插銷式升降機(jī)構(gòu)與船體連接結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)分析

羅曉寧

摘要： 針對(duì)配備插銷式液壓升降系統(tǒng)的自升式平臺(tái)在舉升時(shí)的起動(dòng)加速度問題，本文基于AMESim軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)舉升時(shí)設(shè)備和船體的動(dòng)力響應(yīng)問題建立仿真模型，并依此展開多項(xiàng)計(jì)算及相應(yīng)的對(duì)比分析，可用于優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自升平臺(tái)；升降裝置；系統(tǒng)仿真；AMESim

中圖分類號(hào)：TE923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Time Domain Response Simulation Of Pin Type Hydraulic Jacking Actuator

And Hull Connecting Structure

LUO Xiaoning

（Bestway Marine & Energy Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201612）

Abstract：Focusing on the jacking acceleration of hull structure for liftboat with pin type jacking system， this paper establishes and analyzes the connection model of jacking actuator and hull structure with the software AMESim for the optimization of hull structure design and guidance of equipment design.

Key words：Liftboat； Jacking system； System simulation； AMESim

1引言

自升式平臺(tái)是一種典型的特種水上設(shè)施，帶有自升降功能是其顯著特征，近年來，自升式平臺(tái)在國內(nèi)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

升降裝置是自升式平臺(tái)的核心設(shè)備，從形式上主要分為液壓插銷式和齒輪齒條式兩類。升降裝置與平臺(tái)總體、結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣各專業(yè)設(shè)計(jì)之間的接口盤根錯(cuò)節(jié)，因而平臺(tái)的設(shè)計(jì)者除了對(duì)平臺(tái)體的掌握以外，也需要對(duì)該類重點(diǎn)設(shè)備的特性進(jìn)行了解，這也是海洋工程與傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)過程中的最大不同之處。

當(dāng)平臺(tái)采用單步進(jìn)式插銷式液壓升降裝置時(shí)，由于其機(jī)構(gòu)原理決定了只能采用間歇式動(dòng)作，每一個(gè)舉升動(dòng)作周期內(nèi)，設(shè)備都會(huì)對(duì)船體固樁連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)額外的正向啟動(dòng)加速度，故船體固樁結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的強(qiáng)度計(jì)算必須考慮升降裝置舉升動(dòng)作時(shí)額外的啟動(dòng)加速度。

隨著用戶對(duì)平臺(tái)的升降速度要求越來越高，為了提高升降速度，這個(gè)啟動(dòng)加速度也越來越大，要求船體結(jié)構(gòu)額外加強(qiáng)，這與船體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)期望之間產(chǎn)生了矛盾。某船級(jí)社在審查此類平臺(tái)時(shí)，曾提出了額外采用1.33的動(dòng)載安全系數(shù)要求，這項(xiàng)要求引起的額外結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，意味著失去了數(shù)十噸的可變載荷能力。

雖然通過實(shí)船試驗(yàn)也可以測得這類數(shù)據(jù)，但一方面很難在建造完成后再去改動(dòng)船體或設(shè)備，另一方面海工建造大多屬于定制型產(chǎn)品難有先例參考。故為了在設(shè)計(jì)階段得到針對(duì)這個(gè)問題的最優(yōu)配置解，就必須進(jìn)行量化計(jì)算和對(duì)比分析，目前關(guān)于這個(gè)領(lǐng)域的具體研究和文獻(xiàn)還非常之少。

本文利用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)LMS Imagine.Lab AMESim軟件，根據(jù)具體的自升式平臺(tái)參數(shù)，對(duì)這一問題進(jìn)行建模計(jì)算和對(duì)比分析，以求得最佳匹配參數(shù)，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)設(shè)備選型。具體目標(biāo)是：（1）確定最大結(jié)構(gòu)承載工況； （2）將對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)加速度控制在0.1g以內(nèi)。

2分析對(duì)象

本文分析的對(duì)象為某自升式平臺(tái)，平臺(tái)長42m、寬為50m、最小舉升重量4400 t；設(shè)有4套圓柱型樁腿，每套樁腿配備1套單步進(jìn)插銷式液壓升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)主要由緩沖裝置、定環(huán)梁、升降油缸和動(dòng)環(huán)梁等部件組成，其中升降油缸共有4套，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，通過環(huán)梁與樁腿間的導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)機(jī)械同步。單套升降機(jī)構(gòu)的最大升降能力為1800 t，最大油缸頂升速度為0.66m/min。

固樁室是船體結(jié)構(gòu)的一部分，船體和載荷的重量均通過固樁室（頂棚）傳遞到緩沖裝置上，再依次經(jīng)過定環(huán)梁、升降油缸、動(dòng)環(huán)梁傳遞到樁腿上，因而整個(gè)受力結(jié)構(gòu)類似多個(gè)彈簧質(zhì)量環(huán)節(jié)串聯(lián)的懸掛機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)（見圖1）既要在額定工況下工作，也要在預(yù)壓工況下工作，兩種工況下負(fù)載有很大不同。執(zhí)行舉升動(dòng)作時(shí)，整個(gè)機(jī)械受力由升降油缸驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過最初的加速段進(jìn)入勻速運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)動(dòng)力模型中，主要參數(shù)為：

船體質(zhì)量分量：1100～1800×10^3Kg

船體與樁腿間動(dòng)摩擦力：150 KN

固樁室頂棚質(zhì)量：36×10^3 Kg

固樁室垂向剛度：2.3×10^9 N/m

結(jié)構(gòu)阻尼比：0.07

緩沖裝置垂向剛度：1.46×10^10 N/m

定環(huán)梁與活塞桿質(zhì)量：22×10^3 Kg

油缸總庫侖摩擦力：20 KN

升降油缸參數(shù)：4×φ500/φ360-1600 mm

升降油缸啟動(dòng)壓力：0.25 MPa

主泵源壓力：25 MPa

3模型建立

根據(jù)實(shí)際船體與設(shè)備機(jī)構(gòu)連接原理，在AMESim中建立升降機(jī)構(gòu)動(dòng)力模型如圖2所示。整個(gè)模型分為機(jī)械彈簧質(zhì)量模塊和液壓驅(qū)動(dòng)控制模塊兩大部分，并有機(jī)地結(jié)合在一起，從而利用了該軟件平臺(tái)的多學(xué)科聯(lián)合計(jì)算功能，可從最初電氣控制信號(hào)開始，一次性完整的模擬液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和受力結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)快速求解和優(yōu)化。

3.1機(jī)械彈簧質(zhì)量模塊

（1）Mass_friction2port [MAS004]用于模擬船體質(zhì)量分量及其與樁腿間的摩擦阻力。其中，質(zhì)量分量分為多種工況進(jìn)行模擬，摩擦力的大小則根據(jù)平臺(tái)總體環(huán)境載荷計(jì)算得出?？紤]自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)作業(yè)工況下風(fēng)浪流對(duì)平臺(tái)的綜合作用及由此而在樁腿和上下導(dǎo)向環(huán)間產(chǎn)生的水平力，并按0.15倍的摩擦系數(shù)考慮；endprint

（2）Springdamper01_1 [SD0000A]用于模擬固樁室（頂棚與船體主甲板間）的垂向結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)變形阻尼。其中，頂棚的拱變是影響該環(huán)節(jié)垂向結(jié)構(gòu)剛度的主要因素，可根據(jù)局部結(jié)構(gòu)有限元模型計(jì)算得到；

（3）Mass_friction2port_2 [MAS004] 用于模擬固樁室頂棚及其它附屬舾裝設(shè)備質(zhì)量；

（4）Springdamper01 [SD0000A] 用于模擬緩沖裝置的彈簧剛度及變形阻尼，根據(jù)設(shè)備資料輸入；

（5）Mass_friction_endstops [MAS005]用于模擬定環(huán)梁和升降油缸缸體的總質(zhì)量以及油缸阻力，并通過止檔模擬油缸極限行程。

3.2 液壓驅(qū)動(dòng)控制模塊

在搭建液壓驅(qū)動(dòng)控制模塊的過程中，針對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行舉升動(dòng)作時(shí)的回路特點(diǎn)，忽略實(shí)際產(chǎn)品中其它控制元件或動(dòng)作要求，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)構(gòu)成中對(duì)固有頻率和阻尼比影響較大的環(huán)節(jié)和摩擦力等其它非線性因素，建立升降油缸、管路、換向閥三者的仿真模型。

4 仿真及分析

由于舉升動(dòng)作前，系統(tǒng)需要進(jìn)行重力作用下彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的初始復(fù)位和液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)建壓，因而控制信號(hào)設(shè)定為：0秒時(shí)沒有動(dòng)作信號(hào)；5s時(shí)給定補(bǔ)油保壓信號(hào)；10s時(shí)給定舉升控制信號(hào)。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)低階固有頻率的估算，系統(tǒng)通訊間隔設(shè)為0.005s、仿真時(shí)間20s。

為了快速選定優(yōu)化方向，減少計(jì)算分析的工作量，整個(gè)仿真分析過程按以下步驟進(jìn)行：

（1）通過選取不同舉升載荷條件下系統(tǒng)的響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)平臺(tái)體固樁連接結(jié)構(gòu)的最大承載工況；

（2）通過升降油缸不同活塞行程下啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)對(duì)固樁連接結(jié)構(gòu)要求最高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工況；

（3）通過主控閥不同開啟信號(hào)下系統(tǒng)的響應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)現(xiàn)有系統(tǒng)的己有狀態(tài)、性能和指標(biāo)。

（4）尋找和設(shè)定一種輸入信號(hào)形式，挖掘和了解系統(tǒng)潛力，優(yōu)化系統(tǒng)綜合參數(shù)指標(biāo)。

4.1 舉升載荷不同對(duì)啟動(dòng)加速度的影響

設(shè)定主閥開啟斜坡信號(hào)上升時(shí)間為1s、升降油缸活塞位于0mm處，針對(duì)1100 t（平臺(tái)可變載荷為0時(shí)）、1400 t（平臺(tái)可變載荷滿載）、1600 t（平臺(tái)部分預(yù)壓）和1800 t（平臺(tái)完全預(yù)壓）四種不同的載荷狀況進(jìn)行計(jì)算，船體的啟動(dòng)加速度結(jié)果見圖3。

載荷從小增大時(shí)，船體最大啟動(dòng)加速度分別為0.31 g、0.25 g、0.18 g、0.09 g，將各種載荷下結(jié)構(gòu)所受的重力加速度和啟動(dòng)加速度累加，再乘以各自載荷，由對(duì)比可知：當(dāng)載荷為1800 t時(shí)，船體結(jié)構(gòu)連接處總承載最大為1962 t，因而后續(xù)分析均在1800 t載荷條件下進(jìn)行。

4.2 升降油缸活塞位置不同對(duì)啟動(dòng)加速度的影響

升降機(jī)構(gòu)在舉升動(dòng)作時(shí)，活塞可能在任一位置，由于位置不同油缸容積不同，故系統(tǒng)固有性能也不同。針對(duì)活塞在0m時(shí)、0.8m時(shí)和1.6m時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)結(jié)果對(duì)比，其性能曲線見圖4。

圖4 船體結(jié)構(gòu)在不同活塞位置下的響應(yīng)加速度

由圖4可知，當(dāng)活塞在0 m時(shí)，由于液壓系統(tǒng)固有頻率最高、響應(yīng)最快，對(duì)結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)加速度也最大，因而后續(xù)分析在該位置條件下進(jìn)行。

4.3 控制閥輸入信號(hào)斜坡時(shí)長對(duì)啟動(dòng)加速度的影響

在模型參數(shù)中設(shè)定負(fù)載質(zhì)量為1800 t、活塞起始行程為0 m，對(duì)主閥芯輸入不同的斜坡控制信號(hào)，斜坡上升時(shí)間分別設(shè)定為0.2s、1.0s、2.0s和3.0s，對(duì)比系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)閥芯控制信號(hào)斜坡時(shí)間在1s左右時(shí)，船體連接結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)加速度就可以控制在0.1g以下，達(dá)到設(shè)計(jì)控制目標(biāo)。

4.4 優(yōu)化比例閥芯開啟信號(hào)對(duì)加速度的影響

以圖5結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化閥芯控制信號(hào)，經(jīng)過多次仿真對(duì)比，將單斜坡信號(hào)改為多段式斜坡信號(hào)可以改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度指標(biāo)（圖6）：

原信號(hào)值：0→1.0@1s；

新信號(hào)值：0→0.4@0.1s；0.4→0.7@0.4s；0.7→1.0@0.2s；

由此可見，通過輸入信號(hào)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)加速度依然可以控制在0.1g以內(nèi)，但響應(yīng)時(shí)間可以明顯加快，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)在1s內(nèi)推動(dòng)負(fù)載進(jìn)入勻速舉升狀態(tài)，從而有助于提高平臺(tái)的平均舉升速度。

5結(jié)語及建議

根據(jù)前述（1）（2）（3）分析可以看出，針對(duì)該平臺(tái)和設(shè)備的固有參數(shù)，在最苛刻的工況條件下，只需選用具有可調(diào)斜坡響應(yīng)特性的電液比例換向閥，適當(dāng)降低響應(yīng)速度，動(dòng)載系數(shù)就可以控制在1.1g（意味著升降時(shí)船體結(jié)構(gòu)承受1.1倍的重力加速度）左右，相對(duì)原來的1.33g，有效降低了固樁室連接及局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)（4）分析可以看出，如果設(shè)備的主控制閥經(jīng)過輸入信號(hào)優(yōu)化，還可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)快速響應(yīng)指標(biāo)，在加速度力值和響應(yīng)速度指標(biāo)兩個(gè)方面取得折衷，從而具有良好的綜合性能指標(biāo)。

除以上分析外，以該模型為基礎(chǔ)還可以進(jìn)一步開展本平臺(tái)或其它同類平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性分析、系統(tǒng)油液壓力分析、緩沖機(jī)構(gòu)的選型分析、主換向閥機(jī)能選型分析等多項(xiàng)研究工作，以有效的提高設(shè)備與平臺(tái)總體的匹配度，指導(dǎo)升降裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]涂江濤，黃明輝，劉忠偉. 運(yùn)用AMESim/Simulink的液壓機(jī)同步平衡控制系統(tǒng)的仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程，2009（2）.

[2]賈善斌，劉志奇，等. 基于AMESim的液壓支架試驗(yàn)臺(tái)升降系統(tǒng)的建模仿真[J].液壓氣動(dòng)與密封，2012（5）.

[3]王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.endprint