策略， 參考位置信號經(jīng)過微分， 直接作用于三位四通比例換向閥20，參考信號與實際液壓缸位移反饋之差，經(jīng)過比例與微分控制，同樣作用于三位四通比例換向閥20，以期同時實現(xiàn)液壓系統(tǒng)高動態(tài)響應(yīng)與高精度追蹤。

圖2 伸縮機構(gòu)主動波浪補償仿真分析模型

為測試設(shè)計的系統(tǒng)及其控制策略在主動波浪補償模式下的軌跡控制性能，輸入一個幅值為±1m，頻率為0.08Hz的正弦參考信號(最大速度0.5m/s)，仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，液壓缸的實際位移曲線與輸入的參考信號位移曲線高度一致，其誤差控制在±0.006m范圍之間。因此，設(shè)計的棧橋多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)主動波浪補償控制。

(a)正弦位置追蹤仿真結(jié)果 (b)正弦位置追蹤誤差仿真結(jié)果圖3 仿真結(jié)果

4.2 恒撐力被動波浪補償控制分析

在圖2模型基礎(chǔ)上，進一步修改參考位置信號、兩位四通比例換向閥的輸入信號與控制器輸出信號等參數(shù)，研究系統(tǒng)由主動波浪補償控制模式切換至恒撐力被動波浪補償控制模式時的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。此外，在AMEsim軟件中，搭建伸縮機構(gòu)的恒撐力被動波浪補償控制仿真分析模型，研究在波浪擾動引起船體位移發(fā)生偏離情況下的撐緊力控制性能，如圖4所示。

圖5為系統(tǒng)由主動波浪補償控制模式切換至恒撐力被動波浪補償控制模式時的系統(tǒng)壓力與位移響應(yīng)。此時，主動波浪補償位置控制參考值為1m，并設(shè)置對接目標距離1.05m。系統(tǒng)在3s～5s采用主動波浪補償控制模式，5s～10s采用恒撐力被動波浪補償控制模式(位置控制器輸出為0)。為實現(xiàn)平穩(wěn)切換，從5s開始兩位四通比例閥閥口線性開啟(開啟速率根據(jù)壓差決定)，直至最大開口。由仿真可知，模式切換過程中，伸縮液壓缸無桿腔壓力穩(wěn)定過渡， 直至與蓄能器壓力相同， 且位移平穩(wěn)變化。 因此， 設(shè)計的系統(tǒng)及控制策略可保證主動波浪補償控制模式至恒撐力被動波浪補償控制模式的平穩(wěn)切換。

圖4 波浪擾動下的恒撐力仿真分析模型

(a)位移-時間的變化曲線 (b)壓力-時間的變化曲線 (c)支撐力-時間的變化曲線圖5 壓力與位移響應(yīng)

圖6為系統(tǒng)受到一個幅值為±1m、頻率為0.08Hz的正弦位移擾動時(最大速度0.5m/s)，伸縮補償系統(tǒng)的壓力時間響應(yīng)特點。仿真結(jié)果表明，支撐力波動控制在±400N以內(nèi)。因此，設(shè)計的恒撐力被動波浪補償控制系統(tǒng)在面對復(fù)雜快速的波浪擾動時，可保證撐緊力的穩(wěn)定，避免棧橋末端與目標發(fā)生脫離，同時避免過大接觸力的發(fā)生。

4.3 低阻力自由位置波浪補償控制分析

在圖2模型基礎(chǔ)上，進一步修改參考位置信號、兩位四通液控換向閥控制信號與控制器輸出信號等，研究系統(tǒng)由主動波浪補償控制模式切換至低阻力自由位置波浪補償控制模式時的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。在AMEsim軟件中，搭建伸縮機構(gòu)的低阻力自由位置波浪補償控制仿真分析模型，研究在波浪擾動引起船體位移發(fā)生偏離的情況下，伸縮液壓系統(tǒng)的隨動補償性能，如圖7所示。

為分析系統(tǒng)由主動波浪補償控制模式切換至低阻力自由位置波浪補償控制時的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)，在仿真過程中，讓系統(tǒng)在3s～5s工作在主動波浪補償控制模式，5s時切換至低阻力自由位置波浪補償控制模式，仿真結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，在切換過程中，伸縮液壓缸的無桿腔與有桿腔壓力迅速恢復(fù)至回油壓力，切換過程未引起壓力與位置沖擊。

圖7 波浪擾動下的低阻力自由位置波浪補償分析模型

在圖7所示模式中，施加一個幅值為±1m、頻率為0.08Hz的正弦位移擾動時(最大速度0.5m/s)，系統(tǒng)響應(yīng)分析結(jié)果如圖9所示。由圖可知， 無桿腔與有桿腔壓力波動可

以控制在±0.6bar以內(nèi)，伸縮阻力可以控制在±160N以內(nèi)(不包括伸縮液壓缸自身的慣性力)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型海工棧橋多功能伸縮補償液壓控制系統(tǒng)，具備主動波浪補償控制、恒撐力被動波浪補償控制與低阻力自由位置波浪補償控制三種功能。主動波浪補償控制可滿足無搭接工況，以及有搭接的搭接前工況的末端位置補償，避免棧橋末端與目標物間剛性碰觸。恒撐力被動波浪補償控制適用于有搭接側(cè)面的作業(yè)目標，通過對棧橋末端與目標物間接觸力的精確控制，避免棧橋末端與目標物發(fā)生脫離與剛性接觸，保證人員與物料的安全運輸。低阻力自由位置波浪補償控制適用于有搭接平面的作業(yè)目標，通過降低棧橋關(guān)節(jié)隨動阻力，保證復(fù)雜工況下搭接點的可靠性，保證人員與物料的安全運輸。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的液壓系統(tǒng)可以很好地完成上述功能。此外，由主動波浪補償控制至恒撐力被動波浪補償控制的切換，以及由主動波浪補償控制至低阻力自由位置波浪補償控制的切換，平穩(wěn)無沖擊?；诒疚牡脑碓O(shè)計，下一步可開展工程設(shè)計與應(yīng)用設(shè)計研究。

(a)液壓缸壓力-時間變化曲線 (b)液壓缸位移-時間變化曲線圖8 仿真結(jié)果

(a)位移-時間變化曲線 (b)壓力-時間變化曲線 (c)伸縮阻力-時間變化曲線圖9 系統(tǒng)響應(yīng)分析結(jié)果