深海作业起重绞车主动波浪补偿系统载荷响应研究

王 奎 刘火伟 冯正平 萧永明 陈伯扬

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240；2.上海博世力士乐液压及自动化有限公司 上海200335）

引 言

众所周知，船舶在深海作业时，由于受到风浪等复杂海况的影响，船体本身会出现上下起伏的升沉运动，而船舶配套的深海作业起重绞车所吊放的货物也会随之产生相应的运动，极易发生碰撞或崩脱，严重时甚至毁坏货物和造成人员伤亡，导致巨大损失。主动波浪补偿系统通过恒张力控制回路［1］和位移控制回路使货物在吊放作业过程中能够保持相对稳定，从而使海上吊放作业安全可靠。目前国外对主动波浪补偿装置的研究和应用已比较成熟，而国内还处于起步阶段［2］。

1 主动波浪补偿系统概述

深海作业起重绞车在提升或下放货物至水下深处的操作中，承载货物的绞车绳索通过波浪补偿装置与牵引绞车相连［3］，可有效消除货物随着船体运动而产生的位移变化，从而使吊装货物在复杂海况下能够保持相对稳定。

波浪补偿系统可以简单分为被动波浪补偿系统和主动波浪补偿系统。被动波浪补偿系统可以认为是一种弹簧装置，通过其伸缩性能使钢丝绳张力或货物接触面的压力几乎保持恒定，通常由直线式执行器或油缸、蓄能器和执行机构组成，是一种随动［4］和滞后的补偿方式，对复杂多变的海况适应性差。主动波浪补偿系统由控制绞车或油缸来实现［5］，其响应速度快、补偿精度高（最高可达95%或以上）、具有能量回收功能（最高可达70%），对复杂多变的海况适应性强。

本文以主动波浪补偿系统为研究对象，主要研究和验证在目标海况（波高为3.6 m、波浪周期为9 s）下，主动波浪补偿系统的补偿精度不低于90%。

1.1 主动波浪补偿系统原理

主动波浪补偿系统原理框图，如图1所示，通过钢丝绳与绞车机构连接到一起，主要包括二次驱动单元、动力单元、能量储存单元、控制系统、船体运动传感器（MRU）［6］等。工作时MRU会实时监测船舶运动的六自由度信号［7］，并上传到控制系统从而产生一个执行信号，执行机构将根据这些执行信号进行升沉补偿动作。能量储存系统具有能量回收功能：当货物上升时释放能量，当货物下降时储存能量，大大降低整个系统的装机功率。

1.2 主动波浪补偿系统总体框图

主动波浪补偿系统的总体结构框架如下页图2所示，由一个恒张力控制回路和一个位移控制回路组成。

恒张力控制回路接收恒张力设定信号，而实际的负载信号由销轴传感器测量。位移控制回路从MRU接收船体升沉位移信号，而实际产生的位移由旋转编码器测量。

在位移控制模式下，操作者可以输入一个速度信号来控制负载上升或下降。恒张力控制回路和位移控制回路的转换是由转换开关来实现的。对于两个控制回路，船体升沉速度信号作为一个前馈信号来降低力信号偏差和位移信号偏差。

2 主动波浪补偿系统动力学建模

因深海作业起重绞车所吊放的货物在水面下的运动状况很难准确测量，故将货物、钢丝绳和补偿器对主动波浪补偿系统的影响建立数学模型，并对货物的静态和动态的参数进行计算分析就尤为重要，这也为后续的仿真及实际应用奠定了坚实的基础。

2.1 货物和钢丝绳及补偿器的分析

定义货物和钢丝绳及补偿器二阶系统模型［8］，如图3所示，包含两个质量：货物和钢丝绳本身的质量以及补偿器的质量。

图3中：Zsin（ωt）表示船体位移（单位：m），z1表示补偿器运动位移（单位：m），z2表示货物和钢丝绳运动位移（单位：m）。kc表示补偿器刚度系数，cc表示补偿器阻尼，Mc表示补偿器质量（单位：kg），kw表示钢丝绳刚度系数，M表示货物和钢丝绳质量（单位：kg），cd表示货物和钢丝绳运动阻尼（单位：N·s/m）。

根据牛顿第二定律，货物及钢丝绳在垂直方向上的运动方程为方向上的力，N；其表达式如下：

式中：Z表示船体垂直方向的最大运动位移，m；ω表示运动频率，rad/s；

系统以矩阵方式表示为：

式中：Fc（t）表示补偿器顶端随时间变化的垂直

2.2 最大静态与动态负载的计算

钢丝绳在负载起升和下降过程中承受着动态作用力，由于钢丝绳在作业过程中受力情况复杂多变，因此实际计算中主要计算钢丝绳的最大拉力［9］。

钢丝绳最大静态拉力用式（4）表示：

式中：Mload表示起重机额定负载（含钢丝绳质量，kg）； Mhook表示吊钩质量，kg； ηa表示总定滑轮效率。

滑轮加速时因惯量所需也会产生额外的拉力，因此单一滑轮加速时因惯量所需的最大额外拉力：

其中，

式中，Jp表示每个滑轮转动惯量，kg·m2；r表示滑轮半径，m；dsheave表示滑轮直径，m。

如果起升机构共有n个滑轮组，则n个滑轮组加速时因惯量所需的总的最大额外拉力：

式中：ηp表示每个滑轮效率。

另外，负载加速时所需的最大额外拉力可以表示为：

因此，负载加速时所需的最大拉力为，

3 主动波浪补偿系统仿真

为验证主动波浪补偿系统在目标海况下的补偿特性，在Simster仿真软件中建立仿真模型，并对仿真结果进行相应的分析和总结。Simster仿真软件，是Bosch Rexroth公司研发的用于多学科领域复杂系统建模仿真平台，可以对应用程序进行建模分析以及优化驱动及控制系统。

根据图1建立主动波浪补偿系统仿真模型，可以将整个系统分为6个模块（如图4所示），分别为动力源模块、二次驱动单元模块、调节模块、蓄能器模块、控制器模块及负载模块。

深海作业起重绞车在海上作业时，设定海上的波浪信号为正弦波信号［10］，根据系统配置，定义横坐标为时间（单位：ms），定义纵坐标为波幅（单位：mm），计算并设置合理的仿真参数，利用Simster仿真软件进行仿真可以得到对应的仿真结果。

当波高为3 600 mm、波浪周期为9 000 ms时，仿真图形如图5所示。根据仿真图形曲线可知，主动波浪补偿系统的补偿精度约为95%。

当波高为2 000 mm、波浪周期为9 000 ms时，仿真图形如图6所示。根据仿真图形曲线可知，主动波浪补偿系统的补偿精度约为90%。

由图5和图6可知，在目标海况（波高为3.6 m、波浪周期为9 s）下，主动波浪补偿系统的补偿精度不低于90%，说明该系统达到了主动波浪补偿系统的响应要求。

4 结 论

本文以安装在深海作业起重绞车的主动波浪补偿系统为研究对象，介绍了主动波浪补偿系统的原理和总体框图，建立货物和钢丝绳及补偿器的动力学模型，并对最大静态和动态负载进行计算分析。为验证在目标海况下主动波浪补偿系统的补偿特性，利用Simster仿真软件建立仿真模型，选取不同的波浪信号进行仿真，从仿真结果中可见该系统在目标海况下，主动波浪补偿系统的补偿精度不低于90%，达到了主动波浪补偿系统的补偿精度要求，为今后制造带有主动波浪补偿装置的深海作业起重绞车奠定了相关的理论基础。

［1］ 叶勇，魏辽国，江一帆.船用波浪补偿技术的研究［J］.船舶标准化工程师，2015（3）：6-10.

［2］ 黄瑞佳.具有波浪补偿功能的电液提升控制系统研究［D］.上海：上海交通大学，2014.

［3］ 博世力士乐中国.力士乐用于主动波浪补偿的改进控制器可提升系统性能和价值［J］.船舶工程， 2015（12）：110.

［4］ 赵瑞.主动式波浪补偿吊机控制系统研究［D］.江苏：江苏科技大学， 2013.

［5］ NAM B W， HONG S Y，KIM Y S，et al. Effects of passive and active heave compensators on deepwater lifting operation［J］. International Journal of Offshore & Polar Engineering， 2013（1）：33-37.

［6］ 蔡东伟，刘荣华，张作礼，等.一种主动升沉波浪补偿控制系统研究［J］.船舶工程，2012（s2）：103-104.

［7］ 卢东庆，宋飞.主动式波浪补偿控制技术仿真研究［J］.船舶，2012（6）：74-77.

［8］ Sten Magne Eng Jakobsen， Passive Heave Compensation of Heavy Modules［D］. Norway， University of Stavanger，2008.

［9］ 中国标准出版社. GB3811-83，起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，1983：39.

［10］ 鄢华林，姜飞龙，赵瑞，等.一种新型波浪补偿系统研究［J］.中国造船，2011（2）：154-160.