波浪補償技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王哲駿，謝金輝，高 劍，鄧智勇

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

21世紀是人類全面認識、開發(fā)利用和保護海洋的新世紀，蘊藏在海底的資源已成為世界各國能源開發(fā)的重點對象，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要財富。尤其是近20 多年來，隨著人類深水海域活動的頻繁開展和海底資源新種類的不斷發(fā)現(xiàn)，人們深刻地認識到了海洋高新技術是確保國家海洋權益、資源安全乃至國家安全的重要保障［1］。

海上船舶在進行吊放回收作業(yè)時，海浪的起伏會使船舶呈現(xiàn)復雜的運動如橫搖、縱搖及垂直方向的升沉運動，進而會影響船舶上的吊放系統(tǒng)安全、可靠作業(yè)。如在高海況下，船與船之間的貨物吊運可能會造成碰撞，嚴重時可能會使鋼絲繩斷裂，對船舶吊放作業(yè)和貨物造成嚴重的損害。

20世紀70年代，我國“7103”潛水救生艇模型進行海上試驗時沒有采用升沉補償因吊索沖擊斷裂而丟失;2004年，“海龍1 號”ROV 海試時目標因補償不當造成臍帶斷裂丟失;2008年，“海龍2號”海試時因過度升沉臍帶松弛和張緊造成疲勞斷裂;日本“海溝”號萬米ROV 作業(yè)時也因臍帶斷裂丟失［2］。分析表明這些破壞都與波浪的升沉運動有關。

波浪補償技術對于海洋資源勘探開采設備、海上貨物吊運或補給有著重要的作用。目前波浪補償技術使用的領域主要集中在海洋平臺鉆采作業(yè)、海上貨物起吊、潛器回收吊放、大洋采礦、艦船間物資轉(zhuǎn)運 如航行時的燃油 彈藥 食品 補給 等方面。

1 波浪補償系統(tǒng)工作原理

波浪補償技術從工作原理可分為以下3 類:

1)被動式波浪補償系統(tǒng)

被動式波浪補償系統(tǒng)一般由張緊器組件(補償油缸及滑輪組)、蓄能器組件、吊放鋼纜及重力補償油箱等組成，如圖1所示，其中張緊器組件由滑輪組與補償油缸組成。蓄能器組件由蓄能器與氮氣瓶組成。鋼纜從蓄纜絞車伸出，繞過滑輪組，與負載連接。當工作母船受波浪影響上升時，負載由于慣性使鋼纜拉力增加，鋼纜上拉力增大，導致張緊器被迫壓縮，從而釋放鋼纜，補償負載位移，使負載盡量保持在平衡狀態(tài)。另一方面，補償油缸中的液壓油壓入蓄能器中，存儲能量。反之，工作母船隨波浪下沉時，系統(tǒng)產(chǎn)生進行相反補償，釋放能量。工作時，系統(tǒng)相當于一個液壓彈簧，對波浪產(chǎn)生的影響進行緩沖。被動式波浪補償系統(tǒng)工作時基本不消耗能量，一般用于重載且精度要求不高的場合。

圖1 被動波浪補償系統(tǒng)原理組成圖Fig.1 Passive waves compensation

2)主動式波浪補償系統(tǒng)

主動式波浪補償系統(tǒng)采用的補償方式一般為主動絞車補償，如圖2所示。主動補償系統(tǒng)動力元件為補償絞車，負載傳感器(通常是加速度傳感器)檢測被吊物品運動情況，將得到的信號輸入至控制系統(tǒng)，同時，絞車的轉(zhuǎn)速傳感器檢測絞車的轉(zhuǎn)動狀態(tài)將得到的信號也輸入至控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)對接收的傳感器信號進行適當?shù)奶幚砗陀嬎愫蟮玫揭簤航g車的控制量，發(fā)出信號控制伺服閥開口再通過油缸調(diào)節(jié)斜盤角度來控制絞車的輸出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對被吊物體升沉運動的補償。

圖2 二次調(diào)節(jié)波浪補償系統(tǒng)原理組成圖Fig.2 Active waves compensation

3)復合波浪補償系統(tǒng)

復合波浪補償系統(tǒng)主要由泵站、控制閥組、蓄能器、復合油缸、絞車、纜繩、負載以及傳感器組成，其系統(tǒng)原理組成圖如圖3所示。傳感器檢測到負載位移，輸入到比較器中與期望信號進行比較，比較器輸出兩者偏差到控制器，控制器做出相應計算，然后輸出電流或電壓控制信號，控制信號經(jīng)功率放大器放大后控制電液比例閥(即三位四通閥)閥芯運動，增大或減少進入油缸主動腔的壓力油流量;另一方面，沒有波浪信號時，負載的重力主要由復合油缸被動腔承擔。當負載和補償系統(tǒng)一起隨波浪上下起伏時，負載產(chǎn)生向上或向下的加速度，因此活塞桿上的受力改變，被動腔充入或流出液壓油。通過活塞桿上下移動，系統(tǒng)實現(xiàn)對負載的補償。

2 波浪補償系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人類對海洋資源的不斷勘探和開采，世界范圍內(nèi)對海洋開發(fā)裝備的研究已經(jīng)進入了一個嶄新的歷史階段，波浪補償作為海洋裝備物品吊放、海上石油鉆采和海上設備布放回收等作業(yè)中的重要技術，得到了廣泛的研究和應用。

2.1 國內(nèi)波浪補償技術研究與應用

1)潛器收放中的波浪補償技術

楊文林等［3］對水下機器人升沉補償系統(tǒng)進行了研究，采用液壓絞車主動補償形式實現(xiàn)水下機器人的補償。在模擬實驗中，負載為1 000 kg 可以在母船升沉幅值 時 補償后將幅值控制在 左右 其控制方法主要是對死區(qū)進行補償去掉控制對象的非線性因素，然后將系統(tǒng)當作線性系統(tǒng)來分析，并且在系統(tǒng)中設有前饋控制器。

圖4 水下機器人升沉補償Fig.4 The AHC of ROV

吳開塔［4］對ROV 被動式升沉補償系統(tǒng)進行了研究，根據(jù)“海洋六號”4 500 m ROV 吊放方案，確定了以串聯(lián)補償器的形式進行被動補償。升沉補償?shù)淖畲笥行лd荷約12 000 kg，最大升沉補償幅度大于4 m，最大張力波動小于30%。并且建立了完整的串聯(lián)被動補償器的帶纜式ROV 系統(tǒng)的動力學模型，推導和計算了系統(tǒng)在不同深度下的系統(tǒng)特性，同時根據(jù)計算分析的結(jié)果對于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的共振問題，提出了使用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼用來避免共振的方案。

圖5 ROV 被動補償?shù)醴叛b置Fig.5 Passive waves compensator for ROV

武漢第二船舶設計研究所設計的某300 m 潛水系統(tǒng)，其潛水鐘的吊放系統(tǒng)也使用了被動式波浪補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)中負載達到了16 000 kg，基本能夠適應4 級海況，補償范圍可以達到±2.5 m。

圖6 潛水系統(tǒng)補償裝置Fig.6 The passive waves compensation of diving system

我國 蛟龍 號載人潛水器的母船 向陽紅09”的主甲板上安裝的A 型吊架同樣使用了波浪補償技術，起吊絞車采用恒張力補償系統(tǒng)，吊架頂部的鏈接臂也設有縱橫方向的被動補償使得“蛟龍”號載人潛水器在向海底吊放及回收時都能夠平穩(wěn)進行。“蛟龍”號波浪補償系統(tǒng)負載能力能夠達到22 000 kg，適應4 級海況。

圖7 “蛟龍”號Fig.7 The Jiaolong

2)海上船舶間貨物轉(zhuǎn)運補給中的波浪補償技術

陸衛(wèi)杰等［5］對艦船并靠導彈補給及波浪補償系統(tǒng)進行了研究，建成了具有波浪補償功能的艦艇并靠導彈補給系統(tǒng)。補給系統(tǒng)最大重量為2 000 kg，采用錨泊并靠的補給方式，補給速度為2 枚/h，能夠適應4 級海況。同時建立了艦艇并靠導彈補給及波浪補償受控系統(tǒng)動力學模型，利用多體動力學離散時間傳遞矩陣法，對艦艇并靠導彈補給及波浪補償系統(tǒng)進行了動力學求解，并且搭建了模擬實驗平臺工程上的實現(xiàn)。

圖8 艦船導彈并靠系統(tǒng)Fig.8 Missile sealifts with wave compensation

徐小軍等［6］基于差動行星齒輪傳動機構，提出了一種新型主動式波浪補償系統(tǒng)。介紹了波浪補償?shù)南到y(tǒng)組成，在分析差動行星輪系調(diào)速特性的基礎上 闡述了波浪補償系統(tǒng)的工作原理和補償機制。該項目的定載荷為2 500 kg，垂直補償能夠達到±6 m，響應時間小于0.5 s，最大補償速度為1.2 m/s。根據(jù)波浪補償?shù)? 個主要目的，按照從補給船吊裝載荷到被補給船的整個工作過程，建立了波浪補償系統(tǒng)的數(shù)學模型，為實現(xiàn)系統(tǒng)的計算機控制提供依據(jù)。

圖9 新型主動式波浪補償系統(tǒng)結(jié)構Fig.9 The new type AHC system

劉賀等［7］采用絞車主動補償形式進行波浪補償起艇系統(tǒng)研究。補償絞車主要由絞車本體、液壓系統(tǒng)、張力檢測裝置和電控系統(tǒng)組成。其中電控系統(tǒng)采用PLC 控制器，由CPU、輸入和輸出模塊等組成。液壓系統(tǒng)由主提升系統(tǒng)和副隨動系統(tǒng)2套子系統(tǒng)及其他輔助部件構成。補償?shù)暮r最高可以適應4 級海況，額定負載為30 kN，起艇速度為25 m/min，最大補償速度為100 m/min，恒張力值可調(diào)節(jié)范圍為0 ～150 kg。

圖10 起艇絞車原理圖Fig.10 Wave compensation boat-lifting winch

3)大洋采礦作業(yè)中的波浪補償技術

鄭相周、羅友高等［8］按照大洋采礦補償系統(tǒng)的要求提出了一種新型的基于并聯(lián)機構的補償平臺。根據(jù)并聯(lián)機構高強度 響應快和高精度等特點 將其運用在廣義升沉補償系統(tǒng)上能夠滿足要求。在實例計算中考慮4 級海況能夠滿足補償要求。

圖11 3-UPU 串并聯(lián)混合補償機構Fig.11 3-UPU series parallel compensation mechanism

黃鍇、劉少軍等［9］在分析已有海洋鉆井平臺及鉆探船升沉補償系統(tǒng)特性的基礎上，依據(jù)大洋多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)及1 km 深水范圍海試狀況，聯(lián)合虛擬樣機技術和控制系統(tǒng)仿真技術對深海采礦升沉補償系統(tǒng)進行了設計研究。建立了基于液壓動力源的升沉補償系統(tǒng)采礦船多剛體機械動力學模型，提出了雙油缸主動控制升沉補償方案，設計了模糊自整定PID 控制器，創(chuàng)建了該系統(tǒng)的虛擬樣機。根據(jù)該項目技術要求可知，其最大承載能力為3 000 kN，補償系數(shù)為70% ～80%，升沉補償行程為2.0 ～3.0 m，適應4 級海況。

圖12 深海采礦補償系統(tǒng)Fig.12 Deep sea mining compensation system

肖體兵［10］對深海采礦裝置智能升沉補償系統(tǒng)進行了研究，提出了適用于輕載，中載和重載3 種深海采礦裝置的升沉補償系統(tǒng)，主要研究對象是水力流體提升式采礦系統(tǒng)中的揚礦管。3 種補償系統(tǒng)的突出特點是采用電液比例技術 并且設計了模糊PID 控制器和前饋控制器，對電液系統(tǒng)的閥芯死區(qū)同時進行了補償。

圖13 重型揚礦管主動升沉補償系統(tǒng)Fig.13 AHC system of heavy lifting mine pipeline

2.2 國外波浪補償系統(tǒng)技術及應用

由于海洋裝備波浪補償技術難度較大，我國由于自身工業(yè)基礎條件比較薄弱，加之起步較晚，國內(nèi)鮮有成熟的設備面世。在歐美等發(fā)達國家，海洋平臺配套的波浪補償設備中已發(fā)展的相當成熟，不少公司都有比較成熟的產(chǎn)品推向市場，在這方面的研究也比較深入。

荷蘭Huisman 公司在海上起重機設計制造方面有著悠久的歷史，其海上桅桿式起重機配備了主動式風浪補償系統(tǒng)，設計結(jié)構緊密，采用高精尖技術，主要用于海洋工程船舶與半潛式平臺。許多海上桅桿式起重機的工作水深可達5 000 m，采用深海起升系統(tǒng)，每個系統(tǒng)起升能力達300 t。深海起升系統(tǒng)是由1 部牽引絞車和1 部儲繩絞車構成。

圖14 Huisman 補償系統(tǒng)Fig.14 Huisman′s AHC

挪威海事液壓(MH)公司自1968年以來專門設計和生產(chǎn)船用起重設備 是世界上最先進的裝有升沉補償系統(tǒng)的船用起重機的生產(chǎn)廠［11］。挪威海事液壓工程公司生產(chǎn)的鉆柱升沉補償系統(tǒng)(見圖15)，當船體上升時，靠井內(nèi)鉆柱質(zhì)量壓縮主液壓缸，驅(qū)動與主液壓缸相連的高壓液氣罐內(nèi)氣體壓縮，天車滑輪組向下運動;當船下沉時，與主液壓缸相連的高壓液氣罐內(nèi)氣體膨脹，驅(qū)動主液壓缸滑輪組向上運動。該升沉補償器最大補償行程為7.62 m;適應平臺升沉±2.0 m，周期為12 s;最大補償能力為2 670 kN。

圖15 MH 鉆柱升沉補償系統(tǒng)Fig.15 Drill string heave compensation

博士力士樂公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)式主動波浪補償系統(tǒng)(RAHCS)(見圖16)是一種基于二次控制技術的波浪升沉補償系統(tǒng)，廣泛應用于潛器布放回收和海上起重等領域。旋轉(zhuǎn)式主動波浪補償系統(tǒng)通過實時調(diào)節(jié)二次元件的斜盤角度，來獲得預定的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對船體升沉運動的補償。由于采用了先進的二次調(diào)節(jié)技術，RAHCS 具有補償率高，響應速度快和裝機功率低等優(yōu)點。除此以外，該系統(tǒng)根據(jù)實際的作業(yè)需要設置有恒定張緊模式，空鉤模式，減震器模式等多種作業(yè)模式，供操作時選擇。

圖16 博士力士樂二次調(diào)節(jié)補償系統(tǒng)Fig.16 Rexroth′ RAHCS

除了常用的海洋平臺和吊運上使用的補償以外，力士樂公司還能針對于兩船之間干貨及液貨的補給進行補償 見圖 在兩船補給過程中由于波浪的作用船與船之間往往存在著相對運動，當跨索連接兩船的時候如果不進行波浪補償很有可能會由于兩船之間的相對運動使得跨索被扯斷造成嚴重的后果，使用補償以后就能使補給工作正常平穩(wěn)的進行。

圖17 海上干貨及液貨補給Fig.17 Replenishment at sea ＆ fuelling at sea

由于發(fā)達國家對波浪補償?shù)难芯科鸩捷^早發(fā)展至今研究也較為成熟，所以在機構設計及控制策略方面有不少研究成果。

JorgNeupert，TobiasMahl 等［12］主要從控制角度對升沉補償進行了分析，提出2 種常用的補償控制策略:一種是力的補償，使繩子的拉力恰好等同于負載的重力以及波浪升沉運動加速度所產(chǎn)生的附加力;另一種是速度補償，減少負載與波浪之間的相對運動，以減輕纜繩的拉力。除此以外，還對波浪的起伏使用了預測算法，能夠加快系統(tǒng)的響應性并且提高補償效率。

Shinichi Takagawa［13］在補償機構方面提出了新的看法，主要切入的角度是補償用的纜繩以及滑輪組系統(tǒng)，文中提到在海水深度較淺的時候補償效果能夠得到很好的體現(xiàn)，而隨著海水深度的增加補償效果會隨之降低，主要原因是由于纜繩的彈性所致。文章中提出了一種新的補償機構設計，能夠大大提高滑輪組的效率以及纜繩的使用壽命。

Andreas Huster和Hans Bergstron 等［14］則從機械的角度，詳細考慮了系統(tǒng)摩擦力、阻尼、滑輪慣性、氣瓶容積等因素對補償效率的影響，并且提出滑輪應使用高效率的軸承，并且滑輪轉(zhuǎn)動慣量應盡量小以減小力的損失。

Thor I.Fossen 與TorArne Johansen［15］建立了起重裝置數(shù)學模型并研究了模型的系統(tǒng)辨識，通過水池實驗確定了系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)。設計出實驗系統(tǒng)的控制與測量系統(tǒng)，通過引入波浪同步控制方法，在主動式波浪補償系統(tǒng)中加入前饋補償器，實現(xiàn)了波浪同步起重機控制，并在水池中進行了縮比系統(tǒng)實驗，實驗表明帶波浪同步的波浪運動補償系統(tǒng)在性能上大大提高。

圖18 新型滑輪組系統(tǒng)Fig.18 New type pulley blocks

3 發(fā)展趨勢

升沉補償對于海上作業(yè)的來說在安全，快速性，高效以及經(jīng)濟性等方面具有極大的優(yōu)勢，不論是商業(yè)上還是軍事上都有著很大的實用價值。所以補償系統(tǒng)的快速發(fā)展是各種海上作業(yè)的必然需求。升沉補償系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面:

1)快速響應

隨著升沉補償技術的發(fā)展和市場的需求，補償系統(tǒng)的快速性變得十分重要，尤其是在艦船之間吊運補給品或者武器的時候，提高快速響應性能夠增加海上軍艦的戰(zhàn)力，對與一般的吊裝則可以大大提高整體作業(yè)的效率以及經(jīng)濟性。在提高快速響應性的同時仍然要保持系統(tǒng)具有合格的準確性是以后研究中的關鍵問題。

2)適應更大的載荷

隨著人類對海洋探索的深度記錄不斷被刷新，在諸如采礦領域隨著開采深度的提高以及海洋科考方面的要求，揚礦管和潛器等附加設備的重量也會越來越大，這對于升沉補償來說就提出了更高的載荷要求，應能夠適應更大的載荷。

3)高補償精度

由于海洋復雜的環(huán)境和嚴苛的作業(yè)要求，補償?shù)哪康囊呀?jīng)逐漸從早期的安全性向高精度發(fā)展，在滿足吊放作業(yè)安全平穩(wěn)的要求以外，對于吊放的精度要求也越來越高。這就對于補償系統(tǒng)的機構設計以及控制系統(tǒng)中的波浪預測算法和實時的反饋提出了更高的要求。

4 結(jié) 語

升沉補償系統(tǒng)具有軍民通用的特性，在各種海上或者海下作業(yè)中的應用已經(jīng)日趨廣泛，國外的這類技術在向越來越成熟發(fā)展，而國內(nèi)還處于剛剛起步的階段，大多數(shù)時候還是需要進口產(chǎn)品。近年來國內(nèi)各個廠家和機構開始重視升沉補償系統(tǒng)的發(fā)展和研究，升沉補償系統(tǒng)在軍事以及海洋開發(fā)等各個領域都會有更好的發(fā)展應用前景。

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