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摘 要：为了能对波浪补偿装置进行模拟试验，作者基于位移型升沉补偿策略构建了一套模拟勘察船的波浪补偿系统，通过在模拟环境下对该装置的静态和动态性能进行全面的试验，准确获得在模拟试验环境下的性能数据，并通过二次处理获得研究对象的速度和加速度等动力学参数。
关键词：波浪补偿；摇摆台；张力平衡；重物提升
前言
无论是用于深海油气勘探，还是用于海上资源调查研究工作，当海况不佳，船舶摇摆严重时，深海勘察设备容易在其结构内部形成过大的动应力[1]，并对货物形成一定的损害。
为了保证恶劣海况下海上作业设备的作业平稳性，波浪补偿的概念应运而生，并致力于改进钢绳的张力平稳。安装有波浪补偿装置的船舶或是海上平台，可以对由海浪产生的相对运动进行一定的补偿，从而减少作业机械承受的动载荷损害[2]，保障整个作业系统的安全，使其在较高等级海况下亦可进行作业，因此对于摇摆台波浪补偿装置的设计和研究意义深远。
海上作业机械通常将这类装置安装在固定平台结构或船舶类甲板结构上，用于勘探、开采或是捕捞作业。勘察船在通过钢丝绳将基盘下放到海床上后，就需要波浪补偿装置来确保勘察船和基盘之间连接的钢丝绳有一定范围的张力。张力过大或过小都影响基盘的正常绞收、中断勘探任务。因此，波浪补偿系统应调节钢丝绳的张力并保证在一定范围内，确保基盘平稳的置于海底定位取样器。
本次实验的目的：将被动补偿装置放置在实验室波浪模拟摇摆台上，用于研究蓄能器被动补偿装置相应模拟波浪周期变化的能力，达到钢丝绳恒张力控制的目的。
1 波浪补偿原理
图1 波浪补偿装置结构示意图
1. 8mm钢丝绳 2. 滑轮 3. 陶瓷油缸 4. 蓄能器 5. 摇摆台
6. 油缸安装座 7. 绞纲机
该装置由陶瓷油缸、液压绞车、滑轮组、滑轮架和蓄能器组成，安装在摇摆台之上，并与主升沉钢丝绳进行连接，如图1所示。其工作原理是：把补偿装置陶瓷油缸活塞杆的伸缩转换为主升沉钢丝绳的伸缩，通过蓄能器内气囊的变化向陶瓷油缸内释放高压油，活塞杆获得补偿力，钢丝绳也获得一定的张力补偿，从而实现补偿的目的[3]。该波浪补偿装置补偿负载与蓄能器的气压有关，补偿幅度与活塞杆的行程相关，即与模拟波浪的波高相关，补偿响应速度与液压泵站内的油液流速相关。
被动补偿也被称为恒张力补偿，依靠摇摆台的升降作为补偿动力。动作包括有：1、蓄能器蓄能动作；2、蓄能器能量释放动作。先将补偿油缸油腔与蓄能器连通，控制摇摆台由低位向上运动时，通过钢丝绳绷紧收缩带动油缸缩回完成蓄能器蓄能动作；反之摇摆台由高位向低位运动时完成能量释放动作。蓄能器通过蓄能与释放能量的过程来减缓钢丝绳受力的变化，油液在流至蓄能器内时，冲击能量转化为压力能和内能[4]，从而对液压系统起到缓冲的作用，保证钢丝绳张力始终处于恒定值范围内（不超过4KN），从而实现对提取设备的升降补偿。
2 补偿装置设计
本系统设计试验对象为1t的模拟采样器，该对象用来对钢绳施加拉力使陶瓷油缸有一个伸缩量，配合有摇摆台的升降来测试补偿性能的优劣。
按照试验要求，需将张力控制在500N≤F≤3000N 拉力范围之间，波动幅度50%以下，最高不超过65%的设定目标，这种被动补偿方法简单，几乎不消耗动力能，因此应用比较广泛。但是其缺点就是结构较大，补偿精度略低，所用补偿系统要求不高，满足要求。
摇摆台主要是对波浪补偿装置的垂荡运动进行模拟仿真，进而对船舶受试装备性能进行验证，其特点是本身的负载比较大，受试装备对摇摆试验台有很大的动态扭转力矩，并且对垂荡运动有很大的位移量，因此摇摆台需要有较大的刚度和强度[5]。
液压系统需要一个主动液压缸和液压绞车的控制，原理图如图2所示。主动缸液压系统采用恒压变量泵给陶瓷油缸供油，通过电磁比例换向阀控制绞车的转向和转速，电磁换向阀控制陶瓷油缸的升降，此外，系统还设有保护回路，以防止当系统液突然压力消失时酿成事故。
图2 波浪补偿液压原理图
2.1 控制系统设计
西门子S7-200上模拟量输入有一个陶瓷油缸上的位移传感器，三个压力传感器，一个拉力传感器；输出有一个数字量输出的电磁换向阀和一个模拟量输出的电磁比例换向阀，分别控制陶瓷油缸的起降和绞车正反转及其转速。用电脑作为上位机，将电脑与PLC通过PC/PPI电缆连接后，利用MCGS组态软件控制西门子PLC，最终控制整个液压系统的运行。
该液压补偿装置系统有以下两方面作用：第一，碰撞冲击力吸收功效。在摇摆台上升到最高点的一瞬，此刻陶瓷油缸与高压蓄能器的油路发挥作用，同步向陶瓷油缸内释放高压油，重物立即被动向上进行有限提升，吸收一部分碰撞冲击力。第二，大大减弱了重物提升或下降瞬间的速度浮动，即绝对加速度大小。陶瓷油缸与高压蓄能器之间形成一个具有范围油压的较稳定回路，在速度变化大时，对油路的压力能进行补偿，减弱钢绳的绝对加速度，与车辆上的减震装置原理类似，从而保证重物在着落时的安全[6]。
3 实验结果分析
以陶瓷油缸为对象，分析其波浪补偿过程中的受力及运动情况。
则活塞杆所受的压力
F压 =2F=PS （1）
式中：F为钢绳的张力值，P为活塞杆所受的压力值，即传感器2的输出值，S为陶瓷油缸的横截面积。
重物对陶瓷油缸的做功
W= F压？驻L=■2Fvdt （2）
式中：？驻L为活塞杆t1至t2时间内的位移。
陶瓷油缸的瞬时功率
P=■= F压v （3）
式中：dW为t1至t2时间内对陶瓷油缸做功的变化，v为陶瓷油缸活塞杆的瞬时速度。 陶瓷油缸活塞杆的瞬时加速度
a=■ （4）
式中：dv为t1至t2时间内活塞杆的速度变化。
根据程序MCGS 7.2输出的数据，在模拟波浪的中位值为150mm，波高为200mm时，陶瓷油缸活塞杆的瞬时加速度分别在20cm/s2及25cm/s2以下，并没有呈现明显的周期特性，同时钢绳张力值分别在24.08%和29.21%以下波动，补偿性能优秀。在模拟波浪的中位值为250mm，波高为400mm时，周期为12s和8s时，瞬时加速度为250cm/s2及350cm/s2以下，同时钢绳张力值分别在42.44%和64.93%以下波动，无论活塞杆的速度还是加速度都具有明显的周期特性，陶瓷油缸对钢绳的张力平衡补偿性能良好，模拟波浪的周期大小对补偿的效果影响巨大。
4 结论
该类型的波浪补偿装置几乎没有任何动力消耗，但是补偿性能不太稳定，补偿精度略低，滞后也比较大。
（1）摇摆台在即将下降到最低点时，油缸位移曲线会有一个不平缓的过渡，张力值F持续降低至最小值，这是由于模拟采样器被部分提起后骤然坠落引起的；在上升工况时，油缸位移变化曲线近似为正弦曲线，张力持续增加，到达一个临界值时，模拟采样器被部分提起，位移变化曲线会有一个向上的起伏。此时拉力F的范围是670N≤F≤2810N，符合预设的拉力范围值，拉力突变不会对补偿系统造成很大的冲击，补偿系统安全可用。
（2） 在小于波浪补偿系统预定值时，波浪的周期对钢绳张力值的平衡没有明显的差别，但在高于补偿系统的额定值时，无论是波浪的波高或是周期对钢绳张力平衡的影响急剧增大，直到波浪补偿系统对模拟波浪的补偿效果略为微弱。■
参考文献
[1] 马海龙等. 波浪补偿装置机液耦合动力学分析[J]. 机械设计与制造，2010，（11）：183—185.
[2] 费日奎. 船用吊艇架被动式波浪补偿技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
[3] 徐小军. 基于耦合行星传动调速的波浪补偿系统研究[D]. 长沙：国防科学技术大学，2009.
[4] 宁继鹏. 电液伺服削峰装置机理研究及仿真[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.
[5] 王佳等. 带波浪补偿功能小艇收放装置仿真综合试验系统研究[J]. 船舶工程，2011，（6）：37—40.
[6] 刘春阳. 船用起货机波浪补偿研究[D]. 大连：大连海事大学，2009.
作者简介：
卜洋洋，单位：大连海洋大学，职位：在读工学硕士，研究方向： 捕捞装备，邮政编码： 116023。
关键词：波浪补偿；摇摆台；张力平衡；重物提升
前言
无论是用于深海油气勘探，还是用于海上资源调查研究工作，当海况不佳，船舶摇摆严重时，深海勘察设备容易在其结构内部形成过大的动应力[1]，并对货物形成一定的损害。
为了保证恶劣海况下海上作业设备的作业平稳性，波浪补偿的概念应运而生，并致力于改进钢绳的张力平稳。安装有波浪补偿装置的船舶或是海上平台，可以对由海浪产生的相对运动进行一定的补偿，从而减少作业机械承受的动载荷损害[2]，保障整个作业系统的安全，使其在较高等级海况下亦可进行作业，因此对于摇摆台波浪补偿装置的设计和研究意义深远。
海上作业机械通常将这类装置安装在固定平台结构或船舶类甲板结构上，用于勘探、开采或是捕捞作业。勘察船在通过钢丝绳将基盘下放到海床上后，就需要波浪补偿装置来确保勘察船和基盘之间连接的钢丝绳有一定范围的张力。张力过大或过小都影响基盘的正常绞收、中断勘探任务。因此，波浪补偿系统应调节钢丝绳的张力并保证在一定范围内，确保基盘平稳的置于海底定位取样器。
本次实验的目的：将被动补偿装置放置在实验室波浪模拟摇摆台上，用于研究蓄能器被动补偿装置相应模拟波浪周期变化的能力，达到钢丝绳恒张力控制的目的。
1 波浪补偿原理
图1 波浪补偿装置结构示意图
1. 8mm钢丝绳 2. 滑轮 3. 陶瓷油缸 4. 蓄能器 5. 摇摆台
6. 油缸安装座 7. 绞纲机
该装置由陶瓷油缸、液压绞车、滑轮组、滑轮架和蓄能器组成，安装在摇摆台之上，并与主升沉钢丝绳进行连接，如图1所示。其工作原理是：把补偿装置陶瓷油缸活塞杆的伸缩转换为主升沉钢丝绳的伸缩，通过蓄能器内气囊的变化向陶瓷油缸内释放高压油，活塞杆获得补偿力，钢丝绳也获得一定的张力补偿，从而实现补偿的目的[3]。该波浪补偿装置补偿负载与蓄能器的气压有关，补偿幅度与活塞杆的行程相关，即与模拟波浪的波高相关，补偿响应速度与液压泵站内的油液流速相关。
被动补偿也被称为恒张力补偿，依靠摇摆台的升降作为补偿动力。动作包括有：1、蓄能器蓄能动作；2、蓄能器能量释放动作。先将补偿油缸油腔与蓄能器连通，控制摇摆台由低位向上运动时，通过钢丝绳绷紧收缩带动油缸缩回完成蓄能器蓄能动作；反之摇摆台由高位向低位运动时完成能量释放动作。蓄能器通过蓄能与释放能量的过程来减缓钢丝绳受力的变化，油液在流至蓄能器内时，冲击能量转化为压力能和内能[4]，从而对液压系统起到缓冲的作用，保证钢丝绳张力始终处于恒定值范围内（不超过4KN），从而实现对提取设备的升降补偿。
2 补偿装置设计
本系统设计试验对象为1t的模拟采样器，该对象用来对钢绳施加拉力使陶瓷油缸有一个伸缩量，配合有摇摆台的升降来测试补偿性能的优劣。
按照试验要求，需将张力控制在500N≤F≤3000N 拉力范围之间，波动幅度50%以下，最高不超过65%的设定目标，这种被动补偿方法简单，几乎不消耗动力能，因此应用比较广泛。但是其缺点就是结构较大，补偿精度略低，所用补偿系统要求不高，满足要求。
摇摆台主要是对波浪补偿装置的垂荡运动进行模拟仿真，进而对船舶受试装备性能进行验证，其特点是本身的负载比较大，受试装备对摇摆试验台有很大的动态扭转力矩，并且对垂荡运动有很大的位移量，因此摇摆台需要有较大的刚度和强度[5]。
液压系统需要一个主动液压缸和液压绞车的控制，原理图如图2所示。主动缸液压系统采用恒压变量泵给陶瓷油缸供油，通过电磁比例换向阀控制绞车的转向和转速，电磁换向阀控制陶瓷油缸的升降，此外，系统还设有保护回路，以防止当系统液突然压力消失时酿成事故。
图2 波浪补偿液压原理图
2.1 控制系统设计
西门子S7-200上模拟量输入有一个陶瓷油缸上的位移传感器，三个压力传感器，一个拉力传感器；输出有一个数字量输出的电磁换向阀和一个模拟量输出的电磁比例换向阀，分别控制陶瓷油缸的起降和绞车正反转及其转速。用电脑作为上位机，将电脑与PLC通过PC/PPI电缆连接后，利用MCGS组态软件控制西门子PLC，最终控制整个液压系统的运行。
该液压补偿装置系统有以下两方面作用：第一，碰撞冲击力吸收功效。在摇摆台上升到最高点的一瞬，此刻陶瓷油缸与高压蓄能器的油路发挥作用，同步向陶瓷油缸内释放高压油，重物立即被动向上进行有限提升，吸收一部分碰撞冲击力。第二，大大减弱了重物提升或下降瞬间的速度浮动，即绝对加速度大小。陶瓷油缸与高压蓄能器之间形成一个具有范围油压的较稳定回路，在速度变化大时，对油路的压力能进行补偿，减弱钢绳的绝对加速度，与车辆上的减震装置原理类似，从而保证重物在着落时的安全[6]。
3 实验结果分析
以陶瓷油缸为对象，分析其波浪补偿过程中的受力及运动情况。
则活塞杆所受的压力
F压 =2F=PS （1）
式中：F为钢绳的张力值，P为活塞杆所受的压力值，即传感器2的输出值，S为陶瓷油缸的横截面积。
重物对陶瓷油缸的做功
W= F压？驻L=■2Fvdt （2）
式中：？驻L为活塞杆t1至t2时间内的位移。
陶瓷油缸的瞬时功率
P=■= F压v （3）
式中：dW为t1至t2时间内对陶瓷油缸做功的变化，v为陶瓷油缸活塞杆的瞬时速度。 陶瓷油缸活塞杆的瞬时加速度
a=■ （4）
式中：dv为t1至t2时间内活塞杆的速度变化。
根据程序MCGS 7.2输出的数据，在模拟波浪的中位值为150mm，波高为200mm时，陶瓷油缸活塞杆的瞬时加速度分别在20cm/s2及25cm/s2以下，并没有呈现明显的周期特性，同时钢绳张力值分别在24.08%和29.21%以下波动，补偿性能优秀。在模拟波浪的中位值为250mm，波高为400mm时，周期为12s和8s时，瞬时加速度为250cm/s2及350cm/s2以下，同时钢绳张力值分别在42.44%和64.93%以下波动，无论活塞杆的速度还是加速度都具有明显的周期特性，陶瓷油缸对钢绳的张力平衡补偿性能良好，模拟波浪的周期大小对补偿的效果影响巨大。
4 结论
该类型的波浪补偿装置几乎没有任何动力消耗，但是补偿性能不太稳定，补偿精度略低，滞后也比较大。
（1）摇摆台在即将下降到最低点时，油缸位移曲线会有一个不平缓的过渡，张力值F持续降低至最小值，这是由于模拟采样器被部分提起后骤然坠落引起的；在上升工况时，油缸位移变化曲线近似为正弦曲线，张力持续增加，到达一个临界值时，模拟采样器被部分提起，位移变化曲线会有一个向上的起伏。此时拉力F的范围是670N≤F≤2810N，符合预设的拉力范围值，拉力突变不会对补偿系统造成很大的冲击，补偿系统安全可用。
（2） 在小于波浪补偿系统预定值时，波浪的周期对钢绳张力值的平衡没有明显的差别，但在高于补偿系统的额定值时，无论是波浪的波高或是周期对钢绳张力平衡的影响急剧增大，直到波浪补偿系统对模拟波浪的补偿效果略为微弱。■
参考文献
[1] 马海龙等. 波浪补偿装置机液耦合动力学分析[J]. 机械设计与制造，2010，（11）：183—185.
[2] 费日奎. 船用吊艇架被动式波浪补偿技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
[3] 徐小军. 基于耦合行星传动调速的波浪补偿系统研究[D]. 长沙：国防科学技术大学，2009.
[4] 宁继鹏. 电液伺服削峰装置机理研究及仿真[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.
[5] 王佳等. 带波浪补偿功能小艇收放装置仿真综合试验系统研究[J]. 船舶工程，2011，（6）：37—40.
[6] 刘春阳. 船用起货机波浪补偿研究[D]. 大连：大连海事大学，2009.
作者简介：
卜洋洋，单位：大连海洋大学，职位：在读工学硕士，研究方向： 捕捞装备，邮政编码： 116023。