深海作業(yè)起重絞車主動波浪補償系統(tǒng)載荷響應(yīng)研究

王 奎 劉火偉 馮正平 蕭永明 陳伯揚

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240；2.上海博世力士樂液壓及自動化有限公司 上海200335）

引 言

眾所周知，船舶在深海作業(yè)時，由于受到風浪等復(fù)雜海況的影響，船體本身會出現(xiàn)上下起伏的升沉運動，而船舶配套的深海作業(yè)起重絞車所吊放的貨物也會隨之產(chǎn)生相應(yīng)的運動，極易發(fā)生碰撞或崩脫，嚴重時甚至毀壞貨物和造成人員傷亡，導(dǎo)致巨大損失。主動波浪補償系統(tǒng)通過恒張力控制回路［1］和位移控制回路使貨物在吊放作業(yè)過程中能夠保持相對穩(wěn)定，從而使海上吊放作業(yè)安全可靠。目前國外對主動波浪補償裝置的研究和應(yīng)用已比較成熟，而國內(nèi)還處于起步階段［2］。

1 主動波浪補償系統(tǒng)概述

深海作業(yè)起重絞車在提升或下放貨物至水下深處的操作中，承載貨物的絞車繩索通過波浪補償裝置與牽引絞車相連［3］，可有效消除貨物隨著船體運動而產(chǎn)生的位移變化，從而使吊裝貨物在復(fù)雜海況下能夠保持相對穩(wěn)定。

波浪補償系統(tǒng)可以簡單分為被動波浪補償系統(tǒng)和主動波浪補償系統(tǒng)。被動波浪補償系統(tǒng)可以認為是一種彈簧裝置，通過其伸縮性能使鋼絲繩張力或貨物接觸面的壓力幾乎保持恒定，通常由直線式執(zhí)行器或油缸、蓄能器和執(zhí)行機構(gòu)組成，是一種隨動［4］和滯后的補償方式，對復(fù)雜多變的海況適應(yīng)性差。主動波浪補償系統(tǒng)由控制絞車或油缸來實現(xiàn)［5］，其響應(yīng)速度快、補償精度高（最高可達95%或以上）、具有能量回收功能（最高可達70%），對復(fù)雜多變的海況適應(yīng)性強。

本文以主動波浪補償系統(tǒng)為研究對象，主要研究和驗證在目標海況（波高為3.6 m、波浪周期為9 s）下，主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度不低于90%。

1.1 主動波浪補償系統(tǒng)原理

主動波浪補償系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示，通過鋼絲繩與絞車機構(gòu)連接到一起，主要包括二次驅(qū)動單元、動力單元、能量儲存單元、控制系統(tǒng)、船體運動傳感器（MRU）［6］等。工作時MRU會實時監(jiān)測船舶運動的六自由度信號［7］，并上傳到控制系統(tǒng)從而產(chǎn)生一個執(zhí)行信號，執(zhí)行機構(gòu)將根據(jù)這些執(zhí)行信號進行升沉補償動作。能量儲存系統(tǒng)具有能量回收功能：當貨物上升時釋放能量，當貨物下降時儲存能量，大大降低整個系統(tǒng)的裝機功率。

1.2 主動波浪補償系統(tǒng)總體框圖

主動波浪補償系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如下頁圖2所示，由一個恒張力控制回路和一個位移控制回路組成。

恒張力控制回路接收恒張力設(shè)定信號，而實際的負載信號由銷軸傳感器測量。位移控制回路從MRU接收船體升沉位移信號，而實際產(chǎn)生的位移由旋轉(zhuǎn)編碼器測量。

在位移控制模式下，操作者可以輸入一個速度信號來控制負載上升或下降。恒張力控制回路和位移控制回路的轉(zhuǎn)換是由轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)的。對于兩個控制回路，船體升沉速度信號作為一個前饋信號來降低力信號偏差和位移信號偏差。

2 主動波浪補償系統(tǒng)動力學建模

因深海作業(yè)起重絞車所吊放的貨物在水面下的運動狀況很難準確測量，故將貨物、鋼絲繩和補償器對主動波浪補償系統(tǒng)的影響建立數(shù)學模型，并對貨物的靜態(tài)和動態(tài)的參數(shù)進行計算分析就尤為重要，這也為后續(xù)的仿真及實際應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.1 貨物和鋼絲繩及補償器的分析

定義貨物和鋼絲繩及補償器二階系統(tǒng)模型［8］，如圖3所示，包含兩個質(zhì)量：貨物和鋼絲繩本身的質(zhì)量以及補償器的質(zhì)量。

圖3中：Zsin（ωt）表示船體位移（單位：m），z1表示補償器運動位移（單位：m），z2表示貨物和鋼絲繩運動位移（單位：m）。kc表示補償器剛度系數(shù)，cc表示補償器阻尼，Mc表示補償器質(zhì)量（單位：kg），kw表示鋼絲繩剛度系數(shù)，M表示貨物和鋼絲繩質(zhì)量（單位：kg），cd表示貨物和鋼絲繩運動阻尼（單位：N·s/m）。

根據(jù)牛頓第二定律，貨物及鋼絲繩在垂直方向上的運動方程為方向上的力，N；其表達式如下：

式中：Z表示船體垂直方向的最大運動位移，m；ω表示運動頻率，rad/s；

系統(tǒng)以矩陣方式表示為：

式中：Fc（t）表示補償器頂端隨時間變化的垂直

2.2 最大靜態(tài)與動態(tài)負載的計算

鋼絲繩在負載起升和下降過程中承受著動態(tài)作用力，由于鋼絲繩在作業(yè)過程中受力情況復(fù)雜多變，因此實際計算中主要計算鋼絲繩的最大拉力［9］。

鋼絲繩最大靜態(tài)拉力用式（4）表示：

式中：Mload表示起重機額定負載（含鋼絲繩質(zhì)量，kg）； Mhook表示吊鉤質(zhì)量，kg； ηa表示總定滑輪效率。

滑輪加速時因慣量所需也會產(chǎn)生額外的拉力，因此單一滑輪加速時因慣量所需的最大額外拉力：

其中，

式中，Jp表示每個滑輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；r表示滑輪半徑，m；dsheave表示滑輪直徑，m。

如果起升機構(gòu)共有n個滑輪組，則n個滑輪組加速時因慣量所需的總的最大額外拉力：

式中：ηp表示每個滑輪效率。

另外，負載加速時所需的最大額外拉力可以表示為：

因此，負載加速時所需的最大拉力為，

3 主動波浪補償系統(tǒng)仿真

為驗證主動波浪補償系統(tǒng)在目標海況下的補償特性，在Simster仿真軟件中建立仿真模型，并對仿真結(jié)果進行相應(yīng)的分析和總結(jié)。Simster仿真軟件，是Bosch Rexroth公司研發(fā)的用于多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，可以對應(yīng)用程序進行建模分析以及優(yōu)化驅(qū)動及控制系統(tǒng)。

根據(jù)圖1建立主動波浪補償系統(tǒng)仿真模型，可以將整個系統(tǒng)分為6個模塊（如圖4所示），分別為動力源模塊、二次驅(qū)動單元模塊、調(diào)節(jié)模塊、蓄能器模塊、控制器模塊及負載模塊。

深海作業(yè)起重絞車在海上作業(yè)時，設(shè)定海上的波浪信號為正弦波信號［10］，根據(jù)系統(tǒng)配置，定義橫坐標為時間（單位：ms），定義縱坐標為波幅（單位：mm），計算并設(shè)置合理的仿真參數(shù)，利用Simster仿真軟件進行仿真可以得到對應(yīng)的仿真結(jié)果。

當波高為3 600 mm、波浪周期為9 000 ms時，仿真圖形如圖5所示。根據(jù)仿真圖形曲線可知，主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度約為95%。

當波高為2 000 mm、波浪周期為9 000 ms時，仿真圖形如圖6所示。根據(jù)仿真圖形曲線可知，主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度約為90%。

由圖5和圖6可知，在目標海況（波高為3.6 m、波浪周期為9 s）下，主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度不低于90%，說明該系統(tǒng)達到了主動波浪補償系統(tǒng)的響應(yīng)要求。

4 結(jié) 論

本文以安裝在深海作業(yè)起重絞車的主動波浪補償系統(tǒng)為研究對象，介紹了主動波浪補償系統(tǒng)的原理和總體框圖，建立貨物和鋼絲繩及補償器的動力學模型，并對最大靜態(tài)和動態(tài)負載進行計算分析。為驗證在目標海況下主動波浪補償系統(tǒng)的補償特性，利用Simster仿真軟件建立仿真模型，選取不同的波浪信號進行仿真，從仿真結(jié)果中可見該系統(tǒng)在目標海況下，主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度不低于90%，達到了主動波浪補償系統(tǒng)的補償精度要求，為今后制造帶有主動波浪補償裝置的深海作業(yè)起重絞車奠定了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。

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