深海绞车回收ROV速度的仿真分析

罗 升，许 可，宋 强，赵飞虎

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

0 引言

遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)在人类探索、研究、开发深海资源的过程中承担着重要的作用[1]，目前，采用从母船上通过甲板绞车直接布放水下机器人(ROV)进入深海，或者从甲板上布放中继器(TMS)进入深海，然后再从中继器上布放ROV的传统模式,已经越来越不能满足深远海作业的要求。因为其布放和回收过程均在海面上，极易受到海面风浪的影响，在风浪作用下母船会上下起伏，使缆受到很大的附加力，可能超过缆的破断拉力导致缆断裂，或者由于缆反复张紧、松弛而疲劳断裂[2]，从而造成布放作业任务的中止或者脐带缆断裂而引发ROV丢失。因此通过深海载人潜水器进行ROV的布放回收显得尤为重要。深海载人潜水器携带包括ROV及其收放绞车的作业模块进入深海，就近从载人潜水器上布放ROV的作业模式不但能够显著提高工作效率，且能不受海面风浪的影响，大大提高了安全性能，是未来的重要发展方向。

本文以工作于1 500 m深度的深海ROV绞车为研究对象，在考虑深海ROV绞车实际工作的高压、低温环境及其收缆过程中ROV所受的水流阻力的基础上，建立AMESim仿真模型，并对其典型工况下的工作特性进行仿真分析，研究卷筒转动惯量、ROV质量、脐带缆刚度等因素对绞车收缆过程中ROV回收速度的影响规律。

1 深海ROV绞车的工作原理

深海ROV绞车与陆上使用的绞车最大不同在于其工作于1 500 m的深海环境下，在此深度上，海水压力为15 MPa，海水温度为2 ℃～3 ℃。为了克服和适应海水压力，深海液压系统通常配备有压力补偿器，使油箱的压力与海水压力相等，解决了液压元件耐压的问题。另外高压、低温环境会使得液压油的黏度迅速增大[3]，这一因素在油液参数设置时应予以考虑。

图1为深海ROV绞车的液压原理，压力补偿器2使油箱1内的油压与海水压力相等，液压油从油箱1经过滤器3进入液压泵4，液压泵4排出的液压油经单向阀5进入调速阀7，液压油经调速阀7后通过电磁换向阀8进入液压马达12，驱动液压马达12转动，从而带动卷筒13旋转；电磁换向阀8控制液压马达12的转向，从而决定绞车收缆和放缆。安全阀6是系统的安全阀，溢流阀10起张力保护作用，平衡阀9能够防止绞车放缆时马达失速，梭阀11和电磁换向阀15配合实现马达制动器14的脱开与闭合。

1-油箱；2-压力补偿器；3-过滤器；4-液压泵；5，16-单向阀；6-安全阀；7-调速阀；8，15-电磁换向阀；9-平衡阀；10-溢流阀；11-梭阀；12-液压马达；13-卷筒；14-马达制动器；17-冷却器

深海ROV绞车的最严酷工况是在ROV失去动力的情况下，依靠绞车收缆将ROV拖回到深海载人潜水器上。因此，本文将重点对这一典型工况展开分析。

2 建立数学模型

卷筒动力学方程如下：

(1)

其中：J为卷筒以及缆的转动惯量，kg·m2；ω为卷筒转速，rad/s；TM为液压马达驱动力矩，N·m；TL为负载力矩，N·m；f为摩擦阻力系数。

负载力距TL为：

(2)

其中：FL为缆上张力，N；D为卷筒直径，m。

ROV在运动时受到海水对其的阻力Fw为[4]：

(3)

其中：K为流力系数，通常取与拖曳力系数CD相同的值；ρ为海水密度，kg/m3；vc为ROV的迎流速度，m/s；A为ROV的迎流面积，m2。

绞车收缆过程中，最恶劣的工况设定为ROV自身失去动力，只能靠绞车收缆将其拖回，并且海流方向与ROV拖回方向相反，此时ROV的动力学方程为：

(4)

其中：m为ROV的质量，kg；v为ROV的速度，m/s。

在此工况下，ROV的速度完全依耐于绞车的收缆运动，因此，ROV的速度与绞车回收ROV的速度相等。

绞车收缆时，ROV的迎流速度vc为：

vc=v0+v.

(5)

其中：v0为海流速度，m/s。

调速阀阀口流量QL为：

(6)

其中：Cd为流量系数；W为阀口面积梯度，m；xv为阀口开度，m；Δp为阀口前后压差，Pa。

忽略阀芯动态特性，定差溢流阀的平衡方程为：

p2+k0+k·xv1=p4+p5.

(7)

其中：p2、p4、p5分别为调速阀阀口2、4、5的压力，Pa；k0为弹簧等效预压缩压力，Pa；k为弹簧等效刚度，N/m；xv1为定差溢流阀口开度，m。

当p5=0，调速阀阀口4、2分别与可调节溢流阀进出口连接时，式(7)可整理为：

k0+k·xv1=p4-p2=Δp.

(8)

3 AMESim仿真模型的建立

根据深海ROV绞车的结构特点及其液压原理，借助面向系统原理图建模的AMESim软件，在其草图模式下调用系统提供的液压库、机械库和控制库建立如图2所示的深海ROV绞车的AMESim仿真模型[5-8]，仿真系统中的主要参数见表1。

图2 深海ROV绞车AMESim仿真模型

4 仿真结果及分析

设置仿真时间为10 s，仿真步长为0.02 s，调速阀阀口等效开度为100%，海流速度为1 m/s，ROV质量为500 kg，脐带缆长度为100 m、刚度为1×108N/m。分别对ROV运动速度、液压马达入口压力、液压马达入口流量等进行仿真分析。

表1 仿真系统中的主要参数

4.1 ROV速度特性

仿真得到的ROV速度曲线如图3所示。在仿真开始阶段，ROV速度从零变为负值，之后迅速正向增大，经过1 s左右的振荡之后，最终稳定在1.08 m/s左右。

图3 ROV速度曲线

4.2 液压马达入口压力特性

仿真得到的液压马达入口压力曲线如图4所示。从图4可知，马达入口压力从零开始增大，在液压马达建立足够压力之前，其输出扭矩不够，ROV在海流的作用下向下运动，因此在开始阶段，其速度为负值，随着马达入口腔压力的增大，其输出扭矩逐渐增大，克服海流的作用，ROV的速度开始正向增大，最终达到稳定值。此时，马达入口的压力也达到稳定值30.5 MPa左右。

4.3 液压马达入口流量特性

图5为液压马达入口流量曲线，与图3中ROV的速度曲线趋势一致，流量最终稳定在21 L/min。

4.4 调速阀阶跃指令下ROV速度特性

在5 s时刻，使调速阀阀口等效开度从100%突变为75%，仿真分析深海ROV绞车在阶跃指令输入作用下的调速特性，仿真得到的ROV速度曲线如图6所示。从图6可知，从5 s时刻开始，ROV速度在经过1.5 s左右的振荡后最终稳定在0.835 m/s左右，最大超调量为10%左右。结果表明：深海ROV绞车的调速性能良好，在改变了调速阀开口的情况下，ROV的速度能够快速调整到新的稳定状态。

4.5 调速阀阶跃指令下马达入口压力特性

图7为调速阀阶跃指令下马达入口压力曲线。从图7可知，从5 s时刻开始，在经历过1.5 s左右的振荡调整后，马达入口压力有所减小，最终稳定在27.1 MPa左右，最大超调量为17%。

4.6 阶跃负载作用下ROV速度特性

在8 s时刻，使海流速度从1 m/s突变为1.25 m/s，仿真分析深海ROV绞车在阶跃负载作用下的速度稳定性，仿真得到的ROV速度曲线如图8所示。从图8可知，从8 s时刻开始，ROV速度在经过1 s左右的振荡后最终稳定在0.83 m/s左右，最大超调量为8%左右，阶跃负载前后速度误差为0.6%。结果表明：深海ROV绞车的速度稳定性良好，在改变海流速度的情况下，ROV能够在短暂调整后保持速度的稳定性，抗干扰能力强。

图4 液压马达入口压力曲线 图5 液压马达入口流量曲线 图6 调速阀阶跃指令下ROV速度曲线

4.7 阶跃负载作用下马达入口压力特性

图9为负载阶跃下马达入口压力曲线。从图9可知，从8 s时刻开始，在经历过1 s左右的振荡调整后，马达入口压力有所增大，最终稳定在30.1 MPa左右，最大超调量为4%。

4.8 卷筒转动惯量对ROV速度特性的影响

在前述仿真参数设置的基础上，采用AMESim的批处理命令，改变卷筒的转动惯量，对ROV的速度进行仿真分析，结果如图10所示。

由图10可见，改变卷筒的转动惯量，不管是在刚启动阶段，还是在经历5 s时刻的调速和8 s时刻的负载阶跃变化之后，ROV速度的稳定值基本保持不变，但是随着卷筒转动惯量的增大，其动态响应变慢，调整时间增长，与此同时，其超调量减小，这是由于转动惯量能够作为一种能量波动的存储介质，从而平抑速度波动。因此，对于响应要求高的系统，卷筒转动惯量宜较小，对于速度稳定性要求高的系统，宜适当增大卷筒的转动惯量。

图7 调速阀阶跃指令下马达入口压力曲线 图8 负载阶跃变化下ROV速度曲线 图9 负载阶跃变化下马达入口压力曲线

4.9 缆刚度对ROV速度特性的影响

采用AMESim的批处理命令改变缆的刚度，对ROV的速度进行仿真分析，结果如图11所示。

由图11可见，改变缆的刚度，不管是在刚启动的阶段，还是在经历5 s时刻的调速和8 s时刻的负载阶跃变化之后，ROV速度的稳定值基本保持不变，但是随着刚度的增加，响应较快，超调量有所增加，并且其调整时间减小，稳定性更好。因此，缆刚度的增加有利于减小振动，提高系统的稳定性。

4.10 ROV质量对ROV速度特性的影响

采用AMESim的批处理命令，改变ROV的质量，对ROV的速度进行仿真分析，结果如图12所示。

图10 不同卷筒转动惯量下ROV速度曲线 图11 不同缆刚度下ROV速度曲线 图12 不同ROV质量下ROV速度曲线

由图12可见，改变ROV的质量，不管是在刚启动的阶段，还是在经历5 s时刻的调速和8 s时刻的负载阶跃变化之后，ROV速度的稳定值基本保持不变，但是随着ROV质量的增大，其动态响应变慢，调整时间变长，与此同时，在刚启动阶段以及8 s时刻的负载阶跃变化后，超调量随着ROV质量的增大而减小，在5 s时刻的调速后，超调量随着ROV质量的增大而有所增大。因此，ROV应紧凑设计，适当减小其质量。

5 结语

本文通过建立搭载于深海载人潜水器上的深海绞车的AMESim模型，对典型工况下ROV回收速度的影响规律进行仿真研究。结果表明：卷筒转动惯量增大，其动态响应变慢，调整时间增长，但是，较大的转动惯量能够平抑速度波动，因此其超调量减小；缆的刚度增加，其动态响应较快，超调量有所增加，并且其调整时间减小，稳定性更好；ROV的质量增加，其动态响应变慢，调整时间变长，同时对超调量的影响不大。因此，为了得到良好的ROV回收速度特性，应对卷筒进行轻量化设计，从减小其转动惯量、提高缆的刚度、对ROV紧凑设计、减小质量等因素入手进行优化。

参考文献：

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