基于AMESim的采礦船升沉補償系統能耗分析

滕媛媛，胡周國，宋豫，陳林愷

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

0 前言

隨著世界工業化水平的不斷提升，現存陸地上可采礦產已不能滿足人類需求。在未來想要長遠地發展和進步，需要研究和發展深海能源開采技術，深海采礦是其中之一[1]。采礦船在海上運動過程中，會由于浪涌產生升沉運動。這種升沉運動會對采礦船造成巨大的傷害，導致深海采礦船的采礦作業安全性無法得到保障[2]。有學者提出了升沉補償液壓系統的想法，來保持采礦船作業的平穩性[3-4]。升沉補償系統可分為被動式、主動式和主被動式，主被動式是由主動和被動的結合。本文作者先分析采礦船升沉補償液壓系統相關理論，利用AMESim軟件搭建液壓缸升沉補償模型，并與相關真實實驗結合，模擬仿真討論了主被動升沉補償系統不同作業環境下的主動模塊能耗功率特性。

1 采礦船升沉補償液壓系統相關理論

1.1 采礦船升沉補償液壓系統的總體原理

深海采礦系統結構簡圖見圖1。升沉補償系統是安裝在采礦船上的一套液壓裝置[5]。其缸體安裝在船上，活塞運動且連接傳輸管道，繼而可以控制中繼站平臺的位移[6]。

圖1 深海采礦系統結構簡圖Fig.1 Structure of deep sea mining system

1.2 被動式升沉補償液壓系統

被動式升沉補償系統由液壓缸、蓄能器、管道及儲氣瓶組成，依靠氮氣的勢能變化來補償采礦中繼站平臺的升沉位移所需的能量[7]。被動式升沉補償系統原理如圖2所示。被動補償系統類似于一種氣液彈簧，靠積攢勢能和釋放勢能來進行升沉補償，無需電機供能[8]。但是被動升沉補償的效率較低，有很大的補償滯后性，補償精度不高，所以在實際中不適合單獨使用。

圖2 被動式升沉補償系統原理Fig.2 Principle of passive heave compensation system

1.3 主動式升沉補償液壓系統

主動式升沉補償系統是由液壓泵提供能量，通過傳感器檢測到采礦船隨波浪的實際位移，通過PID控制器調節液壓閥和變量泵的方向和流量大小[9-10]。圖3為主動式升沉補償系統的原理。

圖3 主動補償系統原理Fig.3 Principle of active compensation system

主動式補償系統和被動式補償系統各有優缺點。主動式補償系統有一定的抗干擾能力，但是隨著負載的增大，補償的準確度也會受到影響，能量消耗巨大。同時在實際運用中，液壓缸中的流量和壓力是有上限的，所以在實際運用過程中若超過其極值，補償效果無法達到預期，故在實際運用過程中并不適用[11]。

針對被動式補償精度不高、主動式系統能耗過大的缺點，本文作者設計了一套主被動升沉補償系統。利用AMESim軟件搭建出相應的液壓缸升沉補償模型[12-13]，并與相關實驗結合，仿真驗證了主被動式升沉補償系統中主動和被動之間的能耗功率特性。

2 采礦船主被動升沉補償系統設計和重載實驗

2.1 主被動升沉補償液壓系統設計

該系統可在不同工況下實現被動補償功能與主動補償功能的切換，具備更廣泛的負載適用性。為該系統設計了專門的復合式液壓缸，其A、B腔是負責主動模塊的腔室，C腔是負責被動模塊的腔室。除了復合式液壓缸，還由液壓泵、電動機、安全閥、主控制閥、PID控制器、充液閥、連通閥、穩壓蓄能器、補償蓄能器組合而成。設計的主被動升沉補償系統的液壓原理簡圖如圖4所示。

此主被動升沉補償系統結合了被動補償和主動補償，具有兩種升沉補償模式。主控制閥設計成比例閥，通過位置傳感器感測船體升沉運動位移，傳遞信號給主控制閥來控制開口的方向，由PID控制器控制補償液壓缸的活塞位移運動。

2.2 高塔2 MN重載試驗

采用高塔試驗臺上固定的滑輪吊起重物，進行補償試驗，測試整個系統的補償能力，驗證補償的精度、響應速度和能耗分析。高塔2 MN重載試驗裝置由2 MN負載、主被動升沉補償液壓系統和牽引絞車系統組成[14-15]，如圖5所示。

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

可通過相關檢測器材讀取一些關鍵參數，選取波浪幅值1.25 m和周期16 s海況下試驗所得進行展示，如圖6所示。

圖6 補償系統A缸試驗數據Fig.6 Compensating system A cylinder test data：(a) pressure，speed；(b)power

通過傳感器讀取波浪幅值為1.25～2.5 m、波浪周期為8～16 s模擬海況下的相關參數，計算可得功率數據如表1所示。

表1 高塔2 MN重載試驗的功率數據Tab.1 Power for 2 MN heavy-duty experiments with high tower

從表1可以看出：當波浪幅值、波浪周期變化時，主被動組合升沉補償系統A缸平均功率與負載平均功率的比值在16%～22%內變化，均值為19.4%。即主動補償模塊功率的平均貢獻為19.4%，被動補償模塊功率的平均貢獻為1-19.4%=80.6%。

3 主被動升沉補償系統AMESim仿真分析

3.1 主被動升沉補償系統的建模

根據原先設計的主被動升沉補償系統的原理構建AMESim模型如圖7所示。

圖7 主被動式升沉補償系統仿真模型Fig.7 Simulation model of active-passive heave compensation system

3.2 主被動升沉補償系統的仿真結果

AMESim軟件建立的主被動升沉補償系統仿真模型可以對主要運動參數變化進行仿真提取，并且讀取主被動升沉補償系統相關物理量用于理論計算。選取波浪幅值1.25 m和周期16 s海況下仿真提取相關物理量曲線見圖8。

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

3.3 主被動升沉補償系統功率計算

導出周期內任一時刻主動液壓缸A腔的壓力和活塞位移速度變化以及質量塊的受力情況和位移速度，來計算仿真主動模塊在主被動升沉補償系統中的能耗占比情況。

主動模塊實際瞬時功率計算如式(1)所示：

PA=pa×va×Aa

(1)

式中：PA為主動模塊實際瞬時功率；pa為主動液壓缸A缸的壓力；va為主動液壓缸活塞的移動速度；Aa為液壓缸主動式升沉補償腔的作用面積。

實際負載瞬時功率計算如式(2)所示：

P=G×vm

(2)

式中：P為實際負載瞬時功率；G為負載重力；vm為負載的移動速度，vm=2×va。

將相關數據從AMESim模型中導出后，通過計算得出每時刻的主動補償瞬時輸出功率占實際負載瞬時功率的比值，如表2所示。

表2 仿真、試驗功率數據對比Tab.2 Power data comparison between simulation and experiment

通過表2可知：試驗數據和仿真數據誤差不足5%，仿真和真實情況相似，證明所建立模型可信，可進行之后的功率分析。

4 升沉補償液壓系統能耗功率特性討論

通過AMESim仿真模型對2 MN采礦船升沉補償系統的負載、波浪幅值和波浪周期進行分析，討論能耗功率特性。

4.1 不同負載下的能耗功率計算

對負載的相對極端情況進行討論，在額定負載2 MN左右范圍取值進行仿真分析。通過AMESim分別建立了空載0.5 MN、超載3 MN的相對極端情況，并以此分級建立了1、1.5、2、2.5 MN模型，取波浪幅值為2 m、波浪周期為10 s，得到的功率數據見表3。

表3 負載變化仿真功率數據Tab.3 Simulated power data with changed load

由表3可以看出：主動A缸平均功率穩定在300 kW左右，而負載所需平均功率隨負載的增大而增大。而由于波浪幅值不變，主動A缸活塞桿升沉補償量的變動幅度很小，故A缸能提供的功率變化不大。并且空載時主動式升沉補償貢獻很大，來平穩負載過輕時產生的劇烈振動。隨著負載增大，主動功率的貢獻逐漸減小，更多的是由被動缸中的氣體勢能來承擔。

4.2 不同周期下的能耗功率計算

通過AMESim在波浪升沉周期10 s左右范圍取值進行仿真分析，分別建立了周期為8、10、12、14、16 s相對復雜情況下的仿真模型，取負載為2 MN、波浪幅值為2 m，得到的仿真功率數據見表4。

表4 頻率變化仿真功率數據Tab.4 Simulated power data with changed frequency

分析表4中的數據可知：隨著波浪周期的增大，主動A缸和負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，波浪的變化會變得平緩，升沉補償系統會有更多的時間去適應變化，調整速度會變小，故主動A缸提供和負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算

通過AMESim在波浪升沉幅值為2 m左右范圍取值進行仿真分析，分別建立了幅值為1、1.5、2、2.5、3 m相對復雜情況下的仿真模型，取負載為2 MN、波浪周期為10 s，得到的仿真功率數據見表5。

表5 幅值變化仿真功率數據Tab.5 Simulated power data with changed amplitude

分析表5中的數據可知：隨著波浪幅值的增大，主動A缸和負載的平均功率都逐漸增大，符合實際情況波浪幅值增大、升沉補償系統所需補償的位移增大，故所需的各項功率均隨之增大。

5 結論

(1)經驗證，AMESim仿真模型和現實試驗結果誤差不足5%，印證了AMESim主被動升沉補償系統仿真模型的可行性。

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

(3)主動補償模塊功率的平均貢獻比基本在20%左右，被動補償模塊承擔約80%，證明主被動升沉補償系統的節能性。