采礦船甲板上旋流器多維運動仿真研究①

曹傳輝，黃雄林，劉石梅，曾志飛

（長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙410012）

旋流器是一種借助離心力實現按顆粒沉降速度分級的設備。深海采礦車通過管道提升至甲板的礦漿，體積濃度低于10%，為有效降低海洋運輸成本，采礦船可借助旋流器來實現超低濃度礦漿的高度濃縮，最終實現干礦運輸。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搖擺［1］。本文對船載工況下旋流器的多維運動進行仿真研究，可為采礦船安裝旋流器提供科學依據。

1 船載旋流器模型

1．1 采礦船仿真模型

依據采礦船實際結構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作網格劃分。每個網格節點為旋流器的安裝位置［2－3］，也即運動觀測點。通過對運動觀測點的運動路徑分析，考察安裝在甲板上不同位置旋流器的運動情況。

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個軸向，每個軸向上分別添加沿軸線直線運動及繞軸線圓運動，通過不同簡單運動方式的復合來實現船體的復雜運動。

1．3 運動參數設置

船體包括3個自由度的運動：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，運動函數為：y＝5cos（2πt／5），其中t為時間。

2）沿船體寬度方向搖擺幅度8°，搖擺半徑9 m，周期7 s，運動函數為：y＝8cos（2πt／7），其中t為時間。

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

2 多維運動仿真

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）運動方式及運動函數通過添加不同類型與參數的伺服電機來實現。進行運動仿真時，所有伺服電機同時動作，得到的模型動態運動過程如圖4所示。

圖4 伺服電機沿不同自由度運動的模型動態圖

2．1 運動仿真結果

根據仿真運動結果分別對不同觀測點進行沿甲板長度方向、寬度方向、垂直方向的最大偏移量提取，并繪制成圖5。

圖5 甲板上各觀測點最大偏移量

2．2 仿真結果分析

仿真結果表明，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，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。表現為：長度和寬度方向上，兩端偏移量最大，中間偏移量最小；垂直高度方向上，高度越高，最大偏移量越大。

根據設置的運動方式與運動參數，垂直甲板方向0、5、10 mm的3個平面上，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。可以發現，船體沿長度及寬度方向搖動產生的運動幅度不大，但對垂直甲板方向的運動幅度影響較大。

3 結 論

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