深海采矿被动升沉补偿系统参数设计与仿真研究.pdf

中南大学硕士学位论文深海采矿被动升沉补偿系统参数设计与仿真研究姓名：倪佳申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：刘少军20090515摘要升沉补偿系统是保证水力提升式深海采矿系统正常工作的关键装置。目前，对应用于深海采矿的升沉补偿系统的研究较少，且限于补偿精度高、需要外界提供能量的主动补偿系统的研究。但实际上，由于深海采矿升沉补偿系统要求的补偿精度不高，探讨不消耗动力、节能简单的被动系统是很有意义的。针对5000m中国大洋多金属结核采矿系统，提出了一种带蓄能器的被动升沉补偿系统。综合利用数学建模及多领域联合仿真建模的研究方法，研究了系统工作过程中的主要影响因素，系统的控制效果，系统在随机波作用下的响应，蓄能器接入系统的方式对系统的影响，分析了补偿率无法进一步有效提升的原因，进行了改进系统的探索性研究。本文的主要成果及结论如下：1、根据升沉补偿作业条件，运用数值模拟的方法得出了四级海况下的随机波及采矿船的响应，提出了带蓄能器的被动补偿系统，分析了被动系统的工作原理及工作特点，设计了系统的主要参数；2、建立了被动系统工作过程数学模型，讨论了系统主要影响因素，完成了相应参数的设计选取，研究了系统的控制效果；研究结果表明，取蓄能器体积20m3，管道直径0．05m，管道长度0．5m的被动系统，对我国矿区四级海况下，海浪能量集中频段，有较好的补偿效果；随机波作用下，系统补偿率大于80％；3、利用多领域联合仿真建模的方法，建立了升沉补偿系统的通用仿真模型，探讨了蓄能器接入系统的方案，结果表明，系统中先接入负载，后接入蓄能器，且蓄能器采用分段预充的方法是一种较优方案；分析了被动系统的补偿过程，结果表明，调节蓄能器和油缸内的压力变化，可以提升补偿系统的补偿能力；4、提出了一种带节流阀的改进型被动升沉补偿系统，研究了系统在不同海浪频率下的补偿特性；研究结果表明，系统添加固定开度的节流阀后，对低频海浪有较好的抑制作用。5、建立了基于LabVIEW的升沉补偿蓄能器性能试验系统，实验验证了蓄能器对升沉补偿系统的作用效果。关键词：深海采矿，被动补偿系统，蓄能器，建模，仿真中南大学硕士学位论文compensation(PHCS)withABSTRACTsystem(HCS)is2．Mathematicalefficiencycompensationequipmentminingsystemmany,andthosethesimplewithconsumptionmeaningful．accumulator5000mpoly—metallicmathematicalsimulationmulti--fieldCO·-simulationmodelingcomprehensivelyused；themainmethodsaccumulator,theimprovedsystem．Theworkrandomsimulation，aanalyzed，mainparametersaremodelvolumediametermore80％inHeaveessentialwhichguaranteesnormaloperationofhydraulicliftingdeepsystem．Atpresent，theresearchesheaveexclusivelyfocusingactiveneedspowersupplyandhashighprecision．Actually,asprecisionrequestedforHCSishigh，thestudypassivereasonablyAproposedinlightChina．Theincludefollowingresearchedworkingprocesscontain：theinfluencefactors，thecontroleffect，theresponseconditionwave，thecausedbyanalysiswhybeulteriofly,andexploratoryimprovingresultsconclusionsfollowing：1．Accordingcompensation，thevesselwavegradefourobtainednumericalPHCSpresented，workingprinciplescharacteristicsdesigned；built，thefactorsdiscussed，designselectioncorrespondingcompleted，andeffectresearched．Theindicatethat20m3，thepipeO．05mlength0．5m，hasfairlygoodconcentratedfreq