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(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連　116026)

引言

帶升沉補(bǔ)償裝置的沉船打撈液壓同步提升系統(tǒng)具有可適用于復(fù)雜海況、打撈噸位大、作業(yè)效率高、不受水深限制等優(yōu)點(diǎn)，成為大噸位大水深沉船打撈的核心技術(shù)之一。在2001年巴倫支海沉沒深度達(dá)108 m的俄羅斯庫(kù)爾斯克號(hào)核潛艇打撈過程中[1]，荷蘭Mammoet公司就采用了26組帶波浪升沉補(bǔ)償裝置的液壓同步提升的方式，實(shí)現(xiàn)了2 m浪高環(huán)境下庫(kù)爾斯克號(hào)的安全打撈[2]。

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的性能對(duì)沉船同步提升系統(tǒng)的負(fù)載特性影響很大，因此是沉船打撈作業(yè)的關(guān)鍵所在。按照動(dòng)力的供應(yīng)方式，升沉補(bǔ)償裝置可分為被動(dòng)型升沉補(bǔ)償、主動(dòng)型升沉補(bǔ)償以及半主動(dòng)型升沉補(bǔ)償[3]。被動(dòng)型升沉補(bǔ)償裝置通常以液壓缸或者馬達(dá)[4]為執(zhí)行元件，蓄能器作為儲(chǔ)能元件，通過蓄能器的充放液實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償[5]，不需要系統(tǒng)額外提供動(dòng)力源，該特點(diǎn)讓其成為大負(fù)載系統(tǒng)升沉補(bǔ)償中的首選結(jié)構(gòu)形式。蓄能器及氣瓶隨著流體的充放，會(huì)出現(xiàn)壓力的變化，導(dǎo)致提升力隨補(bǔ)償位移變化而波動(dòng)，限制了這種結(jié)構(gòu)在力敏感系統(tǒng)中的應(yīng)用[6]。此外，由于蓄能器的工作總?cè)莘e在使用過程中無法改變，被動(dòng)型升沉補(bǔ)償裝置的工作特性在使用前已經(jīng)確定，很難根據(jù)負(fù)載工況調(diào)節(jié)，因此該類型升沉補(bǔ)償裝置常應(yīng)用在控制精度要求不高、負(fù)載允許有波動(dòng)的工程中。

今年來，各國(guó)科研人員都在提高升沉補(bǔ)償系統(tǒng)性能方面作出了不懈努力，研究工作主要圍繞升沉補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位移補(bǔ)償及負(fù)載減振特性等方面展開。在升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的位移補(bǔ)償特性方面，廣東工業(yè)大學(xué)吳百海搭建了深海采礦裝置的主動(dòng)升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)，由電液比例方向閥驅(qū)動(dòng)液壓缸閉環(huán)跟蹤采礦船隨波浪的搖擺幅度，實(shí)現(xiàn)采礦裝置的穩(wěn)定工作[7]；中南大學(xué)的倪佳以深海采礦被動(dòng)升沉補(bǔ)償裝置為對(duì)象，研究了蓄能器總?cè)莘e、連接管道尺寸對(duì)波浪補(bǔ)償位移性能的影響[8]；在升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)載減振特性研究方面，英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)的Jan T.Hatleskog開展海上鉆井平臺(tái)被動(dòng)升沉補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)特性研究，分析了補(bǔ)償裝置的減振效果[9]；此外，Jan T.Hatleskog還采用等價(jià)阻抗的簡(jiǎn)化方法研究了主動(dòng)升沉補(bǔ)償在海上鉆井應(yīng)用中的減振效果[10]。

在沉船打撈作業(yè)中，由于工作駁船與沉船之間由數(shù)十組提升鋼纜連接，且各組鋼纜固定位置處的駁船隨波浪起伏步調(diào)不一致，因此各組升沉補(bǔ)償裝置運(yùn)動(dòng)及負(fù)載狀況皆存在差異。本研究針對(duì)沉船打撈中的負(fù)載特征，開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及液壓原理設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)負(fù)載模型，仿真研究升沉補(bǔ)償裝置對(duì)沉船位移補(bǔ)償效果。

1　被動(dòng)型升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)分析

在海上工程施工當(dāng)中，是以船舶為工程基地，駁船不同于陸地，會(huì)由于海況的不同隨著風(fēng)浪進(jìn)行不規(guī)則的搖擺以及升沉的運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)嚴(yán)重加大海上工程的難度，導(dǎo)致海上工程事故的發(fā)生。所以，本研究提出被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在較高海況下工程仍能安全進(jìn)行的目的。

把被動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)安裝在工程駁船上，應(yīng)用蓄能器充放油液來實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償作用。工程船上升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的布置方式如圖1所示。

被動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是在提升系統(tǒng)的液壓千斤頂部分連接液壓缸，在這個(gè)補(bǔ)償缸處連接蓄能器，應(yīng)用蓄能器充放液的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償。當(dāng)一個(gè)波浪傳來，工程駁船傾斜，液壓千斤頂產(chǎn)生位移，壓縮或伸長(zhǎng)補(bǔ)償缸，此時(shí)補(bǔ)償缸連接的蓄能器放液或充液，使補(bǔ)償壓缸不被壓縮或伸長(zhǎng)，即減少以及避免液壓千斤頂?shù)奈灰?，從而克服波浪引起工程駁船的升沉位移，即實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償。升沉補(bǔ)償裝置如圖2所示。

圖1　沉船打撈系統(tǒng)總布置圖

圖2　沉船打撈升沉補(bǔ)償裝置

1.2　系統(tǒng)原理

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)液壓原理如圖3所示。在駁船上提升缸9進(jìn)行工作時(shí)，其油液由液壓泵3提供，通過比例方向閥7調(diào)節(jié)，液控單向閥能確保工作安全，提升缸的缸筒部分與補(bǔ)償缸10相連，補(bǔ)償缸的無桿腔與蓄能器13相連，以保證在提升缸缸筒發(fā)生位移時(shí)，由蓄能器放液，以減少其位移保證其穩(wěn)定不動(dòng)，蓄能器部分的油液由液壓泵17提供。蓄能器與補(bǔ)償缸之間連有換向閥和比例調(diào)速閥，這樣可以使蓄能器在給補(bǔ)償缸充油時(shí)，能夠更加平穩(wěn)，保證工作壓力。

1.油箱　2.吸油過濾器　3、17、18.液壓泵　4.電動(dòng)機(jī)　5、15.單向閥　6、16.溢流閥　7.比例方向閥　8.液控單向閥　9.提升缸　10.補(bǔ)償缸　11.比例節(jié)流閥　12.壓力繼電器　13.蓄能器　14.換向閥圖3　升沉補(bǔ)償系統(tǒng)液壓原理

2　負(fù)載數(shù)學(xué)模型及其簡(jiǎn)化

在零波面理論中，可將海水看作是理想流體，波浪除了在海面?zhèn)鞑ブ?，還沿水深方向傳播，隨著水深增加，波浪幅值迅速衰減[7]。因此，在沉船打撈過程中，駁船隨著波浪起伏帶動(dòng)沉船提升系統(tǒng)固定點(diǎn)的升沉運(yùn)動(dòng)，而沉船在海底時(shí)是靜止?fàn)顟B(tài)，在提升過程中，其運(yùn)動(dòng)幅度亦小于駁船。在沉船打撈時(shí)，十?dāng)?shù)組乃至數(shù)十組液壓缸對(duì)稱布置在兩艘駁船上，與船底的兜底鋼纜相連接，實(shí)現(xiàn)沉船提升，打撈過程涉及到船舶動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)以及流體傳動(dòng)與控制理論，完整系統(tǒng)的建模及分析工作十分復(fù)雜，因此在本研究負(fù)載分析中，對(duì)負(fù)載的建模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以降低模型的復(fù)雜度。

假定波浪方向與船長(zhǎng)方向一致，把沉船視為一個(gè)質(zhì)量均勻分布的長(zhǎng)方體，其質(zhì)量為m，型長(zhǎng)、型寬、型深分別為L(zhǎng)、B、D，在海水中的打撈重量為G，每只駁船上布置n組提升裝置，則兩支升沉補(bǔ)償液壓缸承受的負(fù)載力為：

(1)

其中，F(xiàn)i是第i組提升裝置受力，a是沉船加速度，C是阻力系數(shù)，v是沉船相對(duì)海水速度，S=LB是沉船投影面積。

沉船圍繞俯仰運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(2)

沉船姿態(tài)平衡方程可表述為：

(3)

其中，Li為第i組提升系統(tǒng)力臂，θ為沉船俯仰角度。

除了公式1～3為沉船動(dòng)力學(xué)方程之外，還需要建立駁船的動(dòng)力學(xué)方程、數(shù)十組液壓升沉補(bǔ)償系統(tǒng)液壓回路方程，才能實(shí)現(xiàn)完整的沉船提升過程的運(yùn)動(dòng)及受力分析，整個(gè)系統(tǒng)的建模及調(diào)試難度很大。本研究的側(cè)重點(diǎn)在被動(dòng)型升沉補(bǔ)償裝置的特性分析，因此對(duì)負(fù)載模型做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。

將升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)載拆分為三部分，第一部分為力負(fù)載，按照均布原則，?。?/p>

(4)

其中，n為每只駁船上提升鏈組數(shù)。

取提升力臂Li=L/4，第二部分慣性負(fù)載可表述為：

(5)

取提升力臂，第三部分阻尼負(fù)載可表述為:

(6)

3　仿真分析

3.1　AMESim模型搭建

借助AMESim仿真軟件，搭建被動(dòng)型液壓升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型，見圖4所示。

圖4　沉船打撈升沉補(bǔ)償系統(tǒng)AMESim模型

3.2　參數(shù)設(shè)置

由沉船打撈升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)可知，在實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償?shù)倪^程中，忽略船體摩擦等阻力因素，作用于補(bǔ)償缸上的負(fù)載力即可視為沉船重力，其力負(fù)載等于一組液壓缸的負(fù)載力450 t。根據(jù)負(fù)載力，工作壓強(qiáng)計(jì)算，選取活塞直徑D為360 mm，活塞桿直徑d為250 mm，液壓缸行程取2000 mm。

沉船打撈升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　沉船升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真主要參數(shù)設(shè)置

3.3　結(jié)果及分析

應(yīng)用AMESim進(jìn)行模型的仿真，對(duì)駁船的位移與沉船的位移對(duì)比，得到其位移特性曲線如圖5所示。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，盡管駁船升沉運(yùn)動(dòng)幅值較大，沉船受到的影響很小。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)駁船升沉幅值為±0.5 m時(shí)，蓄能器總?cè)莘e為1000 L時(shí)，沉船升沉幅值約為±0.08 m，蓄能器總?cè)莘e為2000 L時(shí)，沉船升沉幅值約為±0.03 m，即蓄能器總?cè)莘e越大，沉船位移越小。由此可見，在位移上被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)能夠大幅度降低沉船受波浪的影響，并且蓄能器總?cè)莘e越大，影響就越小。鋼索提升力特性曲線比較如圖6所示。比較可以得到在其他條件不變的情況下， 蓄能器總?cè)莘e越大，鋼索提升力也越小，而且提升力波動(dòng)頻率取決于波浪的頻率。

圖5　位移特性曲線

圖6　蓄能器2000 L與1000 L提升力特性曲線

4　結(jié)論

通過AMESim軟件模型仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)能夠大幅度降低沉船受波浪的影響，即沉船位移減少，鋼索提升力降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中，蓄能器總?cè)莘e的增大，也會(huì)大大減少沉船受波浪的影響。

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