耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓工作壓力確定及波動變化分析

陳建美，何炎平*，張 戟，鄭金龍，汪春暉

(1.上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心；c.船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240； 2.中港疏浚有限公司，上海 200136)

0 引 言

耙吸挖泥船是一種裝備耙頭挖掘機(jī)具與水力吸泥裝置的大型自航、裝倉式挖泥船。得益于效率高、體積容量大、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、可獨(dú)立作業(yè)、調(diào)度靈活的特點(diǎn)[1]，目前其已成為世界上應(yīng)用較廣泛的疏浚設(shè)備之一，在圍海造陸、吹填作業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。耙吸挖泥船高效作業(yè)的基礎(chǔ)是保持耙頭與地面間合理、穩(wěn)定的接觸壓力，為此耙吸挖泥船需設(shè)置耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)。

耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)主要運(yùn)用升沉補(bǔ)償技術(shù)。國外對升沉補(bǔ)償技術(shù)的研究起步較早，美國VETCD公司在1968年設(shè)計(jì)一種用于鉆井平臺和鉆井船的被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案被視作升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的雛形[2]。HATLESKOG等[3]研究配備被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的石油鉆井平臺，認(rèn)為被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)有限效果的升沉減震，補(bǔ)償效果不超過80%，若想要實(shí)現(xiàn)80%～90%的補(bǔ)償效果，必須加入主動補(bǔ)償。為提高升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的性能，KORDE[4]建立某海洋鉆井船主動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過傅里葉變換確定主動補(bǔ)償力在頻域范圍內(nèi)的輸入。國內(nèi)在升沉補(bǔ)償技術(shù)方面的研究起步相對較晚[5]，但近年來隨著研究的深入也有不少成果[6]。劉賀等[7]基于恒張力原理對起艇絞車波浪補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行深入研究，為波浪補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。WU等[8]研究遙控?zé)o人潛水器被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，提出為提高系統(tǒng)的補(bǔ)償效率，可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置流量閥，利用流量閥的節(jié)流作用調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼。

耙吸挖泥船的耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)與海工平臺的補(bǔ)償系統(tǒng)有所不同，不僅需補(bǔ)償波浪誘導(dǎo)船舶運(yùn)動造成的位移，而且需補(bǔ)償由海底地形變化造成的不利影響。因?yàn)楹５椎匦巫兓y以預(yù)測，主動波浪補(bǔ)償較難實(shí)現(xiàn)，所以耙吸挖泥船采用被動波浪補(bǔ)償系統(tǒng)。耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的作用是維持耙頭對地壓力的穩(wěn)定，因此研究其工作壓力的變化對耙吸挖泥船的高效作業(yè)至關(guān)重要。對耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)工作壓力計(jì)算方法進(jìn)行研究：首先，介紹耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的組成及工作原理；然后，基于準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)，結(jié)合氣體狀態(tài)方程，研究工作過程中系統(tǒng)壓力變化的計(jì)算方法；最后，對蓄能器體積進(jìn)行敏感性分析，研究蓄能器體積變化對波浪補(bǔ)償系統(tǒng)壓力波動的影響。

1 耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

耙頭以一定壓力保持與海底地面的穩(wěn)定接觸是耙吸挖泥船高效工作的基礎(chǔ)。然而，耙吸挖泥船在波浪中作業(yè)時(shí)將不可避免地因波浪誘導(dǎo)產(chǎn)生一定的運(yùn)動，并且海底地面存在高低起伏，也易造成耙頭離開海底的情況或出現(xiàn)耙頭陷入海底過深的悶耙現(xiàn)象。為克服這種不利影響，通常在耙臂的起吊設(shè)施中設(shè)置耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，用以穩(wěn)定耙頭對地壓力。

1.1 組成及工作原理

由于海底地形變化的不可預(yù)測性，耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)一般采用被動補(bǔ)償方式，如圖1所示。整個(gè)耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在甲板上，液壓缸與蓄能器是其主要的組成部分。液壓缸通過活塞桿承受工作載荷，蓄能器則利用其內(nèi)部的可壓縮氣體(一般為氮?dú)?吸收或釋放能量，起到緩沖作用。液壓缸與蓄能器通過液壓管連接在一起，組成一個(gè)“氣液彈簧”。鋼絲繩一端與甲板上的絞車相連，另一端與下耙管下端靠近耙頭的吊點(diǎn)相連。

圖1 耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)過程如下：當(dāng)船舶受波浪誘導(dǎo)向上運(yùn)動時(shí)，固定于甲板上的耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)也隨之向上運(yùn)動，耙頭仍保持不動，其與船舶的相對距離增大，鋼絲繩張緊，耙頭有離開地面的趨勢，活塞桿頂部滑輪所受載荷增加，因此活塞桿會縮進(jìn)液壓缸內(nèi)一段距離，壓縮蓄能器內(nèi)的氣體，使系統(tǒng)壓力升高；同時(shí)，活塞桿縮進(jìn)缸內(nèi)使原本張緊的鋼絲繩放松，耙頭離開地面的趨勢得到緩解。同理，當(dāng)船舶受波浪誘導(dǎo)向下運(yùn)動時(shí)，耙頭與船體的相對距離減小，鋼絲繩松弛，耙頭對地壓力增大；活塞桿頂部滑輪所受載荷減小，活塞桿伸長，系統(tǒng)壓力降低，蓄能器內(nèi)的氣體膨脹；伸長的活塞桿使松弛的鋼絲繩再度張緊，避免耙頭陷入水底泥土之中。

1.2 液壓缸及蓄能器

液壓缸是耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的主要組成部分之一，系統(tǒng)內(nèi)的液壓缸一般為單作用柱塞缸。活塞(柱塞)桿可在液壓缸的缸體內(nèi)滑動，并且其頂部安裝滑輪，下部充滿液壓油。活塞桿受來自其底部的液壓油壓力的作用，作用力大小僅與活塞桿截面積、液壓油壓力有關(guān)，其大小為

(1)

式中：FRAM為液壓油對活塞桿的作用力；POIL為液壓油的壓力；ARAM為活塞桿的截面積；DRAM為活塞桿的直徑。

由于液壓缸的長度有限，因此活塞桿在液壓缸缸體內(nèi)的運(yùn)動范圍會受到一定的限制，否則活塞桿會撞擊缸體頂部或底部造成設(shè)備的損壞。活塞桿在液壓缸缸體內(nèi)允許運(yùn)動的最大距離稱為活塞桿運(yùn)動的行程。

蓄能器是耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)重要的組成部分，是負(fù)責(zé)吸收、釋放能量的主要部件。耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)一般采用充氣式蓄能器，充氣式蓄能器利用氣體(一般為氮?dú)?的壓縮和膨脹來儲存和釋放能量。

在通常情況下，蓄能器內(nèi)部的液壓油與外界液壓回路通過液壓管相連，液壓油起到傳遞壓力變化的作用。蓄能器工作前需預(yù)先充入一定量的氣體(一般為氮?dú)?。當(dāng)蓄能器充入一定壓力的可壓縮氣體進(jìn)入工作狀態(tài)后：當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，氣體被壓縮、體積減小；當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時(shí)，氣體膨脹、體積增大。圖2分別給出了蓄能器工作過程中的3種典型狀態(tài)。下標(biāo)“0”表示預(yù)充氣狀態(tài)，即蓄能器工作前預(yù)先充入一定量的可壓縮氣體時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)蓄能器內(nèi)尚未注入液壓油，P0為預(yù)充氣壓力，V0為預(yù)充氣體積，此時(shí)氣體體積最大，一般可視作等于蓄能器的容積。下標(biāo)“1”表示最低工作壓力狀態(tài)，P1為最低工作壓力，V1為最低工作壓力狀態(tài)下的氣體體積，此時(shí)系統(tǒng)已注入液壓油并進(jìn)入工作狀態(tài)，外界回路壓力降低，蓄能器內(nèi)氣體體積膨脹至允許的最大值，而氣體的壓力則為工作過程中允許的最小值。下標(biāo)“2”表示最高工作壓力狀態(tài)，P2為最高工作壓力，V2為對應(yīng)的氣體體積，此時(shí)與“1”狀態(tài)相反，蓄能器內(nèi)氣體的壓力與體積分別處于工作過程中所允許的最大值與最小值。一般而言，最低工作壓力P1通常高于預(yù)充氣壓力P0，以防氣囊過度膨脹，堵住與蓄能器相連的液壓管的進(jìn)油口。

圖2 蓄能器工作過程中3種典型狀態(tài)

2 系統(tǒng)壓力變化計(jì)算

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)使用前，需為系統(tǒng)設(shè)定合適的平均工作壓力。平均工作壓力是某種工況下使液壓缸內(nèi)的活塞桿保持在行程中部位置的系統(tǒng)壓力，平均工作壓力的大小主要根據(jù)耙吸挖泥船工作時(shí)的挖深和土質(zhì)來確定。完成系統(tǒng)的設(shè)定后便可開始工作。若工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，即耙吸挖泥船未受到波浪擾動的影響，耙頭亦未受到海底不規(guī)則地形的影響，鋼絲繩內(nèi)的拉力未發(fā)生變化，則活塞桿一直保持在行程中點(diǎn)，系統(tǒng)壓力保持為平均工作壓力。但若波浪誘導(dǎo)或者海底地形變化導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)拉力變化，活塞桿在液壓缸內(nèi)偏離行程中點(diǎn)，伸出或縮進(jìn)液壓缸缸體，則會引起系統(tǒng)內(nèi)部液壓油的流動，導(dǎo)致蓄能器內(nèi)氣體的體積發(fā)生變化，從而引起系統(tǒng)壓力的變化。

2.1 氣體狀態(tài)方程

在計(jì)算系統(tǒng)壓力變化時(shí)，采用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法，認(rèn)為活塞桿在液壓缸內(nèi)滑動的速度緩慢，系統(tǒng)不僅總是從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變至另一個(gè)平衡狀態(tài)，而且在轉(zhuǎn)變過程中任意時(shí)刻系統(tǒng)均為平衡狀態(tài)。在這種假設(shè)基礎(chǔ)上，可認(rèn)為在任意時(shí)刻，耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)蓄能器、液壓缸和液壓管中的液壓油壓力相同，均等于蓄能器內(nèi)氣體的壓力；并且由于系統(tǒng)壓力有限，假定液壓油不可壓縮，只考慮氣體的可壓縮性。

蓄能器內(nèi)氣體的壓縮-膨脹過程為介于絕熱過程與等溫過程之間的一種狀態(tài)。氣體的壓力與體積的變化可看作滿足如下方程[9]：

PVκ=C

(2)

式中：P為蓄能器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)；V為蓄能器內(nèi)氣體的體積；C為常數(shù)；κ為氣體的多變指數(shù)，對于氮?dú)猓诶硐霘怏w情況下，絕熱過程κ取1.4，等溫過程κ取1.0，而實(shí)際氣體的κ不是一個(gè)恒定值，主要與激振器的振動頻率有關(guān)，激振器振動頻率在1 Hz以下時(shí)κ可取1.0，1～3 Hz時(shí)取1.4，而3 Hz以上時(shí)取1.7，這樣才更符合實(shí)際工況。所進(jìn)行的計(jì)算取理想氮?dú)馇闆r下的κ值。

2.2 壓力變化計(jì)算方法

提出的系統(tǒng)液壓壓力計(jì)算方法是在準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)的基礎(chǔ)上，研究活塞桿伸出或縮進(jìn)液壓缸時(shí)，耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)壓力的波動情況。在活塞桿全伸出和全縮進(jìn)工況下，系統(tǒng)的壓力變化求取方法如下。

已知蓄能器內(nèi)氣體的預(yù)充氣壓力(設(shè)計(jì)參數(shù)，一般可在操作手冊中查得)、預(yù)充氣體積(蓄能器容積)和工作時(shí)的平均工作壓力。根據(jù)式(2)，平均工作壓力狀態(tài)下氣體體積為

(3)

式中：P0為預(yù)充氣壓力；V0為預(yù)充氣體積；PA為系統(tǒng)平均工作壓力。

活塞桿從行程最頂端運(yùn)動至最底端(運(yùn)動一個(gè)行程的長度)所掃過的體積為液壓缸內(nèi)液壓油體積變化的最大值：

(4)

式中：VRAM為液壓缸中液壓油體積變化的最大值；DRAM為活塞桿的直徑；LRAM為活塞桿的行程。

活塞縮進(jìn)液壓缸，指的是活塞從行程中點(diǎn)運(yùn)動至行程最底端。運(yùn)動過程中排開液壓油的體積為液壓油體積變化最大值的一半，排開的液壓油通過液壓管進(jìn)入蓄能器，壓縮蓄能器內(nèi)的氣體，由于液壓油視作不可壓縮液體，而蓄能器的容積一定，因此蓄能器內(nèi)氣體體積的壓縮量即為流入的液壓油的體積，則活塞縮進(jìn)液壓缸后，氣體的體積為

(5)

同理，活塞伸出液壓缸時(shí)，液壓油從蓄能器流入液壓缸，蓄能器內(nèi)氣體體積增大，氣體體積變?yōu)?/p>

(6)

求得活塞桿縮進(jìn)和伸出時(shí)的氣體體積后，結(jié)合式(2)，可求得此時(shí)蓄能器內(nèi)的氣體壓力，即等于此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的壓力。

活塞全縮進(jìn)時(shí)，耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的壓力為

(7)

同理，活塞全伸出時(shí)，系統(tǒng)的壓力為

(8)

2.3 壓力變化計(jì)算結(jié)果

按第2.2節(jié)計(jì)算方法，對某耙吸挖泥船工作手冊中的多種工況分別在絕熱過程和等溫過程條件下計(jì)算活塞桿在液壓缸內(nèi)縮進(jìn)和伸出時(shí)，系統(tǒng)液壓壓力的變化。表1為蓄能器及液壓缸基本參數(shù)。表2為操作手冊提供的3種工況下系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)充氣壓力和平均工作壓力。計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

表1 蓄能器及液壓缸基本參數(shù)

表2 3種工況下預(yù)充氣壓力和平均工作壓力設(shè)定 bar

耙吸挖泥船工作時(shí)，根據(jù)作業(yè)區(qū)域土質(zhì)的不同，需使耙頭保持不同大小的對地壓力[10]。耙頭對地壓力的大小由補(bǔ)償量w來確定。假定耙頭的重量為GD，則考慮浮力作用，耙頭的水中重量為

(9)

式中：ρs為鋼鐵密度；ρw為水的密度。

若沒有耙頭提升系統(tǒng)，耙頭對地壓力等于耙頭的水中重量GW。而當(dāng)設(shè)置了耙頭提升系統(tǒng)，且系統(tǒng)的補(bǔ)償量設(shè)置為w時(shí)，則耙頭的對地壓力變?yōu)?/p>

N=(1-w)GW

(10)

補(bǔ)償量w為耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)對耙頭對地壓力的補(bǔ)償：當(dāng)作業(yè)區(qū)域土質(zhì)的承載能力較強(qiáng)時(shí)，可設(shè)置較小的補(bǔ)償量；而當(dāng)土質(zhì)承載能力較弱時(shí)，則需設(shè)置較大的補(bǔ)償量。該耙吸挖泥船所配備的耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的預(yù)充氣壓力有12 bar和23 bar兩擋：

圖3 挖深10 m時(shí)系統(tǒng)壓力變化

圖4 挖深20 m時(shí)系統(tǒng)壓力變化

圖5 挖深30 m時(shí)系統(tǒng)壓力變化

當(dāng)補(bǔ)償量較低時(shí)，活塞桿需提供的頂升力較小，選擇較低的12 bar的預(yù)充氣壓力；當(dāng)補(bǔ)償量較高時(shí)，系統(tǒng)需承受較大的負(fù)載，選擇更高的23 bar的預(yù)充氣壓力；當(dāng)補(bǔ)償量恰好等于50%時(shí)，預(yù)充氣壓力既可設(shè)定為12 bar，又可設(shè)定為23 bar，因此在計(jì)算結(jié)果中，代表補(bǔ)償量為50%的點(diǎn)有2個(gè)。

由圖3～圖5可知：3種工況下等溫過程和絕熱過程的壓力變化計(jì)算結(jié)果十分相近，說明等溫和絕熱條件對系統(tǒng)壓力變化影響不大，蓄能器內(nèi)氣體實(shí)際工作狀態(tài)是介于絕熱過程與等溫過程之間的某一狀態(tài)，可理想化為等溫或絕熱情況進(jìn)行分析計(jì)算。

3 蓄能器體積敏感性分析

一般來說，充氣式蓄能器有效體積越大，其通過壓縮和膨脹來儲存和釋放能量的能力越強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動也越小，但蓄能器體積越大意味著成本越高，因此為平衡蓄能器的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，對蓄能器體積參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，以得到經(jīng)濟(jì)適用的蓄能器體積。

根據(jù)提出的壓力計(jì)算方法，將蓄能器體積改為液壓缸沖程體積的6、8、10、12、14倍，分別計(jì)算補(bǔ)償量為20%和80%時(shí)，活塞桿全縮進(jìn)相對于全伸出時(shí)系統(tǒng)內(nèi)壓力變化百分比，即系統(tǒng)壓力波動量。計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示，其中體積倍數(shù)為10.88的點(diǎn)表示工作手冊中設(shè)定的蓄能器體積1 600 L。

圖6 挖深10 m時(shí)系統(tǒng)壓力波動

圖7 挖深20 m時(shí)系統(tǒng)壓力波動

圖8 挖深30 m時(shí)系統(tǒng)壓力波動

圖6～圖8描述蓄能器有效體積對系統(tǒng)壓力波動的影響，可以看出：不同工況下壓力波動隨蓄能器體積的變化趨勢大致相同，當(dāng)有效體積增至10倍時(shí)，繼續(xù)加大蓄能器體積壓力波動變化不大，但相應(yīng)成本會有所增加。因此，蓄能器有效體積設(shè)置為液壓缸行程體積的10倍左右是更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

4 結(jié) 論

(1) 提出基于準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)計(jì)算系統(tǒng)液壓壓力的工程實(shí)用方法，并對操作手冊中某大型耙吸挖泥船耙頭波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓壓力在等溫和絕熱條件下的變化分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與操作手冊中的數(shù)據(jù)相符，說明了計(jì)算方法的可靠性。另外，對比分析兩種條件下的計(jì)算結(jié)果，得出蓄能器中的可壓縮氣體的變化過程視作絕熱過程和等溫過程對計(jì)算結(jié)果影響不大的結(jié)論。

(2) 采用提出的計(jì)算方法，計(jì)算不同蓄能器體積下系統(tǒng)壓力波動變化百分比，得到壓力波動量隨蓄能器體積增加而衰減的趨勢圖，分析驗(yàn)證了蓄能器有效體積一般設(shè)置為液壓缸活塞行程體積10倍的合理性。