一種深海起重機被動式升沉補償系統的仿真方法與流程

本發明屬于深海起重機運動控制技術領域，具體涉及一種深海起重機被動式升沉補償系統的仿真方法。

背景技術：

近年來，隨著人們探索的腳步逐漸邁向海洋，各種海上吊裝作業，諸如浮托安裝、ROV的布放和回收、水下平臺安裝等，都需要用到船載起重設備。不同于陸地上的情況，船舶在海上會受到風、浪、流的影響，進而產生六自由度運動，其中垂蕩、橫搖和縱搖運動可能會造成被吊重物與水下平臺發生碰撞，或者已放落的重物再次懸空。這些突發狀況輕則造成船舶設備損壞，重則發生起重鋼纜斷裂，造成重大的安全事故。因此，為了順利完成復雜海況下的各類海上工程作業任務，研究深海起重機升沉補償系統的運動建模及控制技術具有重要的工程價值和現實意義。

目前，深海起重機的升沉補償系統按是否需要外界動力可分為兩類：一類是主動式升沉補償系統，另一類是被動式升沉補償系統。按補償系統的型式可分為兩類：一類是直線液壓缸式補償方法，另一類旋轉絞車式補償方法。本發明以海洋石油286船上安裝的OMC900-400型(200t/400t offshore mast crane)桅桿式深水作業起重機為依托對象，該起重機所安裝的是主被動一體式的直線液壓缸式升沉補償系統，具有被動式補償和主動式補償兩種工作模式。其中，主動式補償模式是一種輔助工作方式，而被動式升沉補償模式是OMC900-400型起重機升沉補償的基本工作模式，被動式升沉補償方式工作安全可靠且不消耗外界能源。因此，對被動式升沉補償系統進行深入分析，對研究深海起重機升沉補償系統的運動控制技術具有重要意義。

本發明以OMC900-400型深水作業起重機為研究對象，深入分析被動式升沉補償系統的工作機理，建立了一種直線液壓缸式補償系統的數學模型，設計了一種針對海底安裝作業任務的被動式升沉補償的仿真模型，能夠準確和有效的模擬不同吊物質量和不同海況下，被動式升沉補償系統的補償運動規律，重物在海水中的運動規律等。本發明最終應用于深海起重機操縱模擬器的研制中，對深海起重機實際作業裝備的研制具有重要的工程價值和理論指導意義。

技術實現要素：

本發明目的在于提供一種可應用于深海起重機仿真訓練模擬器的被動式升沉補償系統的深海起重機被動式升沉補償系統的仿真方法。

本發明的目的是這樣實現的：

(1)將包括吊物質量、鋼纜長度、鋼纜質量、活塞及動滑輪組質量、儲能瓶體積、活塞面積、吊物初始運動狀態、主液壓缸活塞及中間分離器活塞的初始運動狀態的系統模型參數輸入到起重機被動式升沉補償系統仿真模型；

(2)將吊物質量、鋼纜質量、活塞及動滑輪組質量及主液壓缸活塞面積輸入到平衡點儲能瓶工作壓強模塊，按下式(1)得到升沉補償系統平衡點處儲能瓶的工作壓強：

式中：M_s——海水中吊物質量，kg；M_w——海水中鋼纜質量，kg/m³；A_p——主液壓缸活塞面積，m²；g——重力加速度，m/s²；m_p——主液壓缸活塞及動滑輪組的質量，kg；

(3)將中間分離器活塞的位移x輸入到儲能瓶工作壓力模塊，按下式(2)計算t時刻被動式升沉補償系統儲能瓶的工作壓強：

式中：A_s——中間分離器活塞的面積，m²；x——中間分離器活塞的位移，m；V₀——平衡工作點處儲能瓶、氣管及中間分離器氣體的體積之和，m²；

(3)在升沉補償過程中，t時刻主液壓缸油液的壓強，可按照下式(3)得到：

p_t＝p_f (3)

式中：p_t——t時刻主液壓缸油液壓強，m²；

(5)在升沉補償過程中，將主液壓缸油液壓強輸入到主液壓缸輸出力模塊，按照下式(4)，得到t時刻主液壓缸輸出力：

F_p＝p_tA_p (4)

(6)在升沉補償過程中，將t時刻主液壓缸活塞的速度輸入到計算液壓缸阻尼力模塊，按下式(5)，得到主液壓缸油液阻尼力：

式中：k₁——主液壓缸油液等效粘性阻尼系數；——主液壓缸活塞的速度，m/s；

(7)在升沉補償過程中，將t時刻鋼纜張力、主液壓缸輸出力、主液壓缸油液阻尼力輸入到活塞受到合外力模塊，按下式(6)得到t時刻主液壓缸活塞受到的合力：

ΔF_p＝2F_t-F_p-F_d-m_pg (6)

式中：F_t——t時刻鋼纜張力，N；

(8)在升沉補償過程中，將t時刻活塞受到合力輸入到活塞運動狀態模塊，按照下式(7)-(9)分別得到活塞的加速度、速度和位移：

式中：——活塞加速度，m/s²；y₁——活塞位移，m；

(9)將鋼纜的剛度、吊物質量和鋼纜質量輸入到計算鋼纜靜態伸長量模塊，可按照下式(10)得到平衡狀態下鋼纜的靜態伸長量：

式中：C_w——鋼纜的剛度，N·m；

(10)在升沉補償過程中，將t時刻起重機鋼纜的靜態伸長量、主起升尖端升沉位移、主液壓缸活塞位移、吊物位移輸入到鋼纜伸長量模塊，按照下式(11)得到t時刻起重機鋼纜伸長量：

ΔL＝L₀+z-2y₁-y₂ (11)

式中：y₂——吊物的位移，m；z——起重機主起升尖端升沉位移，m；

(11)在升沉補償過程中，將鋼纜剛度、鋼纜伸長量輸入到鋼纜張力模塊，按下式(12)得到起重機鋼纜張力：

F_t＝C_wΔL (12)

(12)在升沉補償過程中，將一階粘性阻尼系數和吊物在t時刻的運動速度輸入計算吊物阻尼力模塊，按下式(13)得到在海水中的吊物阻尼力：

式中：k₂——吊物在海水中的一階粘性阻尼系數；——吊物在海水中的運動速度，m/s；

(13)在升沉補償過程中，將鋼纜張力、t時刻吊物阻尼力、吊物質量、鋼纜質量輸入吊物合外力模塊，按照下式(14)得到t時刻吊物所受的合外力：

ΔF＝F_t-F_M-(M_s+M_w)g (14)

(14)在升沉補償過程中，將吊物合外力、吊物質量、鋼纜質量和吊物附加質量輸入，按照下式(15)-(17)得到吊物的運動狀態；

式中：——吊物加速度，m/s²；——吊物速度，m/s；y₂——吊物位移，m；M_a——吊物在海水中的附加質量，kg。

本發明的有益效果在于：

本發明中的仿真方法對設計深海起重機具有較重要的工程價值和指導意義，對研究深水吊裝和水下維修等作業作業任務也具有較重要的工程指導意義。

附圖說明

圖1深海桅桿式起重機的組成框圖。

圖2被動式升沉補償裝置的結構簡圖。

圖3被動式升沉補償系統的工作原理圖。

圖4被動式升沉補償仿真方法的流程圖。

圖5被動式升沉補償系統的主要技術參數。

圖6升沉補償裝置參數的計算結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述。

本發明根據中海油286作業船上所安裝的OMC900-400型桅桿式深水作業起重機(如圖1)及其被動式升沉補償系統(如圖2)的結構組成和工作原理，首先針對起重機海底吊裝作業工況，建立起一種深海起重機被動式升沉補償系統的數學模型，如圖3。其次構建了一種深海起重機在海底吊裝作業時被動式升沉補償系統的仿真模型，如圖4。最后，本發明實現了深海起重機在被動式升沉補償模式下對海底吊裝作業過程的仿真功能。

如圖1所示，本發明中的仿真方法可模擬安裝于海洋工程船上的深海起重機進行海底吊裝作業的工作過程及工作原理。圖1中，深海起重機安裝在船甲板(1’)上，主要由以下部件組成：主桅桿(2’)、主支臂(3’)、變幅機構(4’)、回轉平臺(5’)、收放絞車(6’)、鋼纜(7’)、被動式升沉補償裝置(8’)、吊物(9’)。圖2所示的是被動式升沉補償裝置，主要由以下部件組成：主液壓缸(10’)、主液壓缸活塞(11’)、動滑輪組(12’)、高壓油管(13’)、中間分離器(14’)、中間分離器活塞(15’)、高壓氣管(16’)、儲能瓶(17’)、油液(18’)、氮氣(19’)。

本發明的目的是這樣實現的，如圖3和圖4所示，具體步驟如下：

第一步，將系統模型參數(包括吊物質量、鋼纜長度、鋼纜質量、活塞及動滑輪組質量、儲能瓶體積、活塞面積、吊物初始運動狀態、主液壓缸活塞及中間分離器活塞的初始運動狀態等)，輸入到起重機被動式升沉補償系統仿真模型。

第二步，將吊物質量、鋼纜質量、活塞及動滑輪組質量及主液壓缸活塞面積輸入到“平衡點儲能瓶工作壓強”模塊，按下式(1)得到升沉補償系統平衡點處儲能瓶的工作壓強：

式中：M_s——海水中吊物質量，kg；M_w——海水中鋼纜質量，kg/m³；A_p——主液壓缸活塞面積，m²；g——重力加速度，m/s²；m_p——主液壓缸活塞及動滑輪組的質量，kg。

第三步，將中間分離器活塞的位移x輸入到“儲能瓶工作壓力”模塊，按下式(2)計算t時刻被動式升沉補償系統儲能瓶的工作壓強：

式中：A_s——中間分離器活塞的面積，m²；x——中間分離器活塞的位移，m；V₀——平衡工作點處儲能瓶、氣管及中間分離器氣體的體積之和，m²。

第四步，在升沉補償過程中，t時刻主液壓缸油液的壓強，可按照下式(3)得到：

p_t＝p_f (3)

式中：p_t——t時刻主液壓缸油液壓強，m²；

第五步，在升沉補償過程中，將主液壓缸油液壓強輸入到“主液壓缸輸出力”模塊，按照下式(4)，得到t時刻主液壓缸輸出力：

F_p＝p_tA_p (4)

第六步，在升沉補償過程中，將t時刻主液壓缸活塞的速度輸入到“計算液壓缸阻尼力”模塊，按下式(5)，得到主液壓缸油液阻尼力：

式中：k₁——主液壓缸油液等效粘性阻尼系數；——主液壓缸活塞的速度，m/s。

第七步，在升沉補償過程中，將t時刻鋼纜張力、主液壓缸輸出力、主液壓缸油液阻尼力輸入到“活塞受到合外力”模塊，按下式(6)得到t時刻主液壓缸活塞受到的合力：

ΔF_p＝2F_t-F_p-F_d-m_pg (6)

式中：F_t——t時刻鋼纜張力，N。

第八步，在升沉補償過程中，將t時刻活塞受到合力輸入到“活塞運動狀態”模塊，按照下式(7)-(9)分別得到活塞的加速度、速度和位移：

式中：——活塞加速度，m/s²；y₁——活塞位移，m。

第九步，將鋼纜的剛度、吊物質量和鋼纜質量輸入到“計算鋼纜靜態伸長量”模塊，可按照下式(10)得到平衡狀態下鋼纜的靜態伸長量：

式中：C_w——鋼纜的剛度，N·m。

第十步，在升沉補償過程中，將t時刻起重機鋼纜的靜態伸長量、主起升尖端升沉位移、主液壓缸活塞位移、吊物位移輸入到“鋼纜伸長量”模塊，按照下式(11)得到t時刻起重機鋼纜伸長量：

ΔL＝L₀+z-2y₁-y₂ (11)

式中：y₂——吊物的位移，m；z——起重機主起升尖端升沉位移，m。

第十一步，在升沉補償過程中，將鋼纜剛度、鋼纜伸長量輸入到“鋼纜張力”模塊，按下式(12)得到起重機鋼纜張力：

F_t＝C_wΔL (12)

第十二步，在升沉補償過程中，將一階粘性阻尼系數和吊物在t時刻的運動速度輸入“計算吊物阻尼力”模塊，按下式(13)得到在海水中的吊物阻尼力：

式中：k₂——吊物在海水中的一階粘性阻尼系數；——吊物在海水中的運動速度，m/s。

第十三步，在升沉補償過程中，將鋼纜張力、t時刻吊物阻尼力、吊物質量、鋼纜質量輸入“吊物合外力”模塊，按照下式(14)得到t時刻吊物所受的合外力：

ΔF＝F_t-F_M-(M_s+M_w)g (14)

第十四步，在升沉補償過程中，將吊物合外力、吊物質量、鋼纜質量和吊物附加質量輸入，按照下式(15)-(17)得到吊物的運動狀態。

式中：——吊物加速度，m/s²；——吊物速度，m/s；y₂——吊物位移，m；M_a——吊物在海水中的附加質量，kg。

第十五步，本仿真方法可模擬根據吊物質量及作業深度的變化，來調整被動式升沉補償系統儲能瓶的工作壓強的過程；可模擬輸出深海吊裝作業任務過程中，被動式升沉補償系統運動狀態(主液壓缸活塞位移和速度、主液壓缸油液壓強、儲能瓶壓強、中間分離器活塞位移和速度、鋼纜張力)的變化過程；可模擬輸出有無升沉補償功能時，深水中吊物的運動狀態(運動位移、速度和加速度)和鋼纜張力狀態的變化過程。

本發明應用的對象是在深度為500m的海底，利用起重機進行質量為100t吊物的起重安裝作業仿真。圖5-6是給出起重機及其升沉補償系統的具體參數。圖2中，被動式升沉補償系統的工作平衡點位于主液壓缸活塞行程的中點。建立主液壓缸活塞運動坐標系O_p-x_py_p，原點O_p位于活塞行程的中點。同理，建立中間分離器活塞運動坐標系O_m-x_my_m，原點O_m位于活塞行程的中點。下面結合附圖1-6，來說明本發明專利具體實施步驟：

第一步，利用圖5-6的系統參數，對起重機被動式升沉補償系統的仿真模型進行初始化。

第二步，將起吊鋼纜的直徑輸入，可以由下式(18)得到起吊鋼纜的橫截面積：

式中：A_w——鋼纜的橫截面積，m²；d_w——鋼纜的直徑，m；α₀——鋼纜的有效截面積系數，這是由于鋼纜纏繞的空隙引起的，這里α₀＝0.7。

第三步，將起吊鋼纜的水中長度和橫截面積輸入，可由下式(19)可以得到鋼纜的質量：

M_w＝ρ_wA_wL_w (19)

式中：ρ_w——鋼纜在海水中的密度，kg/m³；A_w——鋼纜的橫截面積，m²。

第四步，如圖4所示，將吊物質量和鋼纜長度輸入到“起吊總質量”模塊，按下式(20)可得到起重機起吊的總質量。

M＝M_s+M_w (20)

式中：M_s——海水中吊物的質量，kg；M_w——海水中鋼纜的質量，kg/m³。

第五步，將起吊總質量輸入到“平衡點儲能瓶工作壓強”模塊，按式(1)得到儲能瓶的工作壓強。

第六步，在被動式升沉補償系統的數學建模中，可以認為分離器活塞面積等于主液壓缸活塞面積，即由下式(21)得到分離器活塞面積：

A_s＝A_p (21)

第七步，升沉補償過程中，認為每一時刻中間分離器活塞位移都等于主液壓缸活塞位移，即有下式(22)得到中間分離器活塞的位移：

x＝y₁ (22)

第八步，升沉補償過程中，將中間分離器活塞位移輸入到“儲能瓶工作壓力”模塊，按式(2)計算t時刻儲能瓶的工作壓強。

第九步，升沉補償過程中，可按照式(3)得到t時刻主液壓缸油液的壓強。

第十步，升沉補償過程中，將主液壓缸油液壓強輸入到“主液壓缸輸出力”模塊，可按照式(4)得到t時刻主液壓缸的輸出力。

第十一步，升沉補償過程中，將t-1時刻主液壓缸活塞速度輸入到“計算液壓缸阻尼力”模塊，按式(5)得到t時刻主液壓缸油液的阻尼力。

第十二步，升沉補償過程中，將鋼纜張力、主液壓缸油液阻尼力、活塞及動滑輪組的質量輸入到“活塞受到合外力”模塊，可按式(6)得到主液壓缸活塞受到的合力。

第十三步，升沉補償過程中，將t時刻活塞受到合力、活塞及動滑輪組質量輸入到“活塞運動狀態”模塊，按照式(7)計算t時刻主液壓缸活塞的加速度。

第十四步，升沉補償過程中，將t時刻主液壓缸活塞運動的加速度輸入，按照式(8)計算活塞運動的速度。

第十五步，升沉補償過程中，將t時刻主液壓缸活塞的速度輸入，按照式(9)計算主液壓缸活塞的位移。

第十六步，將鋼纜的橫截面積、鋼纜的長度和彈性模量輸入，可由下式(23)得到鋼纜的彈簧剛度：

式中：E_w——鋼纜的彈性模量，約為100GPa；A_w——鋼纜的橫截面積，m²。

第十七步，將吊物質量、和鋼纜質量和彈簧剛度輸入到“計算鋼纜靜態伸長量”模塊，可按照式(10)得到鋼纜的靜態伸長量。

第十八步，升沉補償過程中，將主液壓缸活塞位移、起重機尖端升沉位移、鋼纜的靜態伸長量和吊物位移輸入到“鋼纜伸長量”模塊，按照式(11)得到t時刻鋼纜的伸長量。

第十九步，升沉補償過程中，將鋼纜伸長量輸入到“鋼纜張力”模塊，按式(12)得到t時刻鋼纜的張力。

第二十步，升沉補償過程中，將t-1時刻吊物的運動速度輸入到“計算吊物阻尼力”模塊，按式(13)得到吊物在海水中的阻尼力。

第二十一步，升沉補償過程中、將t時刻將鋼纜張力、t-1時刻吊物阻尼力、吊物等效質量輸入到“吊物合外力”模塊，按照式(14)得到吊物所受的合外力。

第二十二步，升沉補償過程中，將吊物合外力、吊物水中質量、吊物附加質量、鋼纜質量輸入到“吊物運動狀態”模塊，按照式(15)得到t時刻吊物運動的加速度。

第二十三步，升沉補償過程中，將t時刻吊物合外力、運動加速度輸入到“吊物運動狀態”模塊，按照式(16)得到t時刻吊物運動的速度。

第二十四步，將吊物運動速度輸入到“吊物運動狀態”模塊，按照式(17)得到t時刻吊物的位移。

第二十五步，將t時刻吊物的運動速度輸入到“計算吊物阻尼力”模塊、將t時刻鋼纜張力F_t輸入到“活塞受到合外力”模塊、將t時刻主液壓缸活塞的運動速度輸入到“計算液壓缸阻尼力”模塊、將t時刻吊物的位移y₂輸入到“鋼纜伸長量”模塊，可以仿真得到t+1時刻被動式升沉補償系統及吊物的運動狀態。重復以上仿真過程，可得到整個水下吊裝過程中起重機升沉補償系統和吊物運動狀態。

本發明中的起重機被動式升沉補償系統的仿真方法最終應用于深海起重機仿真訓練模擬器的研制中，實現了虛擬仿真環境下利用起重機進行水下起吊、水下安裝等作業任務。