被动式恒张力液压绞车的基本液压原理如图 1 所 示。 液压泵 8 用于向液压绞车提供动力单元。 点划线方 块 A 里的元件就是恒张力液压绞车的基本控制模块。 被动式恒张力控制的基础就是一个远程控制溢流阀 3， 用于限制作用在液压马达上的压力。 先导调节溢流阀 4 允许远程设定溢流阀压力。

  1-液压马达 2-高低速切换阀 3-远程控制溢流阀 4-先导调节溢流阀 5-平衡阀 6-压力补偿方向阀 7-背压阀 8-液压泵 9-可调针阀 A-恒张力控制元件 图 1 被动式恒张力液压绞车基本液压原理图

  对于船用被动式恒张力绞车的实际效果试验，国 内 外 已 经 作 的 大 量 的 工 作 。 M.R.Mitchell 和 J.G. Dessureault 就曾经在一种水文取样绞车上对该种形式 的绞车做过细致的试验分析[4]。 得出的结论是，采用被 动式恒张力控制形式， 钢丝绳上的张力符合绞车在海 洋上船体加减速的频率特性， 且张力的频率变化比未 采用恒张力控制时减小了一半多， 张力峰值减小的百 分二十左右。 在此基础上，对系统来进行带闭环，增大增 益的限幅变比例分段恒张力控制策略， 能有效地改善 大惯性负载时的动态性能[7]。 虽然前面提及的许多先进 复杂的恒张力方式能取得更加良好的应用结果， 但考 虑到采用这种基本的被动式恒张力液压绞车设计简 单、适应能力强、可靠性高、成本较低，所以仍不失为一种 经济的选择。

  被动式恒张力液压绞车可以补偿海洋作业时船体 的运动，能显著的减小钢丝绳上的张力变化，并改善整 个作业行为。 这种系统对于整个液压绞车的改动是非 常小的，也便于应用到其它许多不同的液压绞车上。

  收 稿 日 期 ：2013-05-17 作者简介：江峰（1980－），男，江西人，工程师，硕士研究生，现主要是做流体 传动及控制、机械设计与制造方面的研究。

  1.1 开式回路恒张力液压绞车系统 （1） 定 量 泵 系 统 ， 开 式 恒 张 力 定 量 泵 系 统 是 最 基 本

  的恒张力液压系统， 它通过高压溢流阀全流量溢流维 持系统相对恒定的压力，有较大的功率损失。

  将控制阀调整到最大流量全速收绳的方向 （见图 2），则全部的流量通过打开的溢流阀流入作为泵工况 的液压马达进油口， 从而增大了绞车的放绳速度，绞 车速度的增大进而导致溢流阀的再次关闭，又使马达 压力增大，同时又减小了放绳速度。 当达到某一个平 衡点上时，液压绞车将停止运动并开始收绳。 通过调 节溢流阀的设定压力，能够获得期望的下放和提升速 度。 如图 2 所示，当船舶定位时，钢丝绳上的负载随波 浪变化，但绞车上的压力设定不变。 当绞车负载超过 压力设定时，钢丝绳放绳；当绞车负载小于压力设定 时钢丝绳收绳。

  摘 要：船用恒张力液压绞车是海洋作业船舶上最主要的拖拉和起货元件，基本功能就是在复杂的海洋环境下拖拉重物时最小化负载 的尖峰张力，其基本控制方式是由一个嵌入液压绞车系统回路的可调式压力溢流阀组成。 在简要介绍了各种不同的恒张力控制管理系统的 基础上，描述了被动式恒张力液压绞车的工作原理及操作方法，分析表明使用恒张力控制方式极大的减小了液压绞车上的钢丝绳张力 频率和峰值，并有效的改善整个绞车在海洋上的作业能力。 关键词：恒张力；液压绞车；被动式控制；液压系统 中图分类号：TH137.3 文献标识码：A 文章编号：1008-0813（2013）11-0038-03

  （2）恒 压 伺 服 变 量 系 统 ， 采 用 恒 压 控 制 的 闭 式 回

  图 2 恒张力作业时的液压流程图 这种被动式恒张力系统的响应基本取决于绞车的 惯性量和内部的摩擦力。 液压绞车是否能完全补偿船 体运动带来的张力变化能力受到绞车马达最大速度的 限制。 船体重量要求绞车能在低速大扭矩状态下运行， 因此使用低速大扭矩马达的优势越来越明显。 但当被动

  式恒张力液压绞车一直在全速操作时， 液压泵一直供 应液压油，此时会产生大量的热量，因而对于这种形式 的恒张力液压绞车一定要保证有足够的冷却来防止液压 系统的过热。

  船用恒张力液压绞车作为海洋工程船舶的主要工 作执行元件慢慢的受到关注，特别是在大功率条件下常 用于起重船、驳船、横移式挖泥船、铺管船，以及海上钻 探平台和其它船舶，也可作为“锚泊”绞车进行船舶的定 位和动力固定，或用于石油管路、设备的恒张力牵引和 释放。 作为作业船舶上最主要的拖拉或海洋起货元件， 有时恶劣的海洋条件下，船舶的起伏运动使得正常的拖 拉或海洋起货变得异常的困难，甚至难以完成。 整个船 体的运动对绞车钢丝绳产生巨大的惯性力和拖拽力，如 果再加上绞车的速度，可能使绞车下放时的速度超过物 体自由下放的速度。 这时，钢丝绳就会变得松散并产生 缠绞弧绕并造成破坏。 同样，当船体随波浪向上运动时， 钢丝绳受到达到破断拉力的严重瞬时负载的冲击，从而 造成钢丝绳损坏。 实际证明，船体的运动会严重影响船 用绞车在海洋的正常作业。 为此多种不同的恒张力补偿 控制原理被提出来用以改善上述影响。

  （2）恒压伺服变量 系 统 ，在 恒 压 伺 服 变 量 系 统 中 ， 采用了压力补偿变量泵(恒压泵)。 当系统处于保持状态 时，恒压泵输出流量近似为零；当绞车被拖放时，马达 输出流量经系统溢流阀溢流，系统输出仍然为零。 由于 系统在保持和释放阶段时液压泵处于恒压状态， 因而 与定量泵系统相比功率损失小，牵引、保持、释放状态 下的张力差值较小。 1.2 闭式回路恒张力液压绞车系统

  恒张力控制要求绞车在运动的负载下，在释放、保 持和牵引缆绳状态下保持较恒定的直线张力， 张力大

  当远程控制溢流阀 3 动作时， 液压马达的压力就 开始受到限制，且不受压力补偿方向阀位置的影响。 因 为液压马达排量一定，最高压力受限后，液压马达的输 出拉力也就一定。 因此，如果此时钢丝绳张力太高，液 压绞车将被克服并放出钢丝绳。 即使当压力补偿方向 阀处在收绳方向也是如此。 2.2 操作方式

  船用被动式恒张力绞车操作方式一般如下：首先， 液压绞车按正常操作模式下放重物， 一旦重物下放到 水里， 就通过远程控制溢流阀降低压力设定等级。 此 时， 当船体的重量造成液压绞车所受的负载高于压力 设定等级时，钢丝绳处于放绳状态。

  闭式回路恒张力液压系统的理想特性是转矩不受 绞车旋转方向的影响和具有最短的反馈时间。 然而为 了避免中心点附近振动而引起的撞击， 在两个旋转方 向的转矩之间应保持很小的差额。

  （1）常规变量系统 ，采 用 变 量 泵 的 闭 式 回 路 ，在 设 定恒张力模式时， 在收绳方向减小变量泵的排量即减 小了绞车在保持、释放状态时的溢流损失。 由于闭式系 统采用泵直接驱动马达模式， 系统总效率高， 因此牵

  Hydraulics Pneumatics & Seals/No.11.2013 小可在一些范围内设定与调整。 采用恒张力控制，既能 维持对控制目标的恒定约束， 避免控制目标过于 “自 由”，又能防止突发约束过大以至损伤控制目标现象的 发生。

  对于同层缆绳， 恒定的钢丝绳张力意味着马达输 出扭矩的相对恒定，无论是作为“马达工况”牵引缆绳 还是作为“泵工况”释放缆绳。 对于定排量马达，扭矩的 恒定说明马达高压腔工作所承受的压力恒定 （忽略低压腔压力 的变化）。 也就是说，恒张力液压绞车的操作是基于这 样一个原理： 即液压绞车的输出拉力与绞车的供油压 力成正比。 因此，钢丝绳张力的控制可通过调节液压系 统压力来实现。 2.1 系统原理

  在正常操作条件下，远程控制溢流阀 3 完全关闭， 对绞车的操作不起任何影响。 液压泵 8 给液压绞车上 的低速大扭矩液压马达 1 提供动力。 压力补偿方向阀 6 调节系统流量并控制液压马达旋向和速度。 液压绞车 由两个液压马达按串并联方式驱动。 由高低速切换阀 2

  液压气动与密封/2013 年第 11 期 选择液压绞车的操作模式， 即低速大扭矩或高速小扭 矩两种操作模式。 平衡阀 5 在液压马达的排油腔产生 足够的背压，形成制动力矩，起到动态制动的作用，保 证液压马达不被超速运转。 只有当压力油通过可调针 阀 9 进入平衡阀先导口，才能稳定的下放重物。