一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法 |
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| 申请号 | CN202311136104.0 | 申请日 | 2023-09-05 | 公开(公告)号 | CN117284934B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 中交第三航务工程局有限公司; | 发明人 | 杜宇; 秦宏磊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法，所述系统包括用于对接的执行单元、用于控 制动 作的控制单元、用于确保管路内液压的保护单元、用于实时监控启停的监测单元和用于接受测量 信号 并转换成动作信号控制动作的 控制器 ，所述方法通过实时监控吊具 支撑 件的 位置 和受 力 以及吊具的液压系统，进行了自动补偿，通过 自动调节 液压管路流向，增加了系统的安全保障的同时，确保了吊具的 水 平和对中，实现了吊具与被吊物的自动高效对接，提高了工作效率，大大提高了吊具的安全性和可靠性，同时降低了结构损坏的 风 险和使用成本，本发明具有广泛的适用性，尤其适用于高空作业的场景，能够准确监控吊具和被吊物的状态，实现安全、高效的对接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带液压补偿功能的吊具控制系统，所述吊具用于连接法兰，其特征在于，包括执行单元、控制单元、保护单元、监测单元和控制器，其中： |
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| 说明书全文 | 一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法技术领域背景技术[0002] 吊具是指起重机械中吊取重物的装置，被广泛应用于装卸和搬运物体。吊具与被吊物的连接和起吊方式也是多种多样的，根据不同的应用场景和需求，可以选择不同的吊 具和连接方式，在吊取成件物品最常用的吊具是吊钩、吊带，其他还有吊环、起重吸盘、夹钳 和货叉等。 [0003] 当前，除了通过人工手动的方式来实现吊具和被吊物之间的连接安装外，也可配合液压系统实现吊具与被吊物的连接和脱开。液压系统通过调整液压管路中的液压油的容 量，产生使液压油缸内的活塞杆进行伸缩运动的液压，可为吊具的开合提供动力。 [0004] 这类液压伸缩控制开合的吊具往往包括一个呈结合对称的主体和若干个可相对主体活动的支撑件，位于初始位置时的所有支撑件在竖直方向上的投影均匀分布于以主体 的几何中心为圆心的圆周线上，并且支撑件通常包括与被吊物侧壁最先接触的接触面板和 起吊时用于支撑被吊物的支撑面板，通过液压油缸的伸缩进一步驱动支撑件相对吊具主体 进行打开动作和收回动作。 [0005] 然而，在现有的技术中，这类液压伸缩控制开合的吊具仍存在以下缺点和不足：首先，由于用于启动液压系统的液压泵组和控制液压油缸伸缩方向的电磁阀仍然需要通过人 工手动控制启停，无法实现自动化对接被吊物，降低了工作效率；其次，当吊具支撑件的支 撑面板与被吊物表面存在障碍物时或是其他原因造成吊具倾斜时，支撑机构的支撑面板的 受力会不均匀，从而增加了吊具、被吊物或支撑机构结构损坏的风险；最后，当需要进行高 空作业时，由于视线和操作受限，更加难以准确监控吊具和被吊物的状态，增加了风险。 [0006] 海上风电导管架基础是海上风电设施的重要组成部分，法兰是导管架基础的一部分，导管架基础的顶部设有过渡段，过渡段的中部设有与筒体连接的法兰，法兰包括法兰面 板和法兰内孔，法兰的主要作用是连接导管架和其他设备。在导管架基础的安装和吊装过 程中，可以考虑通过将法兰与吊具连接，从而将导管架基础吊装到指定位置，但利用法兰将 吊具与导管架对接的过程中，由于吊具需要通过向外打开来支撑法兰面板的内侧面，因此 确保吊具的对中和吊具各支撑件的受力均匀很重要。由于海上风电导管架基础的高度一般 在70m以上，因此还存在高空作业的风险，所以在本申请中考虑利用液压伸缩控制开合的吊 具，并通过为带自动液压补偿的液压伸缩控制支撑件开合的吊具建立控制系统，并通过结 合PLC使用该系统来实现在高空处全自动对接导管架法兰。 [0007] 现有公开号为CN116556296A的中国发明申请文件公开了一种用于海上桩基光伏钢平台的自升式液压升降系统及方法，“包括若干矩阵设置的顶升单元、将顶升单元联接成 一体的联接单元，以及为顶升单元提供动力的控制单元，其中：顶升单元，用于擎举钢平台， 自下而上包括顶升底座和塔节单元，其中：顶升底座，包括底座、滑移底板、临时支架和液压 缸，底座通过滑移底板安装于甲板上，底座顶部通过四个临时支架固定在液压转盘上，底座 内置有液压缸；临时支架用于与塔节单元相插接，液压缸用于为塔节伸出和抬高提供动力； 塔节单元，包括若干段活动设置的塔节，塔节的一端通过滑道插入临时支架内，塔节的另一 端在液压缸作用下与钢平台相连；联接单元，用于联接顶升单元与顶升单元、顶升单元与钢 平台，包括若干活动节状加强梁，活动节状加强梁两端设置有耳板、中间设置有锁紧机构， 通过锁紧机构使顶升单元活动装配成一体；控制单元，用于协同联动控制各个顶升单元的 动作，包括液压泵站和流量阀组，液压泵站通过流量阀组与各个液压缸相连，保持钢平台相 对位置稳定。”，该系统及方法虽然通过顶升单元、联接单元和控制单元的协同工作，实现了 钢平台的抬升和稳定，但是，该系统及方法仍存在以下缺点和不足： [0008] 1、该发明中的顶升单元是通过临时支架与塔节单元相插接，当吊具支撑件的支撑面板与被吊物表面存在障碍物时，可能会造成顶升单元的损坏或不稳定。 [0010] 3、该发明中的顶升单元和联接单元的结构较为复杂，制造和维护成本较高，可能会影响其在实际应用中的推广。 发明内容[0011] 为解决以上所述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法，本发明通过实时监控吊具支撑件的位置和受力以及吊具的液 压系统，进行了自动补偿，通过自动调节液压管路流向，增加了系统的安全保障的同时，确 保了吊具的水平和对中，实现了吊具与被吊物的自动高效对接，提高了工作效率，大大提高 了吊具的安全性和可靠性，同时降低了结构损坏的风险和使用成本，本发明具有广泛的适 用性，尤其适用于高空作业的场景，能够准确监控吊具和被吊物的状态，实现安全、高效的 对接。 [0012] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用以下技术方案： [0013] 本发明的第一方面，提供一种带液压补偿功能的吊具控制系统，包括执行单元、控制单元、保护单元、监测单元和控制器，其中： [0014] 执行单元，包括液压油缸和支撑件，所述液压油缸通过伸缩运动带动所述支撑件绕主体进行打开动作和收回动作，所述支撑件用于连接法兰并通过支撑法兰进行被吊物的 起吊工作； [0015] 控制单元，用于控制所述执行单元的动作，包括第一电磁阀、第二电磁阀和为液压油缸提供动力的液压泵组，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀并联进液压管路且皆与液压 泵组连接，所述第一电磁阀和第二电磁阀用于控制液压油缸的伸缩运动； [0016] 保护单元，包括常闭的溢流阀，所述溢流阀设有安全阈值X，当液压管路内液压超过安全阈值X时，所述溢流阀自动打开，使液压油溢流回油箱； [0017] 监测单元，包括与控制单元相连的传感器和用于实时显示各传感器数据的显示器，传感器用于将采集自执行单元的测量信号反馈给控制器，并通过控制器转换成动作信 号控制控制单元动作，来实现控制单元的自动启停，所述传感器通过无线传输同步将测量 信号传递给显示器并在显示器上显示测量数据值； [0018] 所述传感器包括位置传感器、压力传感器和液压传感器，所述位置传感器设置于各接触面板上的同一水平高度处，用于监控支撑件与法兰筒体内壁之间的距离，并且位置 传感器通过信号连接控制器来控制第一电磁阀启停；所述压力传感器设置于各支撑面板的 正中位置处，用于监控支撑件的载荷大小，并且压力传感器通过信号连接控制器来控制第 二电磁阀启停；所述液压传感器设置于液压管路中，并位于溢流阀阀前位置处，用于监测液 压系统内的液压大小； [0019] 控制器，用于接受和处理来自传感器的测量信号并转换成动作信号控制执行单元动作。 [0020] 作为优选的技术方案，所述第一电磁阀和第二电磁阀皆采用具有三个工作状态的三位四通换向阀，所述三个工作状态分别是左位、右位和中位，用于实现液压管路的切换和 控制。 [0022] 作为优选的技术方案，所述传感器还包括用于实时监测吊具倾斜角度的角度传感器，所述角度传感器安装于主体的水平表面上。 [0023] 作为优选的技术方案，所述保护单元还包括蓄能器，所述蓄能器设置于液压油缸前的液压管路上，用于吸收缓和电磁阀突然切换时或油缸突然停止运动时所产生的冲击压 力，同时，所述蓄能器设有与溢流阀相同的安全阈值X，当系统内的液压值超过安全阈值X 时，液压油进入蓄能器。 [0024] 本发明的第二方面，提供一种带液压补偿功能的吊具控制方法，所述吊具包括支撑件和液压管路，运用上述带液压补偿功能的吊具控制系统，所述方法包括以下步骤， [0025] S1、改造液压管路： [0026] 根据被吊物的重量和吊具的最大载荷，通过计算确定液压管路中的安全阈值X，选择合适的溢流阀安装于液压管路中，同时，在液压管路中安装用于实时监视液压管路内液 压的液压传感器； [0027] 在液压管路中的液压油缸前并联安装第一电磁阀和第二电磁阀，在接触面板上安装位置传感器并通过信号连接至控制器，在支撑面板上安装压力传感器并通过信号连接至 控制器，控制器通过将传感器的测量信号转换成动作信号控制第一电磁阀和第二电磁阀； [0028] S2、将吊具移动至法兰内孔正上方，控制吊具向下移动，使支撑件进入法兰内孔； [0029] S3、通过显示器监视各接触面板上所设位置传感器的距离数据值，当各位置传感器首次同时产生测量信号时，此时，停止下移吊具；同时，位置传感器的测量信号传输至至 控制器来控制控制单元，使液压泵组自动启动并且电磁阀自动打开并切换至液压泵组和蓄 能器共同向液压油缸无杆腔供油的状态，液压油缸的活塞杆伸出，推动支撑件向外打开； [0030] S4、继续通过显示器监视位置传感器的距离数据值，当首个位置传感器所采集到的距离数据值减少至0时，电磁阀自动关闭，液压油缸停止运动，控制吊具向上移动； [0031] S5、通过显示器监视压力传感器的压力数据值，当支撑件的支撑面板接触法兰面板内侧平面后，首个压力传感器所采集到的压力数据值大于0时，停止上移吊具；同时，压力 传感器的测量信号传输至控制器来控制第二电磁阀，第二电磁阀自动打开并切换至液压泵 组和蓄能器共同向液压油缸无杆腔供油的状态，液压油缸的活塞杆伸出，推动支撑件向外 打开； [0032] S6、继续通过显示器监视液压传感器的液压数据值和压力传感器的压力数据值，直至各个支撑件上的压力数据值相同，且液压管路中的液压数据值维持稳定时，第二电磁 阀自动切换至中位工作状态，中位工作状态下，液压油缸的无杆腔和有杆腔都不进油不回 油，液压油缸的活塞杆在当前行程处停止，此时，控制吊具向上移动进行起吊； [0033] S7、当需要脱开时，将吊具向下移动，直至法兰支撑面脱离法兰面板内侧平面；当所有压力传感器所采集到的压力数据值降为0时，传感器提供测量信号给控制器，第二电磁 阀自动打开并切换至液压泵组和蓄能器共同向液压油缸有杆腔供油的状态，液压油缸的活 塞杆伸出，拉动支撑件向内收回； [0034] 作为优选的技术方案，在步骤S3‑S7的过程中，通过显示器监控液压管路中的液压传感器的液压数据值，当液压数据值上升至超过安全阈值X时，溢流阀自动开启，液压油溢 流回油箱，蓄能器自动接受来自该液压管路的液压油。 [0035] 如上所述，本发明具有以下有益效果： [0036] (1)本发明的一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法，不仅通过控制单元实现了对液压管路流向的自动调节，还通过保护单元保护了液压管路内的液压始终处于安全 阈值X内，增加了安全保障。 [0037] (2)本发明的一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法，通过监测单元、控制器以及控制单元之间的信号传输，实现了吊具与被吊物对接的自动化，减少了人工手动操作 的风险和时间成本，同时提高了工作效率。 [0038] (3)本发明的一种带液压补偿功能的吊具控制系统及方法，通过在接触面板上设置了位置传感器，在支撑面板上设置了压力传感器，并且将传感器分别与显示器和控制器 信号连接，能够在显示器上实时监测到支撑件的位置情况和受力情况，并且通过控制器将 传感器的测量信号转换成动作信号进而控制系统内执行单元的动作，实现了对伸缩开合吊 具的自动补偿，能够确保吊具的水平和对中，减少了支撑面板受力不均匀问题，提高了吊具 的安全性和可靠性，同时，减少吊具和被吊物的结构损坏的风险，提高了吊具的使用寿命并 降低了维护成本。 [0040] 图1是本发明一种带液压补偿功能的吊具控制系统示意图。 [0041] 图2是本发明一种带液压补偿功能的吊具控制方法流程示意图。 具体实施方式[0042] 为了更好地了解本发明的目的、结构和功能，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。 [0043] 在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书中所引用的如“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明的实施例和简化描述，而非所指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方向构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。 [0044] 实施例1 [0045] 如图1所示，本实施例提供一种带液压补偿功能的吊具控制系统，包括执行单元、控制单元、保护单元、监测单元和控制器。 [0046] 执行单元，包括液压油缸和支撑件，所述液压油缸通过伸缩运动带动所述支撑件绕主体进行打开动作和收回动作，所述支撑件用于连接法兰并通过支撑法兰进行被吊物的 起吊工作，所述吊具的每个支撑件都配有一个液压油缸、一套控制单元和一套保护单元。 [0047] 控制单元，用于控制所述执行单元的动作，包括第一电磁阀、第二电磁阀和为液压油缸提供动力的液压泵组，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀并联进液压管路且皆与液压 泵组连接，所述第一电磁阀和第二电磁阀用于控制液压油缸的伸缩运动。 [0048] 在本实施例中，所述第一电磁阀和第二电磁阀皆采用具有三个工作状态的三位四通换向阀，所述三个工作状态分别是左位、右位和中位，用于实现液压管路的切换和控制。 [0049] 更优选地，在其他实施例中，可以将第一电磁阀和第二电磁阀替换为电液伺服阀，用于控制液压油缸的伸出缩回速度、运动方向以及每次动作行程。具体控制过程为：吊具安 装过程中，角度传感器实时监测专用吊具倾斜角度，将角度测量信号传递至控制器，经过 PLC处理后，发出新的动作信号，该动作信号控制电液伺服阀的阀芯开始运动，进而控制抱 钩液压缸的伸出缩回的速度，运动方向以及其每次的动作行程，通过液压油缸活塞杆的伸 出与缩回来实现吊具支撑件在与法兰对接时的自动调平。 [0050] 保护单元，包括常闭的溢流阀和蓄能器。所述溢流阀设有安全阈值X，当液压管路内液压超过安全阈值X时，所述溢流阀自动打开，使液压油溢流回油箱；所述蓄能器设置于 液压油缸前的液压管路上，用于吸收缓和电磁阀突然切换时或油缸突然停止运动时所产生 的冲击压力，同时，所述蓄能器设有与溢流阀相同的安全阈值X，当系统内的液压值超过安 全阈值X时，液压油进入蓄能器。 [0051] 在吊具的支撑件和法兰的对接过程中，若遇到吊具支撑件的支撑面板与被吊物表面之间存在障碍物或支撑件支撑面板受力过大的情况，发生问题的支撑面板所处液压管路 中的液压会逐渐升高，当液压超过安全阈值X时，该液压管路的溢流阀会自动打开进行液压 油的溢流并维持系统内的液压低于安全阈值X，同时，蓄能器也会接受来自该液压管路的液 压油，辅助降低系统内的液压，直至其他支撑件的支撑面板与法兰面板接触并受力，当所有 支撑面板压力传感器上采集到的压力数据值一致时，液压油缸驱动支撑件走完行程，从而 实现水平托举导管架法兰，进而使吊具达到新的平衡状态。 [0052] 监测单元，包括与控制单元相连的传感器和用于实时显示各传感器数据的显示器，传感器用于将采集的测量信号反馈给控制器，并通过控制器转换成动作信号控制控制 单元动作来实现控制单元的自动启停，所述传感器通过无线传输同步将测量信号传递给显 示器并在显示器上实时显示测量数据值。 [0053] 所述传感器包括位置传感器、压力传感器、液压传感器，所述位置传感器设置于各接触面板上的同一水平高度处，用于监控支撑件与法兰筒体内壁之间的距离，并且位置传 感器通过信号连接控制器来控制第一电磁阀启停；所述压力传感器设置于各支撑面板的正 中位置处，用于监控支撑件的载荷大小，并且压力传感器通过信号连接控制器来控制第二 电磁阀启停；所述液压传感器设置于液压管路中，并位于溢流阀阀前位置处，用于监测液压 系统内的液压大小。 [0054] 控制器，用于接受和处理来自传感器的测量信号并转换成动作信号控制执行单元动作，本实施例中采用的控制器为可编程逻辑控制器(PLC)。 [0055] 还可在吊具主体的水平表面上安装角度传感器，用于实时监测吊具倾斜角度，所述角度传感器采集到的角度数据值也通过无线传输同步将测量信号传递给显示器并实时 显示。 [0056] 实施例2 [0057] 如图2所示，本实施例提供一种带液压补偿功能的吊具控制方法，运用如实施例1中所述带液压补偿功能的吊具控制系统，本实施例中以吊具与法兰的对接过程和脱开过程 为例，所述方法包括以下步骤， [0058] S1、对吊具进行液压管路改造和安装传感器： [0059] 根据被吊物的重量和吊具各支撑件的最大载荷，通过计算确定液压管路中的安全阈值X，选择合适的溢流阀和蓄能器安装于各支撑件的液压管路中，使所选溢流阀在超过安 全阈值X后会自动开启并通过将液压油溢流回油缸的方式对液压管路中的液压进行降压， 使所选蓄能器在超过安全阈值X后会自动接受来自液压管路中的液压油从而对液压管路中 的液压进行降压，同时，在液压管路中安装用于实时监视液压管路内液压的液压传感器，以 防出现意外； [0060] 在液压管路中的液压油缸前并联安装第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀皆采用具有三个工作状态的三位四通换向阀；在接触面板上安装用于监控支 撑件接触面板与法兰筒体内壁之间距离的位置传感器并通过信号连接至控制器进而控制 第一电磁阀；在支撑面板上安装用于监控支撑件的载荷大小的压力传感器并通过信号连接 至控制器进而控制第二电磁阀； [0061] 在本实施例中，还在吊具主体的水平表面上安装了用于实时监测吊具倾斜角度的角度传感器，可以更直观的获得吊具的当前状态； [0062] 所述传感器均可通过无线传输实时将测量信号传递给显示器并在显示器上实时显示测量数据值，通过显示器监测各传感器的数据便于判断控制起重机械对吊具进行上下 移动或停止的时机； [0063] S2、通过起重机械将吊具移动至法兰内孔正上方后，控制吊具向下移动，使吊具的支撑件进入法兰内孔； [0064] S3、通过显示器监视各接触面板上所设位置传感器的距离数据值，当所有位置传感器首次同时产生测量信号时，通过起重机械停止下移吊具；此时，位置传感器的测量信号 传输至控制器来控制控制单元，使液压泵组自动启动，并使第一电磁阀自动打开切换至左 位工作状态，工作中，液压泵组和蓄能器共同向液压油缸无杆腔供油，液压油缸的活塞杆伸 出，推动支撑件向外打开，法兰支撑件的法兰接触面板向法兰筒体内壁靠近，随着法兰接触 面板与法兰筒体内壁距离减小，各个位置传感器所采集到的距离数据值也逐渐减小； [0065] S4、继续通过显示器监视位置传感器的距离数据值，当首个位置传感器所采集到的距离数据值减少至0时，工作中的第一电磁阀自动切换至中位工作状态，中位工作状态 下，液压油缸的无杆腔和有杆腔都不进油不回油，液压油缸的活塞杆在当前行程处停止，此 时通过起重机械控制吊具向上移动； [0066] S5、通过显示器监视压力传感器的压力数据值，当支撑件的支撑面板接触法兰面板内侧平面后，首个压力传感器所采集到的压力数据值大于0时，停止上移吊具；同时，压力 传感器的测量信号传输至控制器来控制第二电磁阀自动打开并切换至右位工作状态，工作 中，液压泵组和蓄能器共同向液压油缸无杆腔供油，液压油缸的活塞杆伸出，推动支撑件向 外打开； [0067] S6、继续通过显示器监视液压传感器的液压数据值和压力传感器的压力数据值，直至各个支撑件上的压力数据值相同，且液压管路中的液压数据值维持稳定时，通过控制 器发出的动作信号控制第二电磁阀自动切换至中位工作状态，中位工作状态下，液压油缸 的无杆腔和有杆腔都不进油不回油，液压油缸的活塞杆在当前行程处停止，此时，通过起重 机械控制吊具向上移动进行起吊； [0068] S7、移动至安装位置后，当需要将吊具与法兰进行脱开时，通过起重机械将吊具向下移动，直至压力传感器所采集到的压力数据值降为0时，压力传感器提供测量信号给控制 器，控制器转换成动作信号控制第二电磁阀自动打开并切换至右位工作状态，工作中，液压 泵组和蓄能器共同向液压油缸有杆腔供油，液压油缸的活塞杆伸出，拉动支撑件向内收回； [0069] 在步骤S3‑S7的过程中，通过显示器监控液压管路中的液压传感器的液压数据值，当液压管路中出现问题时，能够及时发现处理，同时，当液压数据值上升至超过安全阈值X 时，溢流阀自动开启，液压油溢流回油箱，蓄能器自动接受来自该液压管路的液压油。 [0070] 根据S6步骤中显示器上的液压数据值，当液压数据值无法维持稳定时则进行维护和保养，包括更换液压油和故障元件，以确保系统的正常运行和使用寿命。 |
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