基于AMEsim的深海网箱液压推进系统的仿真与分析

曹伟男，李德堂，唐文涛，吕　沁，黄　曼

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022；2.浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山　316022）

·研究简报·

基于AMEsim的深海网箱液压推进系统的仿真与分析

曹伟男1，李德堂1，唐文涛1，吕沁1，黄曼2

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山316022）

深海网箱养殖是一种极具前景的网箱养殖方式，本文以国家星火计划项目为载体设计出了一种新型的可航行及升降网箱，并对其液压系统进行了研究。利用AMEsim软件对液压系统进行建模与仿真分析，通过对液压元件设置不同的参数值，分析系统的动态特性和稳定性，验证系统设计的正确性，对深海网箱养殖的发展具有积极的促进作用。

网箱；液压推进系统；AMESim；建模仿真

随着我国捕捞业的不断发展，近海渔业资源变的越来越少，一些渔民开始进行近海网箱养殖，这种网箱一般选择在港湾、内海等风浪较小的地方，随着养殖数量的不断增加，一些鱼类的残饵、粪便等不能被海洋微生物降解或者被海水充分稀释，就会累积在港湾内，造成水域的富营养化而导致鱼类的死亡。因此，我国和世界上的许多养殖大国都把目光转移到深海养殖，以缓解近海养殖压力，改善近海水域环境。与传统的近海网箱养殖相比，深海网箱养殖具有很大的优越性：拓展海域，减轻近海养殖压力；网箱结构优化，抗风浪能力强；水质环境好，提高鱼类品质［1］。尽管如此，深海网箱养殖也面临很多问题，比如网箱的抗风浪能力、深海水域环境对鱼类生长的影响等等，都是发展深海网箱养殖需要解决的重要问题。

为此，本文基于浙江海洋学院承担的国家星火计划项目“节能环保型的网箱可航行控制技术研究”，开发出一种节能环保型的可航行网箱，重点对网箱的液压推进系统利用AMEsim软件进行建模与仿真分析，研究结果对促进养殖业的可持续发展具有重要意义。

AMESim是IMAGINE公司于1995年推出的用于液压、气动、机械、电、磁和热等系统的建模、仿真及动力学分析的优秀软件［2］。它是一个图形化的开发环境，为用户提供了图形作为建模的接口，能更直观的反应出系统运行的效果，其在参数调整方面也比较方便，便于用户对系统的动态特性进行分析。

1　系统工作原理

1.1网箱整体组成

网箱整体框架主要由上下浮体、四根桩柱以及网衣构成［3］。网衣连接在四根桩柱及上下浮体上形成一个密封的养殖空间，网箱的上下浮体主要用来为网箱提供浮力，实现网箱的上升与下降，网箱的上浮体按船型设计，可以减少航行阻力，在网箱的上浮体内安装有液压系统，液压系统通过液压马达控制螺旋桨进行推进与转向，为网箱提供动力，保证网箱正常航行。在上浮体与桩柱的连接处安装有定位锁紧系统，可以使得上浮体与四根桩柱在同一位置实现固定，保证网箱整体的稳定性。图1、图2分别为网箱的整体结构图和三维立体图。

图1　网箱整体结构图

图2　网箱三维立体图

1.2网箱推进系统组成

网箱推进液压系统主要由双向定量液压泵、双向变量液压泵、补油泵、单向阀、溢流阀、低压选择三位三通阀、双向变量液压马达、螺旋浆、油箱等组成。其工作原理图，如图3所示：

1.3液压系统工作原理

图3　网箱液压推进系统原理图

如图3所示，电动机1、3带动双向变量泵2和双向定量泵4工作为系统提供动力，双向变量液压马达17 和18直接与泵的两端相连接，调节变量马达17、18的排量可以对螺旋浆19和20进行无极调速；5、6、9、10 和11组成一个补油回路，为系统低温液压油，经过单向阀7和8进入系统；溢流阀12和13连接系统两端，组成过载保护回路，防止系统超载，影响系统的稳定性；系统工作时，在液压泵的压力作用下，从液压马达流出的一部分压力较低的液压油，经过低压选择阀16、溢流阀14和滤油器15流回油箱，对系统进行散热。

2　系统的建模与仿真

运用AMEsim软件进行液压系统的建模与仿真一般要经历四种模式：Sketch mode（草图模式）、Submodel mode（子模型模式）、Parameter mode（参数模式）和Simulation mode（仿真模式）。在AMEsim环境中，首先进入草图模式，利用草图模式中的机械库、液压库、信号控制库、HCD库等建立液压系统的仿真模型［4］，如下图4所示：

图4　网箱液压推进系统仿真图

在搭建完系统草图后，就可以进入到子模型模式为系统中的每个元件分配相应的子模型。如果搭建的系统有错误，不能按照AMESim的要求完成一个正常的循环就不能正常进入到子模型模式。［5］正常仿真情况下，如果一个元件有几个子模型或者没有子模型与之相匹配，一般使用Premier submodel（首选子模型）来为系统自动选择最简单的子模型。在本套系统中，将螺旋桨模型用转动惯量模型代替，在转动惯量模型上加一个加速度传感器，用来检测其转动情况，并将其检测信号通过增益放大器与输入信号相比较，用以控制液压马达的转速。

在AMEsim为系统自动选择完子模型后，就可以进入到Parameter mode（参数模式），为系统元件设置合理的参数。元件参数的选择十分重要，参数选择合适与否直接影响到仿真结果的准确性以及系统的稳定性。进入到参数模式，对元件参数进行设置，如下表1所示：

参数设置完成后进入到Simulation mode（仿真模式），设定仿真时间为3 s，通信时间间隔为0.001 s，启动Start a simulation开始仿真。在仿真过程中，忽略管道对液压油的压力、流量等的影响。

表1　液压推进系统仿真参数设置

图5　马达转速曲线

3　仿真结果分析

3.1系统稳定性分析

设置各元件的初始值后，观察液压系统的动态响应，由仿真结果可以看出，2个马达的转速均为239.06 r/min，马达的转速在刚开始的短暂时间内出现波动，随后逐渐趋于稳定。两个马达的转速曲线如下图5所示：

两个马达的扭矩均为239.06 Nm，在刚开始的短暂时间内，扭矩出现了波动，但很快就达到动态平衡，可见输出的扭矩稳定性较高。

图6　马达扭矩曲线

由以上对马达转速与输出扭矩的分析可知，利用AMESim软件搭建网箱液压推进系统仿真模型，设置元器件的初始参数，在模拟输入信号下，由系统各个元件共同作用，可使得系统的压力和流量达到动态平衡状态，验证了仿真系统搭建的正确性。在设定的条件下，通过调节马达的排量，使两个马达具有相同的转速，从而保证网箱能够稳定的直线航行。

3.2马达速度变化分析

当网箱航行需要转向时，可以通过调节2个马达的排量，从而控制两个螺旋桨的转速来实现。如图5所示，当两个马达的排量都为75 mL/r时，两个螺旋桨可以保持相同的转速；当网箱需要改变航向时，保持马达1的排量不变，调节马达2的排量为30 mL/r，此时马达1的转速为238.8 r/min，马达2的转速变为95.5 r/min，两个马达转速不一样，从而可以使网箱改变航向。图7和图8分别为两个马达的转速和扭矩曲线图。

3.3系统的补油回路分析

系统工作时，在液压泵的压力作用下，从液压马达流出的压力较低的液压油经过低压选择三位三通阀、溢流阀流回油箱。与此同时，从补油泵排出的液压油经过单向阀进入系统，为系统补充洁净的低温液压油，从而保证系统稳定工作。由图9、图10可以看出，在不考虑溢流损失的情况下，补油泵的补充油量与流经低压选择阀的流量相当，可以验证系统是稳定工作的。

3.4系统过载保护分析

为了防止由于故障或者其它原因引起系统压力过高，造成系统元件的损坏，在系统两端连接了2个溢流阀，用于平衡系统压力，保护系统的稳定性。在系统正常工作时，溢流阀输出的流量为33.78 L/min，阀口压力205.096 bar［U1］，由于溢流阀阀口开启压力设为200 bar，在阀口压力达到205.096 bar时，溢流阀开启进行安全卸载，避免了由于压力过大对系统造成破坏。图11、12分别为溢流阀的流量和压力曲线图。

图7　转向时马达转速曲线

图8　转向时马达扭矩曲线

图9　通过单向阀流量曲线图

图10　通过三位三通低压选择阀流量曲线图

图11　溢流阀流量曲线图

图12　溢流阀压力曲线图

4　结束语

利用AMESim软件对网箱液压推进系统进行仿真分析，得出如下结论：

（1）使用AMESim软件可以有效的模拟仿真网箱液压推进系统，验证了各个回路与整个系统设计的正确性。

（2）在参数设置合理的情况下，马达输出的转速和扭矩均处于动平衡状态，系统稳定性较高。

（3）本文运用AMEsim软件对网箱液压推进系统进行仿真分析，为其他研究工作者对网箱的进一步研究提供了一定的参考与借鉴。

［1］魏友海，张明.利用深海网箱养殖技术，促进渔业可持续发展［J］.科学养鱼，2013（1）：13-15._

［2］惠纪庄，纪真，邹亚科.基于AMESim的钻井泵液压系统动态特性仿真［J］.石油机械，2009，37（8）：21-23.

［3］赵宏强，谢武装，蒋海华.采用AMESim的潜孔钻机回转液压系统的动态仿真与试验研究［J］.现代制造工程，2009（2）：69-73.

［4］程龙.自升式海上钻井平台液压升降系统解析［J］.石油和化工设备，2012，15（8）：32-34.

［5］刘海丽.基于AMESim的液压系统建模与仿真技术研究［D］.西安：西北工业大学，2006.

Modeling and Simulation of Hydraulic Propulsion System of Deep Sea Cage based on AMESim

CAO Wei-nan，LI De-tang，TANG Wen-tao，et al
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Deep sea aquaculture is a very promising way of aquaculture.The article devise a new type of net cage which can navigate and lift based on the project of national spark plan.In addition，it also study it’s hydraulic system.Modeling and Simulation of hydraulic system by using AMESim software，by setting different parameter values of hydraulic components，analysis of dynamic characteristics and stability of the hydraulic system，moreover，the result can verify the validity of this simulation model.It can also play a driving role on the development of the deep see aquaculture.

net cage；Hydraulic Propulsion System；AMESim；modeling and simulation

TH137.3

A

1008-830X（2015）03-0282-05

2015-01-10

曹伟男（1990-），男，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向：液压与海洋工程.E-mail：215311294@qq.com

李德堂（1965-），男，教授级高工，研究方向：液压与海洋工程.E-mail：lidetang2008@163.com