深海水下液压技术的发展与展望_顾临怡

2013 年第 12 期
液压与气动
3
消。如果水下 液 压 执 行 器 是 非 对 称 液 压 执 行 器 ， 执 行器两腔的 有 效 作 用 面 积 不 等 ， 压力补偿后执行器 两腔的压力 均 在 原 来 的 基 础 上 增 加 了 海 水 压 力 ， 由 此而产生的作用力刚好抵消海水压力作用在活塞杆 上的力 。 如果水下液压执行器是液压马达， 由于马达壳体 内的压力补偿作用， 海水压力对马达轴上产生的作用 力得到了平衡。深海水下液压系统采用压力补偿后， 其负载能力没有发生变化， 只是各部分的压力都在原 来的基础上增加了海水压力， 因此仍然可以按照常规 。 液压系统的方法来设计 2 ） 深海水下液压系统的液压元件 压力补偿后的深海水下液压系统其系统压力建立 在海水压力的基础上， 系统中的液压元件， 包括液压 泵、 液压阀及液压执行器等的内外压力均在原来的基 础上增加了海水压力， 其承压情况和常规液压系统中 因此可以直接采用常规液压元件而 的液压元件相同， 无需特殊设计。 对于暴露在海水中的液压元件， 例如水下液压执 行器， 开式布置方式中的液压泵等， 需要对液压元件的 表面作防海水腐蚀的处理。 3 ） 深海水下液压系统的密封 压力补偿后的深海水下液压系统虽然系统中的压 力均在原来的基础上增加了海水压力， 但其密封结构 与常规液压系统不完全相同， 需要根据深海水下液压 系统的功能特点进行重新设计。 深海水下液压系统中液压阀与液压集成块间的密 封结构和深海水下液压系统的功能有关 。常规液压系 统中液压阀与液压集成块间的密封结构是针对液压阀 内部压力比外部环境压力高的情况 。深海水下液压系 统的液压阀布置在充油的阀箱内 ， 阀箱的内部压力， 也 即液压阀的外部环境压力与海水压力相等 。深海水下 液压阀的内部压力比其外部环 液压系统正常工作时， 境压力高， 常规的密封结构可以实现可靠密封。 对于 水下液压执行器的两腔， 一般来说都能够通过控制阀 辅助单向阀甚至滑阀的内泄漏， 获得压力 的中位机能、 补偿， 从而避免了液压执行器由于外部环境压力比内 部压力高、 元件密封在反向压力下失效的问题 。 4 ） 补偿压力的变化 压力补偿的目的是使深海水下液压系统的回油压 力和海水压力相等， 将系统压力建立在海水压力的基 础上。回油压力和海水压力相等时有可能发生海水和 液压油相互渗漏的情况， 为了防止海水渗入液压系统， 通常在压力补偿器中设置弹簧， 通过弹簧的预压缩力 作用， 使深海水下液压系统的回油压力略高于海水压 力， 这样即使发生渗漏， 也只是液压油向外渗漏， 而不 会是海水进入到液压系统内部。 压力补偿的实质是对液压系统的回油压力进行补 偿， 补偿压力不仅受弹簧作用行程的影响 ， 还受油箱内 液压油体积变化的影响。油箱内的液压油体积变化来 自以下几个方面： 由于海水压力而产生的液压油体积 压缩、 由于非对称执行器两腔的容积差而产生的液压 油体积变化、 由于液压系统温度升高而产生的液压油 其中由于非对称执行器 热膨胀以及系统的泄漏量等， 并随系 两腔的容积差而产生的液压油体积变化最大 ， 统工作状态的变化而变化。对于快速性要求较高的水 下作业设备， 例如机械手， 当执行器的速度较快时， 油 箱内的液压油体积变化也较快， 液压油体积的快速变 补偿压力的较 化有可能导致补偿压力发生较大变化， 大变化不仅 会 影 响 液 压 伺 服 控 制 系 统 的 精 度 ， 而且 因 过高的补偿 压 力 还 会 造 成 压 力 补 偿 元 件 的 损 坏 ， 此油箱内的液压油体积变化对补偿压力的影响不可 忽略 。 3 补偿型水下液压系统风险分析 这类补偿型深海水下液压系统， 它的输出之所以 ， 能够与环境压力相适应 完全依赖于补偿油箱里的液 压油。然而， 补偿油箱里的液压油是非常有限的 ， 一旦 液压系统的任何一个元件或油管发生泄漏 ， 油箱内的 液压油会在几秒钟之内迅速耗尽 。如果这个时候液压 系统继续工作， 就会出现外界海水压力高于液压系统 内部压力的情况。由于绝大多数液压执行器件的伸出 轴 / 杆、 板式液压阀和液压管件的密封都只能承受单个 方向的压力， 它们很快就会损坏， 大量海水进入液压系 损坏所有的液压元件。 统， 尽管所有的水下液压系统都具有低液位自动关泵 的功能， 以避免液压系统工作在外界海水压力高于系 统内部压力的工况下， 但很多情况下， 我们还不得不在 继续强制开泵， 完成必要的动作， 以确保 自动关泵后， 水下装备与系统的安全。我国某著名深海潜水器在一 次海试的过程中， 就发生过一起机械手液压油管漏油 导致油箱液位不足的事故。当时机械手还处于一个不 太安全的位置， 操作人员不得不强制开泵， 用吸入的海 水介质把机械手收回到了安全状态 。回收后拆开液压 系统， 发现柱塞泵的滑履基本上已经快被磨光了 。
1． 吸油过滤器 2． 液压泵 3． 溢流阀 4． 单向阀 5． 换向阀 6． 水下液压执行器 7． 调速阀 8． 回油过滤器 9． 阀箱 10． 油箱 11． 压力补偿器
。我们信为， 了谁都能做” 如果那里有一层窗玻璃纸 “压力补偿技术 ” 。 它也是世界 的话， 它的名字就叫做 深海机器人技术由第一代发展到第二代的标志 。 所谓压力 补 偿 技 术 ， 就是通过弹性元件感应海 水压力 ， 并将其传递到液压系统内部 ， 使液压系统的 并随海水深度变化自动 回油压力与 海 水 压 力 相 等 ， 其系 变化 。 采用压 力 补 偿 后 的 深 海 水 下 液 压 系 统 ， 统压力建立 在 海 水 压 力 的 基 础 上 ， 液压系统的各个 部分 ， 包括液 压 泵 、 液 压 控 制 阀、 液压执行器及液压 管路等的工 作 状 态 与 常 规 液 压 系 统 相 同 ， 避免了海 水压力的影响 。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统 如 图 1 所示。
深海水下液压技术的发展与展望
1， 2 1 顾临怡 ，罗高生 ，周 1 锋 ，王 2 峰 ，陈
Baidu Nhomakorabea
鹰
1
Development and Future of Deep-sea Underwater Hydraulic Technique
2 GU Linyi1， ，LUO Gaosheng1 ，ZHOU Feng1 ，WANG Feng2 ，CHEN Ying1
（ 1． 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室 海洋工程装备国家地方联合工程实验室，浙江 杭州 310027 ； 2． 美国明尼苏达大学 NSF 集成高效液压工程研究中心，美国明尼苏达州 明尼阿波利斯 55455 ）
要： 环境压力补偿是目前深海水下液压系统最常用的结构 。本文介绍它的结构与工作原理， 分析了 — —旋转轴动密封和运动软管老化问题。 在此基础上， 影响其长时间工作可靠性的两大核心风险 — 介绍了远 摘 程液压源、 深海静压源两种目前国外回避上述风险的 方法， 分析了 各自 的 优缺点 和 适 用 条件。 最 后指出， 廉 价的、 长寿命的海水液压系统， 仍然是彻底解决深海水下液压系统的 高 风险问题的最 佳途径， 但尚有一段路 要走。 关键词： 深海水下液压; 压力补偿; 旋转轴动密封; 运动软管老化; 远程液压源; 深海静压源; 海水液压 系统 中图分类号： TH137 ； TG156 引言 在深海使用液压驱动控制系统是一个非常无奈的 把旋转轴 选择。液压系统固有的对液压油的依赖性， 动密封和运动软管老化这两个在地面液压系统上并 成为了始终悬在深海 不太受关注 的 风 险 无 限 放 大 ， 设备或工程 设 计 、 操 作、 使 用、 维修人员头上的达摩 随时可能引发各种各样的不可逆转的 克利斯之剑 ， 元器件意外 损 坏 ， 给深海设备或海底工程设施造成 巨大损失 。 然而， 液压系统诱人的功率密度还是让一代又一 文献标志码： B 4858 （ 2013 ） 12000107 文章编号： 1000代的深海设备和工程设施设计者们选择了液压驱动控 制方式。毕竟在深海， 增加重量就意味着花更多的钱、 意味着风险概率成倍的增加。由此带来的风险可能会 几倍于液压系统的旋转轴动密封风险和运动软管老化 风险。 目前常用的回避上述风险的方法主要有两种 ： 远
图1
基于压力补偿技术的深海水下液压系统
该水下液压系统的组成与常规液压系统基本相 同， 除了液压源、 液压控制单元和液压执行器外， 还在 系统中设置了压力补偿器， 压力补偿器和油箱相连。 深海水下液压系统工作在海水环境中， 因此油箱设计 成封闭结构。此外， 由液压控制阀、 液压集成块及电路 等组成的液压控制单元也设计成封闭结构 ， 虽然一些 液压控制阀采用了耐海水腐蚀的材料， 可以直接暴露 ， 、 在海水中 但是考虑到电磁铁 放大电路等不能在海水 中工作， 因此设计了封闭式的阀箱， 将液压控制单元设 置在阀箱内部。为了避免采用耐压结构， 将阀箱与压
开式布置如图 1b 所示， 液压泵暴露在海水中， 通 过管路与油箱、 阀箱等相连。 由于液压泵布置在油箱 外， 因此大大减小了油箱的体积， 并且液压泵在海水中 散热迅速， 避免了温升过高的问题。 不过， 液压 工作， 泵的表面要作防海水腐蚀的处理 。开式布置方式结构 简单， 维修方便， 但管路较多， 安装复杂。 2 补偿型深海水下液压系统的特点 基于压力补偿技术的深海水下液压系统的特性主 要表现在以下几个方面。 1 ） 深海水下液压系统的负载能力 压力补偿后的深海水下液压系统， 其负载能力不 受海水压力的影响。如果水下液压执行器是对称液压 执行器， 执行器两腔的有效作用面积相等 ， 两端活塞杆 的面积也相等， 海水压力在活塞杆上的作用力相互抵
2013 年第 12 期
DOI： 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2013． 12． 001
液压与气动
1

作者简介： 顾临怡，男，1973 年生人，浙江萧山人， 工学博士， 美国明 尼苏达大学留学回国人员，教授，博士生导师， 第十二届中国青年科技奖获 得者。1998 年 12 月毕业于浙江大学机械系流体传动及控制 （ 液压 ） 专业， 毕业后留校工作至今，现任浙江大学机械电子控制工程研究所副所长 、 海洋 工程装备国家 － 地方联合工程实验室副主任、海洋装备试验浙江省工程实验 室副主任。主要研究方向为纯机液控制的高速开关型虚位移变量液压马达 、 纯机液控制的燃烧自适应型自由活塞发动机液压驱动与压缩比控制单元 、遥控水下机器人及其 电液驱动控制与作业系统、深海海底取样装备、深水油气田水下生产设施的液压驱动控制 ，授 权国家发明专利 20 余项。
1031 收稿日期： 2013基金项目： 国家 863 资助项目： 4500 米级深海作业系统 （ No． 2008AA092301 ）
2
液压与气动
2013 年第 12 期
程液压源、 深海静压源。 然而， 两种方法各有千秋， 只 能针对特定的工作环境条件使用。 惟有廉价的、 长寿 命的海水液压系统， 才是彻底解决深海水下液压系统 高风险的最佳途径。 1 — —走向深海的窗玻璃纸 补偿技术— ： “其实深海就是一层窗玻璃纸， 有人曾说过 捅破 力补偿器相连， 实现了阀箱的内外压力平衡， 大大减轻 了系统的重量。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统工作原理 如下： 水下液压执行器 6 动作时， 液压泵 2 通过吸油过 液压泵 2 提供的压力油经单 滤器 1 从油箱 10 中吸油， 向阀 4 和换向阀 5 到达水下液压执行器 6 ， 水下液压 执行器 6 的回油经换向阀 5 、 调速阀 7 和回油过滤器 8 流回油箱 10 。压力补偿器 11 不仅与油箱 10 相连， 还 与阀箱 9 相连。如果水下液压执行器是对称液压执行 器， 执行器两腔的有效作用面积相等 ， 执行器动作时油 ， 箱内的液压油体积是不变的 此时压力补偿器对油箱 的压力补偿是静态的。如果水下液压执行器是非对称 执行器动作时油箱内的液压油体积是变 液压执行器， 化的， 此时压力补偿器对油箱的压力补偿是动态的 。 阀箱内的液压油体积是不变的， 因此对阀箱的压力补 偿是静态的。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统有闭式和 开式两种布置方式， 闭式布置和开式布置的区别主要 液压泵布 在液压源的布置上。闭式布置如图 1a 所示， 置在油箱内， 液压源的其他部分也布置在油箱内 ， 由于 液压源的各个元件均布置在油箱内， 因此无需耐海水 管路连接简单， 但维修不方 腐蚀。闭式布置结构紧凑， 便。闭式布置方式通常用于功率较小的深海水下液压 系统， 大功率深海水下液压系统由于电机和液压泵体 积都较大， 液压泵发热较快， 若采用闭式布置方式， 为 了散热油箱的体积会较大， 不利于液压系统的安装布 置， 因此大功率深海水下液压系统多采用开式 布 置 方式。