基于AMEsim的深海網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)的仿真與分析

曹偉男，李德堂，唐文濤，呂　沁，黃　曼

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山　316022）

·研究簡報(bào)·

基于AMEsim的深海網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)的仿真與分析

曹偉男1，李德堂1，唐文濤1，呂沁1，黃曼2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江海洋學(xué)院海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山316022）

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種極具前景的網(wǎng)箱養(yǎng)殖方式，本文以國家星火計(jì)劃項(xiàng)目為載體設(shè)計(jì)出了一種新型的可航行及升降網(wǎng)箱，并對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究。利用AMEsim軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析，通過對液壓元件設(shè)置不同的參數(shù)值，分析系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。

網(wǎng)箱；液壓推進(jìn)系統(tǒng)；AMESim；建模仿真

隨著我國捕撈業(yè)的不斷發(fā)展，近海漁業(yè)資源變的越來越少，一些漁民開始進(jìn)行近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖，這種網(wǎng)箱一般選擇在港灣、內(nèi)海等風(fēng)浪較小的地方，隨著養(yǎng)殖數(shù)量的不斷增加，一些魚類的殘餌、糞便等不能被海洋微生物降解或者被海水充分稀釋，就會累積在港灣內(nèi)，造成水域的富營養(yǎng)化而導(dǎo)致魚類的死亡。因此，我國和世界上的許多養(yǎng)殖大國都把目光轉(zhuǎn)移到深海養(yǎng)殖，以緩解近海養(yǎng)殖壓力，改善近海水域環(huán)境。與傳統(tǒng)的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖相比，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有很大的優(yōu)越性：拓展海域，減輕近海養(yǎng)殖壓力；網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)；水質(zhì)環(huán)境好，提高魚類品質(zhì)［1］。盡管如此，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖也面臨很多問題，比如網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪能力、深海水域環(huán)境對魚類生長的影響等等，都是發(fā)展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖需要解決的重要問題。

為此，本文基于浙江海洋學(xué)院承擔(dān)的國家星火計(jì)劃項(xiàng)目“節(jié)能環(huán)保型的網(wǎng)箱可航行控制技術(shù)研究”，開發(fā)出一種節(jié)能環(huán)保型的可航行網(wǎng)箱，重點(diǎn)對網(wǎng)箱的液壓推進(jìn)系統(tǒng)利用AMEsim軟件進(jìn)行建模與仿真分析，研究結(jié)果對促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

AMESim是IMAGINE公司于1995年推出的用于液壓、氣動、機(jī)械、電、磁和熱等系統(tǒng)的建模、仿真及動力學(xué)分析的優(yōu)秀軟件［2］。它是一個(gè)圖形化的開發(fā)環(huán)境，為用戶提供了圖形作為建模的接口，能更直觀的反應(yīng)出系統(tǒng)運(yùn)行的效果，其在參數(shù)調(diào)整方面也比較方便，便于用戶對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

1　系統(tǒng)工作原理

1.1網(wǎng)箱整體組成

網(wǎng)箱整體框架主要由上下浮體、四根樁柱以及網(wǎng)衣構(gòu)成［3］。網(wǎng)衣連接在四根樁柱及上下浮體上形成一個(gè)密封的養(yǎng)殖空間，網(wǎng)箱的上下浮體主要用來為網(wǎng)箱提供浮力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱的上升與下降，網(wǎng)箱的上浮體按船型設(shè)計(jì)，可以減少航行阻力，在網(wǎng)箱的上浮體內(nèi)安裝有液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過液壓馬達(dá)控制螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)與轉(zhuǎn)向，為網(wǎng)箱提供動力，保證網(wǎng)箱正常航行。在上浮體與樁柱的連接處安裝有定位鎖緊系統(tǒng)，可以使得上浮體與四根樁柱在同一位置實(shí)現(xiàn)固定，保證網(wǎng)箱整體的穩(wěn)定性。圖1、圖2分別為網(wǎng)箱的整體結(jié)構(gòu)圖和三維立體圖。

圖1　網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　網(wǎng)箱三維立體圖

1.2網(wǎng)箱推進(jìn)系統(tǒng)組成

網(wǎng)箱推進(jìn)液壓系統(tǒng)主要由雙向定量液壓泵、雙向變量液壓泵、補(bǔ)油泵、單向閥、溢流閥、低壓選擇三位三通閥、雙向變量液壓馬達(dá)、螺旋漿、油箱等組成。其工作原理圖，如圖3所示：

1.3液壓系統(tǒng)工作原理

圖3　網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)原理圖

如圖3所示，電動機(jī)1、3帶動雙向變量泵2和雙向定量泵4工作為系統(tǒng)提供動力，雙向變量液壓馬達(dá)17 和18直接與泵的兩端相連接，調(diào)節(jié)變量馬達(dá)17、18的排量可以對螺旋漿19和20進(jìn)行無極調(diào)速；5、6、9、10 和11組成一個(gè)補(bǔ)油回路，為系統(tǒng)低溫液壓油，經(jīng)過單向閥7和8進(jìn)入系統(tǒng)；溢流閥12和13連接系統(tǒng)兩端，組成過載保護(hù)回路，防止系統(tǒng)超載，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；系統(tǒng)工作時(shí)，在液壓泵的壓力作用下，從液壓馬達(dá)流出的一部分壓力較低的液壓油，經(jīng)過低壓選擇閥16、溢流閥14和濾油器15流回油箱，對系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

2　系統(tǒng)的建模與仿真

運(yùn)用AMEsim軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)的建模與仿真一般要經(jīng)歷四種模式：Sketch mode（草圖模式）、Submodel mode（子模型模式）、Parameter mode（參數(shù)模式）和Simulation mode（仿真模式）。在AMEsim環(huán)境中，首先進(jìn)入草圖模式，利用草圖模式中的機(jī)械庫、液壓庫、信號控制庫、HCD庫等建立液壓系統(tǒng)的仿真模型［4］，如下圖4所示：

圖4　網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真圖

在搭建完系統(tǒng)草圖后，就可以進(jìn)入到子模型模式為系統(tǒng)中的每個(gè)元件分配相應(yīng)的子模型。如果搭建的系統(tǒng)有錯(cuò)誤，不能按照AMESim的要求完成一個(gè)正常的循環(huán)就不能正常進(jìn)入到子模型模式。［5］正常仿真情況下，如果一個(gè)元件有幾個(gè)子模型或者沒有子模型與之相匹配，一般使用Premier submodel（首選子模型）來為系統(tǒng)自動選擇最簡單的子模型。在本套系統(tǒng)中，將螺旋槳模型用轉(zhuǎn)動慣量模型代替，在轉(zhuǎn)動慣量模型上加一個(gè)加速度傳感器，用來檢測其轉(zhuǎn)動情況，并將其檢測信號通過增益放大器與輸入信號相比較，用以控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

在AMEsim為系統(tǒng)自動選擇完子模型后，就可以進(jìn)入到Parameter mode（參數(shù)模式），為系統(tǒng)元件設(shè)置合理的參數(shù)。元件參數(shù)的選擇十分重要，參數(shù)選擇合適與否直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)入到參數(shù)模式，對元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下表1所示：

參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)入到Simulation mode（仿真模式），設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，通信時(shí)間間隔為0.001 s，啟動Start a simulation開始仿真。在仿真過程中，忽略管道對液壓油的壓力、流量等的影響。

表1　液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

圖5　馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

3　仿真結(jié)果分析

3.1系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

設(shè)置各元件的初始值后，觀察液壓系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，由仿真結(jié)果可以看出，2個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速均為239.06 r/min，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在剛開始的短暫時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)波動，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速曲線如下圖5所示：

兩個(gè)馬達(dá)的扭矩均為239.06 Nm，在剛開始的短暫時(shí)間內(nèi)，扭矩出現(xiàn)了波動，但很快就達(dá)到動態(tài)平衡，可見輸出的扭矩穩(wěn)定性較高。

圖6　馬達(dá)扭矩曲線

由以上對馬達(dá)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩的分析可知，利用AMESim軟件搭建網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置元器件的初始參數(shù)，在模擬輸入信號下，由系統(tǒng)各個(gè)元件共同作用，可使得系統(tǒng)的壓力和流量達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)搭建的正確性。在設(shè)定的條件下，通過調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量，使兩個(gè)馬達(dá)具有相同的轉(zhuǎn)速，從而保證網(wǎng)箱能夠穩(wěn)定的直線航行。

3.2馬達(dá)速度變化分析

當(dāng)網(wǎng)箱航行需要轉(zhuǎn)向時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)2個(gè)馬達(dá)的排量，從而控制兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，當(dāng)兩個(gè)馬達(dá)的排量都為75 mL/r時(shí)，兩個(gè)螺旋槳可以保持相同的轉(zhuǎn)速；當(dāng)網(wǎng)箱需要改變航向時(shí)，保持馬達(dá)1的排量不變，調(diào)節(jié)馬達(dá)2的排量為30 mL/r，此時(shí)馬達(dá)1的轉(zhuǎn)速為238.8 r/min，馬達(dá)2的轉(zhuǎn)速變?yōu)?5.5 r/min，兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速不一樣，從而可以使網(wǎng)箱改變航向。圖7和圖8分別為兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和扭矩曲線圖。

3.3系統(tǒng)的補(bǔ)油回路分析

系統(tǒng)工作時(shí)，在液壓泵的壓力作用下，從液壓馬達(dá)流出的壓力較低的液壓油經(jīng)過低壓選擇三位三通閥、溢流閥流回油箱。與此同時(shí)，從補(bǔ)油泵排出的液壓油經(jīng)過單向閥進(jìn)入系統(tǒng)，為系統(tǒng)補(bǔ)充潔凈的低溫液壓油，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。由圖9、圖10可以看出，在不考慮溢流損失的情況下，補(bǔ)油泵的補(bǔ)充油量與流經(jīng)低壓選擇閥的流量相當(dāng)，可以驗(yàn)證系統(tǒng)是穩(wěn)定工作的。

3.4系統(tǒng)過載保護(hù)分析

為了防止由于故障或者其它原因引起系統(tǒng)壓力過高，造成系統(tǒng)元件的損壞，在系統(tǒng)兩端連接了2個(gè)溢流閥，用于平衡系統(tǒng)壓力，保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，溢流閥輸出的流量為33.78 L/min，閥口壓力205.096 bar［U1］，由于溢流閥閥口開啟壓力設(shè)為200 bar，在閥口壓力達(dá)到205.096 bar時(shí)，溢流閥開啟進(jìn)行安全卸載，避免了由于壓力過大對系統(tǒng)造成破壞。圖11、12分別為溢流閥的流量和壓力曲線圖。

圖7　轉(zhuǎn)向時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線

圖8　轉(zhuǎn)向時(shí)馬達(dá)扭矩曲線

圖9　通過單向閥流量曲線圖

圖10　通過三位三通低壓選擇閥流量曲線圖

圖11　溢流閥流量曲線圖

圖12　溢流閥壓力曲線圖

4　結(jié)束語

利用AMESim軟件對網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）使用AMESim軟件可以有效的模擬仿真網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了各個(gè)回路與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

（2）在參數(shù)設(shè)置合理的情況下，馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩均處于動平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

（3）本文運(yùn)用AMEsim軟件對網(wǎng)箱液壓推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，為其他研究工作者對網(wǎng)箱的進(jìn)一步研究提供了一定的參考與借鑒。

［1］魏友海，張明.利用深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)，促進(jìn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展［J］.科學(xué)養(yǎng)魚，2013（1）：13-15._

［2］惠紀(jì)莊，紀(jì)真，鄒亞科.基于AMESim的鉆井泵液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真［J］.石油機(jī)械，2009，37（8）：21-23.

［3］趙宏強(qiáng)，謝武裝，蔣海華.采用AMESim的潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真與試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（2）：69-73.

［4］程龍.自升式海上鉆井平臺液壓升降系統(tǒng)解析［J］.石油和化工設(shè)備，2012，15（8）：32-34.

［5］劉海麗.基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

Modeling and Simulation of Hydraulic Propulsion System of Deep Sea Cage based on AMESim

CAO Wei-nan，LI De-tang，TANG Wen-tao，et al
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

Deep sea aquaculture is a very promising way of aquaculture.The article devise a new type of net cage which can navigate and lift based on the project of national spark plan.In addition，it also study it’s hydraulic system.Modeling and Simulation of hydraulic system by using AMESim software，by setting different parameter values of hydraulic components，analysis of dynamic characteristics and stability of the hydraulic system，moreover，the result can verify the validity of this simulation model.It can also play a driving role on the development of the deep see aquaculture.

net cage；Hydraulic Propulsion System；AMESim；modeling and simulation

TH137.3

A

1008-830X（2015）03-0282-05

2015-01-10

曹偉男（1990-），男，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向：液壓與海洋工程.E-mail：215311294@qq.com

李德堂（1965-），男，教授級高工，研究方向：液壓與海洋工程.E-mail：lidetang2008@163.com