一种深海起重机被动式升沉补偿系统的仿真方法

摘要

本发明属于深海起重机运动控制技术领域，具体涉及一种深海起重机被动式升沉补偿系统的仿真方法。本发明包括：将包括吊物质量、钢缆长度、钢缆质量、活塞及动滑轮组质量、储能瓶体积、活塞面积、吊物初始运动状态、主液压缸活塞及中间分离器活塞的初始运动状态的系统模型参数输入到起重机被动式升沉补偿系统仿真模型；将吊物质量、钢缆质量、活塞及动滑轮组质量及主液压缸活塞面积输入到平衡点储能瓶工作压强模块等。本发明中的仿真方法对设计深海起重机具有较重要的工程价值和指导意义，对研究深水吊装和水下维修等作业作业任务也具有较重要的工程指导意义。

主权项

一种深海起重机被动式升沉补偿系统的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将包括吊物质量、钢缆长度、钢缆质量、活塞及动滑轮组质量、储能瓶体积、活塞面积、吊物初始运动状态、主液压缸活塞及中间分离器活塞的初始运动状态的系统模型参数输入到起重机被动式升沉补偿系统仿真模型；(2)将吊物质量、钢缆质量、活塞及动滑轮组质量及主液压缸活塞面积输入到平衡点储能瓶工作压强模块，按下式(1)得到升沉补偿系统平衡点处储能瓶的工作压强：$p_L=\frac{[2\times (M_s+M_w)-m_p]g}{A_p}---\left(1\right)$式中：M_s——海水中吊物质量，kg；M_w——海水中钢缆质量，kg/m³；A_p——主液压缸活塞面积，m²；g——重力加速度，m/s²；m_p——主液压缸活塞及动滑轮组的质量，kg；(3)将中间分离器活塞的位移x输入到储能瓶工作压力模块，按下式(2)计算t时刻被动式升沉补偿系统储能瓶的工作压强：$p_f=p_L\times {\left(\frac{V_0}{V_0-{\mathrm{xA}}_s}\right)}^{\gamma }---\left(2\right)$式中：A_s——中间分离器活塞的面积，m²；x——中间分离器活塞的位移，m；V₀——平衡工作点处储能瓶、气管及中间分离器气体的体积之和，m²；(3)在升沉补偿过程中，t时刻主液压缸油液的压强，可按照下式(3)得到：p_t＝p_f   (3)式中：p_t——t时刻主液压缸油液压强，m²；(5)在升沉补偿过程中，将主液压缸油液压强输入到主液压缸输出力模块，按照下式(4)，得到t时刻主液压缸输出力：F_p＝p_tA_p    (4)(6)在升沉补偿过程中，将t时刻主液压缸活塞的速度输入到计算液压缸阻尼力模块，按下式(5)，得到主液压缸油液阻尼力：$F_d=k_1{\stackrel{·}{y}}_1---\left(5\right)$式中：k₁——主液压缸油液等效粘性阻尼系数；——主液压缸活塞的速度，m/s；(7)在升沉补偿过程中，将t时刻钢缆张力、主液压缸输出力、主液压缸油液阻尼力输入到活塞受到合外力模块，按下式(6)得到t时刻主液压缸活塞受到的合力：ΔF_p＝2F_t‑F_p‑F_d‑m_pg    (6)式中：F_t——t时刻钢缆张力，N；(8)在升沉补偿过程中，将t时刻活塞受到合力输入到活塞运动状态模块，按照下式(7)‑(9)分别得到活塞的加速度、速度和位移：${\stackrel{··}{y}}_1=\frac{{\mathrm{\Delta F}}_p}{m_p}---\left(7\right)$${\stackrel{·}{y}}_1=\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\stackrel{··}{y}}_{1}dt---\left(8\right)$$y_1=\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\stackrel{·}{y}}_{1}dt---\left(9\right)$式中：——活塞加速度，m/s²；y₁——活塞位移，m；(9)将钢缆的刚度、吊物质量和钢缆质量输入到计算钢缆静态伸长量模块，可按照下式(10)得到平衡状态下钢缆的静态伸长量：$L_0=\frac{(M_s+M_w)g}{C_w}---\left(10\right)$式中：C_w——钢缆的刚度，N·m；(10)在升沉补偿过程中，将t时刻起重机钢缆的静态伸长量、主起升尖端升沉位移、主液压缸活塞位移、吊物位移输入到钢缆伸长量模块，按照下式(11)得到t时刻起重机钢缆伸长量：ΔL＝L₀+z‑2y₁‑y₂     (11)式中：y₂——吊物的位移，m；z——起重机主起升尖端升沉位移，m；(11)在升沉补偿过程中，将钢缆刚度、钢缆伸长量输入到钢缆张力模块，按下式(12)得到起重机钢缆张力：F_t＝C_wΔL     (12)(12)在升沉补偿过程中，将一阶粘性阻尼系数和吊物在t时刻的运动速度输入计算吊物阻尼力模块，按下式(13)得到在海水中的吊物阻尼力：$F_M=k_2{\stackrel{·}{y}}_2---\left(13\right)$式中：k₂——吊物在海水中的一阶粘性阻尼系数；——吊物在海水中的运动速度，m/s；(13)在升沉补偿过程中，将钢缆张力、t时刻吊物阻尼力、吊物质量、钢缆质量输入吊物合外力模块，按照下式(14)得到t时刻吊物所受的合外力：ΔF＝F_t‑F_M‑(M_s+M_w)g    (14)(14)在升沉补偿过程中，将吊物合外力、吊物质量、钢缆质量和吊物附加质量输入，按照下式(15)‑(17)得到吊物的运动状态；${\stackrel{··}{y}}_2=\frac{\Delta F}{M_s+M_w+M_a}---\left(15\right)$${\stackrel{·}{y}}_2=\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\stackrel{··}{y}}_{2}dt---\left(16\right)$$y_2=\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\stackrel{·}{y}}_{2}dt---\left(17\right)$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质量，kg。