滕媛媛，胡周國(guó)，宋豫，陳林愷

(1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306；2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 201306)

0 前言

隨著世界工業(yè)化水平的不斷提升，現(xiàn)存陸地上可采礦產(chǎn)已不能滿足人類需求。在未來(lái)想要長(zhǎng)遠(yuǎn)地發(fā)展和進(jìn)步，需要研究和發(fā)展深海能源開采技術(shù)，深海采礦是其中之一[1]。采礦船在海上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)由于浪涌產(chǎn)生升沉運(yùn)動(dòng)。這種升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)采礦船造成巨大的傷害，導(dǎo)致深海采礦船的采礦作業(yè)安全性無(wú)法得到保障[2]。有學(xué)者提出了升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的想法，來(lái)保持采礦船作業(yè)的平穩(wěn)性[3-4]。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和主被動(dòng)式，主被動(dòng)式是由主動(dòng)和被動(dòng)的結(jié)合。本文作者先分析采礦船升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)相關(guān)理論，利用AMESim軟件搭建液壓缸升沉補(bǔ)償模型，并與相關(guān)真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，模擬仿真討論了主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)不同作業(yè)環(huán)境下的主動(dòng)模塊能耗功率特性。

1 采礦船升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)相關(guān)理論

1.1 采礦船升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的總體原理

深海采礦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是安裝在采礦船上的一套液壓裝置[5]。其缸體安裝在船上，活塞運(yùn)動(dòng)且連接傳輸管道，繼而可以控制中繼站平臺(tái)的位移[6]。

圖1 深海采礦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of deep sea mining system

1.2 被動(dòng)式升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)

被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)由液壓缸、蓄能器、管道及儲(chǔ)氣瓶組成，依靠氮?dú)獾膭?shì)能變化來(lái)補(bǔ)償采礦中繼站平臺(tái)的升沉位移所需的能量[7]。被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖2所示。被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)類似于一種氣液彈簧，靠積攢勢(shì)能和釋放勢(shì)能來(lái)進(jìn)行升沉補(bǔ)償，無(wú)需電機(jī)供能[8]。但是被動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)男瘦^低，有很大的補(bǔ)償滯后性，補(bǔ)償精度不高，所以在實(shí)際中不適合單獨(dú)使用。

圖2 被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of passive heave compensation system

1.3 主動(dòng)式升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)

主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是由液壓泵提供能量，通過(guò)傳感器檢測(cè)到采礦船隨波浪的實(shí)際位移，通過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)液壓閥和變量泵的方向和流量大小[9-10]。圖3為主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理。

圖3 主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of active compensation system

主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)和被動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)有一定的抗干擾能力，但是隨著負(fù)載的增大，補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度也會(huì)受到影響，能量消耗巨大。同時(shí)在實(shí)際運(yùn)用中，液壓缸中的流量和壓力是有上限的，所以在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中若超過(guò)其極值，補(bǔ)償效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期，故在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中并不適用[11]。

針對(duì)被動(dòng)式補(bǔ)償精度不高、主動(dòng)式系統(tǒng)能耗過(guò)大的缺點(diǎn)，本文作者設(shè)計(jì)了一套主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。利用AMESim軟件搭建出相應(yīng)的液壓缸升沉補(bǔ)償模型[12-13]，并與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，仿真驗(yàn)證了主被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中主動(dòng)和被動(dòng)之間的能耗功率特性。

2 采礦船主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)和重載實(shí)驗(yàn)

2.1 主被動(dòng)升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可在不同工況下實(shí)現(xiàn)被動(dòng)補(bǔ)償功能與主動(dòng)補(bǔ)償功能的切換，具備更廣泛的負(fù)載適用性。為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的復(fù)合式液壓缸，其A、B腔是負(fù)責(zé)主動(dòng)模塊的腔室，C腔是負(fù)責(zé)被動(dòng)模塊的腔室。除了復(fù)合式液壓缸，還由液壓泵、電動(dòng)機(jī)、安全閥、主控制閥、PID控制器、充液閥、連通閥、穩(wěn)壓蓄能器、補(bǔ)償蓄能器組合而成。設(shè)計(jì)的主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

此主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合了被動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償，具有兩種升沉補(bǔ)償模式。主控制閥設(shè)計(jì)成比例閥，通過(guò)位置傳感器感測(cè)船體升沉運(yùn)動(dòng)位移，傳遞信號(hào)給主控制閥來(lái)控制開口的方向，由PID控制器控制補(bǔ)償液壓缸的活塞位移運(yùn)動(dòng)。

2.2 高塔2 MN重載試驗(yàn)

采用高塔試驗(yàn)臺(tái)上固定的滑輪吊起重物，進(jìn)行補(bǔ)償試驗(yàn)，測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償能力，驗(yàn)證補(bǔ)償?shù)木?、響?yīng)速度和能耗分析。高塔2 MN重載試驗(yàn)裝置由2 MN負(fù)載、主被動(dòng)升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)和牽引絞車系統(tǒng)組成[14-15]，如圖5所示。

圖5 高塔2 MN重載試驗(yàn)裝置Fig.5 High tower 2 MN heavy load test equipment：(a) general view of the test equipment；(b) compensation system and winch system

可通過(guò)相關(guān)檢測(cè)器材讀取一些關(guān)鍵參數(shù)，選取波浪幅值1.25 m和周期16 s海況下試驗(yàn)所得進(jìn)行展示，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償系統(tǒng)A缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Compensating system A cylinder test data：(a) pressure，speed；(b)power

通過(guò)傳感器讀取波浪幅值為1.25～2.5 m、波浪周期為8～16 s模擬海況下的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可得功率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高塔2 MN重載試驗(yàn)的功率數(shù)據(jù)Tab.1 Power for 2 MN heavy-duty experiments with high tower

從表1可以看出：當(dāng)波浪幅值、波浪周期變化時(shí)，主被動(dòng)組合升沉補(bǔ)償系統(tǒng)A缸平均功率與負(fù)載平均功率的比值在16%～22%內(nèi)變化，均值為19.4%。即主動(dòng)補(bǔ)償模塊功率的平均貢獻(xiàn)為19.4%，被動(dòng)補(bǔ)償模塊功率的平均貢獻(xiàn)為1-19.4%=80.6%。

3 主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)AMESim仿真分析

3.1 主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的建模

根據(jù)原先設(shè)計(jì)的主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理構(gòu)建AMESim模型如圖7所示。

圖7 主被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of active-passive heave compensation system

3.2 主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果

AMESim軟件建立的主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型可以對(duì)主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化進(jìn)行仿真提取，并且讀取主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)相關(guān)物理量用于理論計(jì)算。選取波浪幅值1.25 m和周期16 s海況下仿真提取相關(guān)物理量曲線見圖8。

圖8 主動(dòng)A缸仿真數(shù)據(jù)Fig.8 Active A-cylinder simulation data：(a)piston rod speed；(b)pressure

3.3 主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)功率計(jì)算

導(dǎo)出周期內(nèi)任一時(shí)刻主動(dòng)液壓缸A腔的壓力和活塞位移速度變化以及質(zhì)量塊的受力情況和位移速度，來(lái)計(jì)算仿真主動(dòng)模塊在主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中的能耗占比情況。

主動(dòng)模塊實(shí)際瞬時(shí)功率計(jì)算如式(1)所示：

PA=pa×va×Aa

(1)

式中：PA為主動(dòng)模塊實(shí)際瞬時(shí)功率；pa為主動(dòng)液壓缸A缸的壓力；va為主動(dòng)液壓缸活塞的移動(dòng)速度；Aa為液壓缸主動(dòng)式升沉補(bǔ)償腔的作用面積。

實(shí)際負(fù)載瞬時(shí)功率計(jì)算如式(2)所示：

P=G×vm

(2)

式中：P為實(shí)際負(fù)載瞬時(shí)功率；G為負(fù)載重力；vm為負(fù)載的移動(dòng)速度，vm=2×va。

將相關(guān)數(shù)據(jù)從AMESim模型中導(dǎo)出后，通過(guò)計(jì)算得出每時(shí)刻的主動(dòng)補(bǔ)償瞬時(shí)輸出功率占實(shí)際負(fù)載瞬時(shí)功率的比值，如表2所示。

表2 仿真、試驗(yàn)功率數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Power data comparison between simulation and experiment

通過(guò)表2可知：試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差不足5%，仿真和真實(shí)情況相似，證明所建立模型可信，可進(jìn)行之后的功率分析。

4 升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)能耗功率特性討論

通過(guò)AMESim仿真模型對(duì)2 MN采礦船升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)載、波浪幅值和波浪周期進(jìn)行分析，討論能耗功率特性。

4.1 不同負(fù)載下的能耗功率計(jì)算

對(duì)負(fù)載的相對(duì)極端情況進(jìn)行討論，在額定負(fù)載2 MN左右范圍取值進(jìn)行仿真分析。通過(guò)AMESim分別建立了空載0.5 MN、超載3 MN的相對(duì)極端情況，并以此分級(jí)建立了1、1.5、2、2.5 MN模型，取波浪幅值為2 m、波浪周期為10 s，得到的功率數(shù)據(jù)見表3。

表3 負(fù)載變化仿真功率數(shù)據(jù)Tab.3 Simulated power data with changed load

由表3可以看出：主動(dòng)A缸平均功率穩(wěn)定在300 kW左右，而負(fù)載所需平均功率隨負(fù)載的增大而增大。而由于波浪幅值不變，主動(dòng)A缸活塞桿升沉補(bǔ)償量的變動(dòng)幅度很小，故A缸能提供的功率變化不大。并且空載時(shí)主動(dòng)式升沉補(bǔ)償貢獻(xiàn)很大，來(lái)平穩(wěn)負(fù)載過(guò)輕時(shí)產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)。隨著負(fù)載增大，主動(dòng)功率的貢獻(xiàn)逐漸減小，更多的是由被動(dòng)缸中的氣體勢(shì)能來(lái)承擔(dān)。

4.2 不同周期下的能耗功率計(jì)算

通過(guò)AMESim在波浪升沉周期10 s左右范圍取值進(jìn)行仿真分析，分別建立了周期為8、10、12、14、16 s相對(duì)復(fù)雜情況下的仿真模型，取負(fù)載為2 MN、波浪幅值為2 m，得到的仿真功率數(shù)據(jù)見表4。

表4 頻率變化仿真功率數(shù)據(jù)Tab.4 Simulated power data with changed frequency

分析表4中的數(shù)據(jù)可知：隨著波浪周期的增大，主動(dòng)A缸和負(fù)載的平均功率都逐漸減小。雖然波浪的變化幅度不變，但隨著波浪升沉周期的增大，波浪的變化會(huì)變得平緩，升沉補(bǔ)償系統(tǒng)會(huì)有更多的時(shí)間去適應(yīng)變化，調(diào)整速度會(huì)變小，故主動(dòng)A缸提供和負(fù)載所需的平均功率都逐漸減小。

4.3 不同幅值下的能耗功率計(jì)算

通過(guò)AMESim在波浪升沉幅值為2 m左右范圍取值進(jìn)行仿真分析，分別建立了幅值為1、1.5、2、2.5、3 m相對(duì)復(fù)雜情況下的仿真模型，取負(fù)載為2 MN、波浪周期為10 s，得到的仿真功率數(shù)據(jù)見表5。

表5 幅值變化仿真功率數(shù)據(jù)Tab.5 Simulated power data with changed amplitude

分析表5中的數(shù)據(jù)可知：隨著波浪幅值的增大，主動(dòng)A缸和負(fù)載的平均功率都逐漸增大，符合實(shí)際情況波浪幅值增大、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)奈灰圃龃?，故所需的各?xiàng)功率均隨之增大。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)驗(yàn)證，AMESim仿真模型和現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)結(jié)果誤差不足5%，印證了AMESim主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型的可行性。

(2)通過(guò)AMESim仿真模型進(jìn)行分析可得：隨著負(fù)載的增大，負(fù)載平均功率增大；隨著波浪運(yùn)動(dòng)周期的減小或者波浪運(yùn)動(dòng)幅值的增加，主動(dòng)缸的輸出功率和負(fù)載平均所需功率逐步變大。

(3)主動(dòng)補(bǔ)償模塊功率的平均貢獻(xiàn)比基本在20%左右，被動(dòng)補(bǔ)償模塊承擔(dān)約80%，證明主被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的節(jié)能性。