深海絞車回收ROV速度的仿真分析

羅 升，許 可，宋 強(qiáng)，趙飛虎

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引言

遙控水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)在人類探索、研究、開發(fā)深海資源的過程中承擔(dān)著重要的作用[1]，目前，采用從母船上通過甲板絞車直接布放水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)入深海，或者從甲板上布放中繼器(TMS)進(jìn)入深海，然后再從中繼器上布放ROV的傳統(tǒng)模式,已經(jīng)越來越不能滿足深遠(yuǎn)海作業(yè)的要求。因?yàn)槠洳挤藕突厥者^程均在海面上，極易受到海面風(fēng)浪的影響，在風(fēng)浪作用下母船會上下起伏，使纜受到很大的附加力，可能超過纜的破斷拉力導(dǎo)致纜斷裂，或者由于纜反復(fù)張緊、松弛而疲勞斷裂[2]，從而造成布放作業(yè)任務(wù)的中止或者臍帶纜斷裂而引發(fā)ROV丟失。因此通過深海載人潛水器進(jìn)行ROV的布放回收顯得尤為重要。深海載人潛水器攜帶包括ROV及其收放絞車的作業(yè)模塊進(jìn)入深海，就近從載人潛水器上布放ROV的作業(yè)模式不但能夠顯著提高工作效率，且能不受海面風(fēng)浪的影響，大大提高了安全性能，是未來的重要發(fā)展方向。

本文以工作于1 500 m深度的深海ROV絞車為研究對象，在考慮深海ROV絞車實(shí)際工作的高壓、低溫環(huán)境及其收纜過程中ROV所受的水流阻力的基礎(chǔ)上，建立AMESim仿真模型，并對其典型工況下的工作特性進(jìn)行仿真分析，研究卷筒轉(zhuǎn)動慣量、ROV質(zhì)量、臍帶纜剛度等因素對絞車收纜過程中ROV回收速度的影響規(guī)律。

1 深海ROV絞車的工作原理

深海ROV絞車與陸上使用的絞車最大不同在于其工作于1 500 m的深海環(huán)境下，在此深度上，海水壓力為15 MPa，海水溫度為2 ℃～3 ℃。為了克服和適應(yīng)海水壓力，深海液壓系統(tǒng)通常配備有壓力補(bǔ)償器，使油箱的壓力與海水壓力相等，解決了液壓元件耐壓的問題。另外高壓、低溫環(huán)境會使得液壓油的黏度迅速增大[3]，這一因素在油液參數(shù)設(shè)置時應(yīng)予以考慮。

圖1為深海ROV絞車的液壓原理，壓力補(bǔ)償器2使油箱1內(nèi)的油壓與海水壓力相等，液壓油從油箱1經(jīng)過濾器3進(jìn)入液壓泵4，液壓泵4排出的液壓油經(jīng)單向閥5進(jìn)入調(diào)速閥7，液壓油經(jīng)調(diào)速閥7后通過電磁換向閥8進(jìn)入液壓馬達(dá)12，驅(qū)動液壓馬達(dá)12轉(zhuǎn)動，從而帶動卷筒13旋轉(zhuǎn)；電磁換向閥8控制液壓馬達(dá)12的轉(zhuǎn)向，從而決定絞車收纜和放纜。安全閥6是系統(tǒng)的安全閥，溢流閥10起張力保護(hù)作用，平衡閥9能夠防止絞車放纜時馬達(dá)失速，梭閥11和電磁換向閥15配合實(shí)現(xiàn)馬達(dá)制動器14的脫開與閉合。

1-油箱；2-壓力補(bǔ)償器；3-過濾器；4-液壓泵；5，16-單向閥；6-安全閥；7-調(diào)速閥；8，15-電磁換向閥；9-平衡閥；10-溢流閥；11-梭閥；12-液壓馬達(dá)；13-卷筒；14-馬達(dá)制動器；17-冷卻器

深海ROV絞車的最嚴(yán)酷工況是在ROV失去動力的情況下，依靠絞車收纜將ROV拖回到深海載人潛水器上。因此，本文將重點(diǎn)對這一典型工況展開分析。

2 建立數(shù)學(xué)模型

卷筒動力學(xué)方程如下：

(1)

其中：J為卷筒以及纜的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω為卷筒轉(zhuǎn)速，rad/s；TM為液壓馬達(dá)驅(qū)動力矩，N·m；TL為負(fù)載力矩，N·m；f為摩擦阻力系數(shù)。

負(fù)載力距TL為：

(2)

其中：FL為纜上張力，N；D為卷筒直徑，m。

ROV在運(yùn)動時受到海水對其的阻力Fw為[4]：

(3)

其中：K為流力系數(shù)，通常取與拖曳力系數(shù)CD相同的值；ρ為海水密度，kg/m3；vc為ROV的迎流速度，m/s；A為ROV的迎流面積，m2。

絞車收纜過程中，最惡劣的工況設(shè)定為ROV自身失去動力，只能靠絞車收纜將其拖回，并且海流方向與ROV拖回方向相反，此時ROV的動力學(xué)方程為：

(4)

其中：m為ROV的質(zhì)量，kg；v為ROV的速度，m/s。

在此工況下，ROV的速度完全依耐于絞車的收纜運(yùn)動，因此，ROV的速度與絞車回收ROV的速度相等。

絞車收纜時，ROV的迎流速度vc為：

vc=v0+v.

(5)

其中：v0為海流速度，m/s。

調(diào)速閥閥口流量QL為：

(6)

其中：Cd為流量系數(shù)；W為閥口面積梯度，m；xv為閥口開度，m；Δp為閥口前后壓差，Pa。

忽略閥芯動態(tài)特性，定差溢流閥的平衡方程為：

p2+k0+k·xv1=p4+p5.

(7)

其中：p2、p4、p5分別為調(diào)速閥閥口2、4、5的壓力，Pa；k0為彈簧等效預(yù)壓縮壓力，Pa；k為彈簧等效剛度，N/m；xv1為定差溢流閥口開度，m。

當(dāng)p5=0，調(diào)速閥閥口4、2分別與可調(diào)節(jié)溢流閥進(jìn)出口連接時，式(7)可整理為：

k0+k·xv1=p4-p2=Δp.

(8)

3 AMESim仿真模型的建立

根據(jù)深海ROV絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其液壓原理，借助面向系統(tǒng)原理圖建模的AMESim軟件，在其草圖模式下調(diào)用系統(tǒng)提供的液壓庫、機(jī)械庫和控制庫建立如圖2所示的深海ROV絞車的AMESim仿真模型[5-8]，仿真系統(tǒng)中的主要參數(shù)見表1。

圖2 深海ROV絞車AMESim仿真模型

4 仿真結(jié)果及分析

設(shè)置仿真時間為10 s，仿真步長為0.02 s，調(diào)速閥閥口等效開度為100%，海流速度為1 m/s，ROV質(zhì)量為500 kg，臍帶纜長度為100 m、剛度為1×108N/m。分別對ROV運(yùn)動速度、液壓馬達(dá)入口壓力、液壓馬達(dá)入口流量等進(jìn)行仿真分析。

表1 仿真系統(tǒng)中的主要參數(shù)

4.1 ROV速度特性

仿真得到的ROV速度曲線如圖3所示。在仿真開始階段，ROV速度從零變?yōu)樨?fù)值，之后迅速正向增大，經(jīng)過1 s左右的振蕩之后，最終穩(wěn)定在1.08 m/s左右。

圖3 ROV速度曲線

4.2 液壓馬達(dá)入口壓力特性

仿真得到的液壓馬達(dá)入口壓力曲線如圖4所示。從圖4可知，馬達(dá)入口壓力從零開始增大，在液壓馬達(dá)建立足夠壓力之前，其輸出扭矩不夠，ROV在海流的作用下向下運(yùn)動，因此在開始階段，其速度為負(fù)值，隨著馬達(dá)入口腔壓力的增大，其輸出扭矩逐漸增大，克服海流的作用，ROV的速度開始正向增大，最終達(dá)到穩(wěn)定值。此時，馬達(dá)入口的壓力也達(dá)到穩(wěn)定值30.5 MPa左右。

4.3 液壓馬達(dá)入口流量特性

圖5為液壓馬達(dá)入口流量曲線，與圖3中ROV的速度曲線趨勢一致，流量最終穩(wěn)定在21 L/min。

4.4 調(diào)速閥階躍指令下ROV速度特性

在5 s時刻，使調(diào)速閥閥口等效開度從100%突變?yōu)?5%，仿真分析深海ROV絞車在階躍指令輸入作用下的調(diào)速特性，仿真得到的ROV速度曲線如圖6所示。從圖6可知，從5 s時刻開始，ROV速度在經(jīng)過1.5 s左右的振蕩后最終穩(wěn)定在0.835 m/s左右，最大超調(diào)量為10%左右。結(jié)果表明：深海ROV絞車的調(diào)速性能良好，在改變了調(diào)速閥開口的情況下，ROV的速度能夠快速調(diào)整到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.5 調(diào)速閥階躍指令下馬達(dá)入口壓力特性

圖7為調(diào)速閥階躍指令下馬達(dá)入口壓力曲線。從圖7可知，從5 s時刻開始，在經(jīng)歷過1.5 s左右的振蕩調(diào)整后，馬達(dá)入口壓力有所減小，最終穩(wěn)定在27.1 MPa左右，最大超調(diào)量為17%。

4.6 階躍負(fù)載作用下ROV速度特性

在8 s時刻，使海流速度從1 m/s突變?yōu)?.25 m/s，仿真分析深海ROV絞車在階躍負(fù)載作用下的速度穩(wěn)定性，仿真得到的ROV速度曲線如圖8所示。從圖8可知，從8 s時刻開始，ROV速度在經(jīng)過1 s左右的振蕩后最終穩(wěn)定在0.83 m/s左右，最大超調(diào)量為8%左右，階躍負(fù)載前后速度誤差為0.6%。結(jié)果表明：深海ROV絞車的速度穩(wěn)定性良好，在改變海流速度的情況下，ROV能夠在短暫調(diào)整后保持速度的穩(wěn)定性，抗干擾能力強(qiáng)。

圖4 液壓馬達(dá)入口壓力曲線 圖5 液壓馬達(dá)入口流量曲線 圖6 調(diào)速閥階躍指令下ROV速度曲線

4.7 階躍負(fù)載作用下馬達(dá)入口壓力特性

圖9為負(fù)載階躍下馬達(dá)入口壓力曲線。從圖9可知，從8 s時刻開始，在經(jīng)歷過1 s左右的振蕩調(diào)整后，馬達(dá)入口壓力有所增大，最終穩(wěn)定在30.1 MPa左右，最大超調(diào)量為4%。

4.8 卷筒轉(zhuǎn)動慣量對ROV速度特性的影響

在前述仿真參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，采用AMESim的批處理命令，改變卷筒的轉(zhuǎn)動慣量，對ROV的速度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見，改變卷筒的轉(zhuǎn)動慣量，不管是在剛啟動階段，還是在經(jīng)歷5 s時刻的調(diào)速和8 s時刻的負(fù)載階躍變化之后，ROV速度的穩(wěn)定值基本保持不變，但是隨著卷筒轉(zhuǎn)動慣量的增大，其動態(tài)響應(yīng)變慢，調(diào)整時間增長，與此同時，其超調(diào)量減小，這是由于轉(zhuǎn)動慣量能夠作為一種能量波動的存儲介質(zhì)，從而平抑速度波動。因此，對于響應(yīng)要求高的系統(tǒng)，卷筒轉(zhuǎn)動慣量宜較小，對于速度穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)，宜適當(dāng)增大卷筒的轉(zhuǎn)動慣量。

圖7 調(diào)速閥階躍指令下馬達(dá)入口壓力曲線 圖8 負(fù)載階躍變化下ROV速度曲線 圖9 負(fù)載階躍變化下馬達(dá)入口壓力曲線

4.9 纜剛度對ROV速度特性的影響

采用AMESim的批處理命令改變纜的剛度，對ROV的速度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可見，改變纜的剛度，不管是在剛啟動的階段，還是在經(jīng)歷5 s時刻的調(diào)速和8 s時刻的負(fù)載階躍變化之后，ROV速度的穩(wěn)定值基本保持不變，但是隨著剛度的增加，響應(yīng)較快，超調(diào)量有所增加，并且其調(diào)整時間減小，穩(wěn)定性更好。因此，纜剛度的增加有利于減小振動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.10 ROV質(zhì)量對ROV速度特性的影響

采用AMESim的批處理命令，改變ROV的質(zhì)量，對ROV的速度進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖12所示。

圖10 不同卷筒轉(zhuǎn)動慣量下ROV速度曲線 圖11 不同纜剛度下ROV速度曲線 圖12 不同ROV質(zhì)量下ROV速度曲線

由圖12可見，改變ROV的質(zhì)量，不管是在剛啟動的階段，還是在經(jīng)歷5 s時刻的調(diào)速和8 s時刻的負(fù)載階躍變化之后，ROV速度的穩(wěn)定值基本保持不變，但是隨著ROV質(zhì)量的增大，其動態(tài)響應(yīng)變慢，調(diào)整時間變長，與此同時，在剛啟動階段以及8 s時刻的負(fù)載階躍變化后，超調(diào)量隨著ROV質(zhì)量的增大而減小，在5 s時刻的調(diào)速后，超調(diào)量隨著ROV質(zhì)量的增大而有所增大。因此，ROV應(yīng)緊湊設(shè)計(jì)，適當(dāng)減小其質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文通過建立搭載于深海載人潛水器上的深海絞車的AMESim模型，對典型工況下ROV回收速度的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明：卷筒轉(zhuǎn)動慣量增大，其動態(tài)響應(yīng)變慢，調(diào)整時間增長，但是，較大的轉(zhuǎn)動慣量能夠平抑速度波動，因此其超調(diào)量減??；纜的剛度增加，其動態(tài)響應(yīng)較快，超調(diào)量有所增加，并且其調(diào)整時間減小，穩(wěn)定性更好；ROV的質(zhì)量增加，其動態(tài)響應(yīng)變慢，調(diào)整時間變長，同時對超調(diào)量的影響不大。因此，為了得到良好的ROV回收速度特性，應(yīng)對卷筒進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從減小其轉(zhuǎn)動慣量、提高纜的剛度、對ROV緊湊設(shè)計(jì)、減小質(zhì)量等因素入手進(jìn)行優(yōu)化。

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