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复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真

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Modeling and Simulation for Semi-active Heave CompensationSystem of Composite-cylinder TypeQUAN Weicai ,ZHANG Aiqun ,ZHANG Zhuying(1.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy ofScience,Shenyang Liaoning 1 10016,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China)Abstract:A semi-active heave compensation system of composite-cylinder type was presented according to the requirement ofimproving the safety of handling of deep-sea remotely operated vehicle(ROV)in harsh sea state.The semi-active heave compensationprineiples wero introduced,and the simulation models of the system under passive heave compensation mode and semi-active heavecompensation mode were set up respectively via the AMESim.Th e performance of heave compensation system under diferent heave fre-quencies and the change laws of piston displacement of composite·-type cylinder and accumulator pressure were analyzed through cant·rastive analysis.Th e results demonstrate that the semi-active heave compensation system can be used to reduce the strong influence ofperiod ic ship heave motion on umbilical tension an d tether-management-system displacement efectively。

Keywords:ROV;Semi-active heave compe nsation;Composite-cylinder出于对丰富海洋资源的重视 ,世界主要海洋国家都先后研发了不同潜深的深海有缆水下机器人 (Re-motely Operated Vehicle,ROV)。深海 ROV系统主要由母船、控制室、收放系统、铠缆、中继器、系缆与ROV等组成,其中,母船通过铠缆连接中继器,中继器通过中性浮力的系缆连接 ROV。母船在高海况下会产生较大幅度的周期性升沉运动 ,使铠缆张力大幅波动,导致中继器不断振荡 ,在与 ROV对接时易损坏铠缆及中继器与 ROV上的敏感元器件。

为降低母船升沉运动对水下中继器与 ROV的影响,深海 ROV系统都安装了升沉补偿系统。根据执行元件的不同,升沉补偿系统可以分为直线液压缸式和旋转液压马达式两类 ;根据工作原理的不同,又可分为被动式 、主动式 与半 主动式 3类,各有优 缺点 。被动升沉补偿方式不需要主动提供动力,借助气液蓄能器来储存和释放波浪能,结构较简单,补偿时间长,但补偿效率低;主动升沉补偿方式需要利用精密的运动传感器来测量母船的运动 ,进而控制油缸或液压马达回收和释放铠缆,优点是补偿精度高、抗干扰性能强,缺点是能源消耗大、系统复杂 ;半主动升沉补偿方式则结合了前两种方式的优点,是近年来国外研究的热点。作者提出-种基于复合液压缸的半主动升沉补偿系统,建立了两种工作模式下的AMESim仿真模型,分析了不同升沉频率下系统的补偿性能,以及复合液压缸活塞位移与蓄能器压力的变化规律,得出了有用的结论,为半主动升沉补偿系统的设计与实际应用提供参考。

1 复合缸式半主动升沉补偿系统原理复合缸式半主动升沉补偿系统原理如图1所示,执行元件为复合缸 11,底部固定在母船甲板上,由内外两缸筒与空心活塞杆嵌套而成,分为内缸腔 E、外缸有杆腔 F和外缸无杆腔 G 3个油腔。其中,缸腔收稿日期:2011-12-01作者简介:全伟才 (1984-),男,博士研究生,主要从事有缆水下机器人与电液控制技术研究。E-mail:qwc###s cn。

· 138· 机床与液压 第 41卷G与气液蓄能器 19相连,与工作气瓶20组成被动升沉补偿子系统;缸腔E、F与电液比例阀6相通,与电机 2、定量泵 3组成主动升沉补偿子系统。两个限压溢流阀7、8跨接在复合缸进、回油路上,能防止复合缸油腔内压力过高而导致的密封元件损坏。拈l6采集母船升沉位移 与复合缸活塞位移 :,经控制器 17得到电液控制指令,通过拈18控制电液比例阀驱动活塞杆上下运动。中继器 15通过铠缆 14悬挂在复合缸顶端动滑轮 10上,随着母船的升沉而上下运动。

l- 油箱 2- 电机 3- 撅 压泵 4- 单 向 阀 5- 安 全 阁 6- 电瑷比例 网7、8-限压溢流阀 9-电磁换 向阀 lO~动滑轮 l1-复合缸 l2-导向滑轮 l3-支架定滑轮 l-铠缆 l 中继器 l6-模,数转换器17-控制器 l 数,模转换器 19-营能器 2O-气瓶图 1 半主动升沉补偿系统原理图在母船的上升、下降过程中,只要复合缸释放、回收铠缆的方向与母船升沉运动相反,就达到了降低母船升沉对水下中继器位移与铠缆张力影响的目的。

具体来说,图1的半主动升沉补偿系统有两种工作模式 :(1)被动升沉补偿模式。电磁换向阀9处于左位,电液比例阀6处于中位,只有被动升沉补偿子系统动作;(2)半主动升沉补偿模式。电磁换 向阀 9处于右位,主动升沉补偿子系统与被动升沉补偿子系统同时进行补偿。补偿过程为:当母船上升 (下降)时,因中继器具有大惯性,作用在复合缸顶端动滑轮上的外载荷增大 (减小),活塞杆会往下 (上)移动,蓄能器与工作气瓶内的气体压缩 (膨胀),同时,电液比例阀6在控制器的作用下处于左 (右)位,电机带动定量泵旋转输出压力油,经单向阀4进入复合缸腔 F(缸腔 E),克服活塞与缸筒、活塞杆与缸筒间的摩擦阻力及其惯性力,使活塞杆进-步下 (上)移,释放 (回收)铠缆,复合缸腔 E(缸腔F)的低压油则经电液比例阀6流回油箱。

2 系统仿真模型的建立在系统模型建立的过程中作如下假设 :(1)铠缆处于铅直状态 ,中继器视为附加在铠缆末端的质点,不考虑水下洋流;(2)假设液压系统无泄漏,忽略液压管道沿程压力损失与局部压力损失 ,不考虑油液的质量和可压缩性。

2.1 被动升沉补偿模式的仿真模型根据牛顿第二定律,复合缸活塞驱动力 F 可表示为F m 茹2cfi22m (z)三2c 1 l,孔 g2m(z)gy (1)式中:m 为复合缸活塞杆 、活塞和顶端动滑轮等可动部件的总质量;c 为复合缸活塞、活塞杆与缸筒问的阻尼系数 ;m ( )表示铠缆与 中继器 的总质量;为复合缸活塞位移 ; 表示 中继器的位移;c是铠缆与海水间的阻尼系数;y为浮力指数,y∈(0,1);g为重力加速度。

式 (1)可以分成两类:静态载荷 (重力与浮力)和动态载荷 Wd(与速度和加速度有关 的惯性力与阻尼力),即m g2m (z)gT (2)Wdm。 2c x22m (z)j2cz l l (3)图1的半主动升沉补偿系统中,当主动升沉补偿子系统不动作时,被动升沉补偿子系统应能承受全部的外载荷,这时复合缸承受的载荷将在 左右波动,若动态载荷I I≤ ,k (0,1),则复合缸所承受的总载荷 。的变化范围为 Wd∈((1-k) ,(1k)W)设活塞相对复合缸筒移动6时的蓄能器气体压力为P,也即作用在复合缸活塞上的压力,A。为复合缸的活塞面积,△ 为复合缸行程。当 0,时活塞处于复合缸的最上端,此时蓄能器气体压力为最小压力p。,对应气体体积为最大体积 V1;当6△ 时,活塞处于复合缸的最底端,此时蓄能器气体压力为最大压力P ,气体体积正好是工作气瓶容积 ,则有(1-k) (1k) , 、- -, P2 - - - A。A (5)由玻义耳定律知P p ,n为气体绝热指数,令 (1k)/(1-k),结合式 (4)、 (5),工作气瓶的容积可表示为: -ApAh- 1(6)当0<6<△ 时,蓄能器气体体积为VV1- 。 (7)结合式 (4)、 (6)、 (7),将 pV'p 两边同时乘以A ,得被动升沉补偿子系统对复合缸活塞的第 1期 全伟才 等:复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真 ·139·驱动力为P。A p 。A 。 (vjv) (1k) ·( )/( -6 (Ol(1- h)8/Zih)(8)当F·A W 时,可 以认为复合缸活塞处于静态平衡位置,此时活塞的位移(9)在AMESim里建立被动升沉补偿模式的仿真模型,如图2所示,拈 1输出母船的升沉运动信号。, 拈2得到复合缸活塞位移 ,拈3得到叠加后的铠缆首端位移 2 :,拈 4是收放铠缆的液压绞车,通过铠缆拈 5对中继器拈6进行收放,拈 7输出作用在复合缸活塞杆上的载荷。

图2 被动升沉补偿模式的仿真模型已知某深水吊放系统主要参数为:铠缆长度为5 000 m,弹性刚度为9 100 N/m,水中单位长的质量为2.59 kg,中继器水中质量为 4 320 kg♂合式(1)- (9)设置被动模式下的仿真模型参数,如复合缸行程为 2 m,缸腔 G等效 内径为 170 mm,缸腔E、F内的最高油压为 15 MPa,等效内径为77 mm,最大流量为 282 L/min;蓄能器最小压力为 12 MPa,最大压力为 18 MPa,最小 气体体积为 135 L,最大 .f气体体积为 180 L,气体 戛 绝热指数 n1.4,载荷波 0.5动系数k0.2。稳态平衡 I时,复合缸活塞位移 ,理 o论 计 算 值 为 1.17 rn,AMESim仿真结果为 1.18m,如 图 3所示 ,这说 明了仿真模型的正确性。

图 31O 20 30f,s稳态平衡时的复合缸活塞位移2.2 半主动升沉补偿模式的仿真模型在前面被动升沉补偿的基础上加入主动升沉补偿,根据系统原理图 1,采用 AMESim建立的半主动升沉补偿模式的仿真模型如图4所示,将拈 3输出的位移与目标位移 (拈8)进行比较,得到的差值经 PID控制器处理后得到电液比例阀的控制电压信号,通过改变控制信号的大型极性来改变油路的通流截面积,对流量和方向同时进行控制。当输入电流为正时,电液比例阀处于左位 ,复合缸处于释放铠缆状态;电流为负时,电液比例阀处于右位,复合缸处于回收铠缆状态。在前面的基础上进-步设定仿真系统液压元件主要参数,如液压泵的额定转速为 1 500r/min,排量为 200 mL/r,额定压力为 20 MPa;电液比例阀的最大流量为 300 L/min,对应 的最大压降为1 MPa;等等。

图4 半主动升沉补偿模式的仿真模型3 仿真结果分析考察五级忽下半主动升沉补偿系统 的补偿性能,设母船的升沉运动为简谐运动 。Asin(2 ),④###· 140· 机床与液压 第41卷其中A为运动幅值,.厂为运动频率。设置4种五级海况下母船升沉运动激励信号,运动幅值A均为 1 m,运动频率.厂依次为0.1、0.15、0.2、0.25 Hz。

3.1 补偿性能分析图5和6分别表示在4种不同母船升沉频率下的铠缆张力和中继器升沉位移结果∩知:不同频率下的铠缆张力和中继器位移始终在某个值附近上下波动,显然该值为稳态平衡值。被动子系统在低频信号(0.1≤厂<0.15 Hz)激励下基本不起作用,直到高频(0.2≤,<0.25 Hz)时,被动补偿的作用才逐渐增强,补偿效果较明显。在 0.1 厂≤0.25 Hz内,半主动补偿性能始终要优于被动补偿,补偿后的铠缆张力和中继器位移波动幅度都很校20- Zl8- ×l60 l0 2O 30 0 10 20 30tls tls(a)fo.1 Hz (b),;0.15 Hzl-无补偿21黑0. 1tls(c)户0.2 Hztls(d)产 O.25 Hz图 5 不同升沉频率时的铠缆张力t/s(a)f0.1Hzl-无补偿tls(b)f0.15Hzl-无补偿tls tlsfc)fo.2 Hz (d)f0.25 Hz图6 不同升沉频率时的中继器位移两种补偿模式下的补偿效率随升沉频率变化曲线如图7所示, 、F。 分别表示被动补偿与半主动补偿 时 的张 力 补偿 效率,曲线 分别表示被动补偿与半主动补偿时的位移补图7 补偿效率与升沉频率的关系偿效率。由图7可知:半主动补偿效率随着升沉频率的增加有所降低,且位移补偿效率要大于张力补偿效率;被动补偿效率随着升沉频率的增加而增加,且位移补偿效率要略大于张力补偿效率;在整个频段内,半主动升沉补偿效率在 80% 以上,被动升沉补偿效率最高只能达到64%左右。

3.2 复合缸活塞位移分析由图8可 知,母 船上升 时复合 缸活塞位 移增大,以释放铠缆;母船下降时活塞位移减小,以回收铠缆。在0.1≤,≤0.25 Hz内,被动升沉补偿的最大位移要小于同频率下半主动升沉补偿的最大位移,这是因为主动子系统能在被动子系统补偿基础上对复合缸活塞施加多余的力,以克服与速度和加速度相关的系统惯性力与黏性摩擦阻力 ,从而可以增加回收或释放铠缆的长度 ,更好地补偿母船升沉运动的影响。

l-被动升沉补偿2昙·tls(c)产0.2 Hzl-被动升沉补偿tlsfd)f0.25 Hz图 8 不同升沉频率时的复合缸活塞位移3.3 蓄能器压力分析从图9可以看出,蓄能器气体的压力在设定的范围内随着母船的升沉而不断变化。当母船上升时,复合缸活塞下移,蓄能器气体被压缩,压力增大,体积相应减小;当母船下降时,复合缸活塞上移 ,蓄能器偿-补动主 >- 昌H偿. -3 引沉 m偿动上V-偿 1n -。育. 动主, J 嚣 。j磷 :-偿- 丽蜀刖州第 1期 全伟才 等:复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真 ·141·气体膨胀,压力减小,体积相应增大。在 0.1≤,≤0.25 Hz内,半主动升沉补偿时蓄能器气体压力变化幅度要大于被动补偿情形,显然这是因为主动子系统同时施加驱动力的缘故,能有效增加蓄能器的能量储存与释放,进而提高补偿效率。

l6皇14as(a)/0.1Hz1-被动升沉补偿2-半主动升沉补偿/2, 、、f O 1O 20 3Ot/s(c)产O.2 Hz18重141-] 升沉补偿2-半主动升沉朴偿太·O lO 2O 30t/s(b)ffi0.1sHz18l6罢l4l-被动升沉补偿, 2-半主动升沉补偿,l上 l0 lO 20 30t/s(c1)yo.25Hz图9 不同升沉频率时的蓄能器压力变化4 结论(1)针对有缆水下机器人安全吊放的要求,提出-种复合液压缸式的半主动升沉补偿系统,建立了系统在被动升沉补偿模式与半主动升沉补偿模式下的仿真模型;(2)半主动升沉补偿效率随着升沉频率的增加而有所降低,但可保持在 80%以上;被动升沉补偿效率变化敲相反,最高仅能达到64%,适合在高频段使用;(3)在 O.1 厂≤0.25 Hz内,由于主动升沉补偿子系统对复合缸活塞的驱动力作用,半主动升沉补偿时的活塞位移和相应的蓄能器压力变化幅度都要大于被动升沉补偿情形;(4)主动升沉补偿子系统失效时,仍可使用被动升沉补偿子系统,提高了系统的可靠性,降低了吊放作业风险,为提高深水作业设备的收放安全性提供了-定的参考。

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