大型起重船吊钩摆振控制研究

吊钩横 向位移 ； 口 ——＿ （） 夕 部激 励 。 吊钩 因重力 作用 而产 生 的来 回摆动 转换 为 弹
— —
簧 的弹性振 动 ， 吊钩摆 动 时 的摩 阻 转 换 为 阻 尼器
阻尼 ， 对应 关系 为
ｆ１一
的 量 ｚ 振 率 √＿ 阻 比 质 为ｍ， 频 ，尼 自 １ ｆ ． Ｌ ，
摘 要： 针对大型起 重船在波浪环境下 吊钩产生的危险摆振 ， 尝试采用 主动调谐质量阻尼器（ ＭＤ） Ａ 系统
对其进行控制。根据 吊钩摆振特点及结构减振原理 ， 采用线性二次型主动控 制算 法 ， 建立 了吊钩摆 振控制系 统数学模型 ， 并通过数值仿真分析研究摆振 的控制效果 ， 验证 了利用 ＡＭＤ系统控 制吊钩摆振的可行性 。 关键词 ： 起重船 ； 吊钩 ； 摆振控制 ； 质量 阻尼器 ； 调谐 数值仿真
中图 分 类号 ： ７． ５ Ｕ６４ ３ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １７ ５ （０ ０ ０ —０ ４０ １７ —９３ ２ １ ）４０ ３—３
大 型起 重船 在 遇到 较 大级 别 风浪 时 ， 船舶 摇
晃会 引起 吊钩产 生 大 幅摆 振 ， 导致 不 能正 常进 行 海上作 业 。因此 ， 须对 吊钩的摆振 进行控 制 ， 必 使 大 型起 重船在 较大 波浪环境 下仍能 正常作业 。
２ 模 型 转 换
为 了便 于 吊钩摆振控 制 的研 究 ， 据式 （ ） 根 ２ 将
平 面摆模 型 转 化 为 弹 簧 一 Ｎ－ 尼 器 系 统 模 型 质 阻
（ ３ 及 对应 的运动方 程 ： 图 ）
ｍ ｌ ｓｎ ＋ Ｃ 一 Ｏ ｇｌｉ０ 口
收稿 日期 ：０ ９１—０ ２０ —２１ 修 回 日期 ：０ ９１—５ ２ ０ —２２
１ 吊钩 摆 振 分析
大 型起重 船的物理 模型见 图 １ 。
圈 ２ 吊钩 单 摆 模 型
式 中：
摆动 幅度 ， 般为 一小角度 ； 一
摆 动阻尼 。
Ｚ —摆 长 ； —
— —
将 吊钩摆动 的动力学 方程线性 化整理 为
图 １ 起 重 船 物 理模 型
＋
＋ 一 一丁ｅ Ｙ
（） ２
将 船体与塔 架结 构 简 化 为一 刚性 体 ， 钩 结 大 构及其 吊索简化 为一个 空间球摆 振动 系统 。波 浪 诱 导 的悬 吊点运动 相 当于单 自由度 谐振 系统 的支 座运 动 ， 激起 吊钩系 统 的强 迫 摆 振 。考 虑船 体 并 横摇 引起 吊钩 的平 面摆 振情 况 ， 起重 船 吊钩系 将
Ｍ Ｘ ＋ＣＸห้องสมุดไป่ตู้＋ＫＸ一 一Ｍ ｛ ｝ ￡ ＋ Ｂ Ｕ（ ） ４ １ 口（） ￡ （ ）
统简化 为具有 移动支撑 点 Ｐ（ Ｙ ） ｘ ， 的单 摆 ， 吊钩 看作 一个质量 为 ｍ 的质点 Ｑ（ ， ） 见 图 ２ ， 。 按 照上述单 摆模 型建立 如下 吊重平 面摆 动力
学 方 程 ：
ｍ １。 ＋ ｍ １ （ ｚ 一 ｓｎ ＋ ｃ ｓ ） ｚ ｉ ｏ ０ ＋
第３ ９卷
第 ４期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ＯＣＥ ＨＩ ＡＮ ＮＧＩ Ｅ ＮＥＥ ＮＧ ＲＩ
２ １ 年 Ｏ 月 ００ ８
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ４ １３ ． Ａｕ ． ０ ０ ｇ ２ １
大 型起 重船 吊钩摆 振 控 制研 究
蔡 淳鹏 陈建 民 刘彦 武 。 ，
（ 中国石油大学（ 东）ａ机 电工程学院；． 华 ． ｂ 石油工程学院， 东 青岛 ２ ６ ５ ） 山 ６５ ５
（） ３
ｍ ｌ
式 中 ： —— 吊钩 质量 ；
ｃ—— 阻尼 器 阻尼 ；
大型起重船 吊钩摆振控制研究—— 蔡淳鹏 ， 陈建 民， 刘彦武
ｋ—— 弹簧 刚度 ；
３ １ 系统 参数 设计 ． 当 ＡＭＤ切 换 到 ＴＭＤ 系统 工 作 状 态 ， 动 主
控 制作 动器 停止 工 作 ， 省 能 源并 延 长 主 动 控 制 节 作 动器 的使 用 寿命 。此 时 ， 统 作 为 被 动 ＴＭＤ 系
为 了将 吊钩 的 摆 幅 控 制 在 一 定 的摆 幅 范 围
１－ ／ －１
一
内 ， 随船体 的摇 晃越 摆越 大 ， 不 采用 在钩 头上设 计
安 装 以主动 调谐 质量 阻尼 器 （ ＡＭＤ） 为 主要 组 作 件 的摆 振控 制系 统 ， 图 ４ 吊钩 结构加 上 ＡＭＤ 见 。 后 的数 学简 化模 型见 图 ５ 。
（） １ 图 ３ 模 型等 价转 换
１
作者简介 ： 蔡淳鹏（ ９４） 男， １８ 一， 硕士生。
研 究 方 向 ： 洋 工程 海
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按 照 上述 关 系 ， 别 求 得 被 动 ＴＭＤ 系 统 的 分 最优频 率 比和 阻尼 比 ， 而 得 出 ＴＭＤ 系 统 的各 从 个 参数 。 ３ ２ 主动 Ａ ． ＭＤ系统模 型 吊钩组 结构 ＡＭＤ系统 的运 动方 程可 写为
Ｃ２
。
鲁 ｋ 孚７ （ 一 １ ７ 半 一 ２ ） １“
ＡＭＤ 系统 与结 构 的 质 量 比 （ ） 般 一
这样 ， 吊钩 的摆 动 幅度 只需 用 吊钩 横 向位 移 来 度量 ， 吊索长度 ｌ 动力 响应 的影 响 转化 对 为弹簧 刚度 ｋ的变化 ， 在保 证 等价性 的同时 ， 将模
型从二 维简 化至 一维 。
在 １／～ ５ 之 间 ， 值 越 大 控 制 效 果 越 好 ， ６ ９ 比 但 ＡＭＤ 的体 积 也 会 更 加 庞 大 。ＴＭＤ 系 统 的 最 优
自振 频率 比 和最 优 阻尼 比 应 该满 足 以下最
优关 系＿ ： ＿ ２ ］
３ 吊钩 摆 振 控 制 系统