曹傳輝，黃雄林，劉石梅，曾志飛

（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙410012）

旋流器是一種借助離心力實(shí)現(xiàn)按顆粒沉降速度分級的設(shè)備。深海采礦車通過管道提升至甲板的礦漿，體積濃度低于10%，為有效降低海洋運(yùn)輸成本，采礦船可借助旋流器來實(shí)現(xiàn)超低濃度礦漿的高度濃縮，最終實(shí)現(xiàn)干礦運(yùn)輸。有別于陸地上固定安裝使用，船載旋流器在工作的過程中需克服船身的多維動態(tài)搖擺［1］。本文對船載工況下旋流器的多維運(yùn)動進(jìn)行仿真研究，可為采礦船安裝旋流器提供科學(xué)依據(jù)。

1 船載旋流器模型

1．1 采礦船仿真模型

依據(jù)采礦船實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸建立仿真模型。采礦船甲板長170．436 m、寬32．200 m。采礦船甲板俯視圖如圖1所示。

圖1 采礦船甲板俯視圖（單位：mm）

1．2 旋流器安裝位置

將采礦船甲板平面簡化為矩形平面模型，如圖2所示，并對該平面模型在x方向每隔10 m、y方向每隔5 m作網(wǎng)格劃分。每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為旋流器的安裝位置［2－3］，也即運(yùn)動觀測點(diǎn)。通過對運(yùn)動觀測點(diǎn)的運(yùn)動路徑分析，考察安裝在甲板上不同位置旋流器的運(yùn)動情況。

圖2 旋流器在甲板平面的安裝位置

考慮到旋流器在甲板上的安裝高度，進(jìn)一步將甲板平面模型沿垂直方向延伸，如圖3所示，即考慮旋流器可能安裝在0 m、5 m、10 m高度平面上［4］。

圖3 沿甲板垂直方向模型

最終形成3個(gè)軸向，每個(gè)軸向上分別添加沿軸線直線運(yùn)動及繞軸線圓運(yùn)動，通過不同簡單運(yùn)動方式的復(fù)合來實(shí)現(xiàn)船體的復(fù)雜運(yùn)動。

1．3 運(yùn)動參數(shù)設(shè)置

船體包括3個(gè)自由度的運(yùn)動：沿船體長度方向的搖擺、沿船體寬度方向的搖擺、沿船體高度方向的沉浮［5］。給定的初始參數(shù)為：

1）沿船體長度方向搖擺幅度5°，搖擺半徑9 m，周期5 s，運(yùn)動函數(shù)為：y＝5cos（2πt／5），其中t為時(shí)間。

2）沿船體寬度方向搖擺幅度8°，搖擺半徑9 m，周期7 s，運(yùn)動函數(shù)為：y＝8cos（2πt／7），其中t為時(shí)間。

3）沿船體高度方向沉浮加速度0．2g，運(yùn)動函數(shù)為：y＝980cos（2πt／4），其中t為時(shí)間（假定周期4 s）。

2 多維運(yùn)動仿真

在CAD建模軟件中建立仿真模型，各自由度（沿船體長度方向、寬度方向、高度方向）運(yùn)動方式及運(yùn)動函數(shù)通過添加不同類型與參數(shù)的伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行運(yùn)動仿真時(shí)，所有伺服電機(jī)同時(shí)動作，得到的模型動態(tài)運(yùn)動過程如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)沿不同自由度運(yùn)動的模型動態(tài)圖

2．1 運(yùn)動仿真結(jié)果

根據(jù)仿真運(yùn)動結(jié)果分別對不同觀測點(diǎn)進(jìn)行沿甲板長度方向、寬度方向、垂直方向的最大偏移量提取，并繪制成圖5。

圖5 甲板上各觀測點(diǎn)最大偏移量

2．2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果表明，沿甲板長度和寬度方向最大偏移量與旋流器平面安裝位置及垂直安裝位置均相關(guān)，垂直甲板方向最大偏移量只與旋流器的平面安裝位置相關(guān)。表現(xiàn)為：長度和寬度方向上，兩端偏移量最大，中間偏移量最??；垂直高度方向上，高度越高，最大偏移量越大。

根據(jù)設(shè)置的運(yùn)動方式與運(yùn)動參數(shù)，垂直甲板方向0、5、10 mm的3個(gè)平面上，沿甲板長度方向最大偏移量分別為1．278 m、1．710 m和2．143 m；沿甲板寬度方向最大偏移量分別為1．409 m、2．105 m和2．800 m；垂直甲板方向最大偏移量為10．4 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，船體沿長度及寬度方向搖動產(chǎn)生的運(yùn)動幅度不大，但對垂直甲板方向的運(yùn)動幅度影響較大。

3 結(jié) 論

對采礦船上安裝的旋流器進(jìn)行多維運(yùn)動仿真，通過設(shè)置不同運(yùn)動方式和運(yùn)動參數(shù)，在垂直甲板方向0、5、10 mm的3個(gè)平面上，安裝在甲板頂點(diǎn)位置的旋流器偏移量最大，具有最大的運(yùn)動幅度；安裝在甲板中心位置各方向的偏移量最小，具有最小的運(yùn)動幅度。仿真研究結(jié)果可為采礦船上確定旋流器正確安裝位置提供科學(xué)依據(jù)，對確定其他船載設(shè)備的安裝位置同樣具有指導(dǎo)意義。