面向深海潜水器的液压技术发展现状
吕超1, 崔维成2, 刘爽1, 郭威2
1.上海海洋大学 工程学院, 上海 201306
2.上海海洋大学 深渊科学研究中心, 上海 201306

作者简介:吕超(1977—),男,黑龙江哈尔滨人,讲师,博士,主要从事深海载人潜水器、海洋机械装备液压技术方面的科研和教学工作。

摘要

“蛟龙号”的成功研制使我国深海潜水器技术获得了跨越式的发展,但国际上已经在研制深度更大的全海深载人潜水器。介绍了深海潜水器的基本功能组成,得出深海潜水器所需的液压层面的技术。以此为基础,给出了国内外深海潜水器液压技术的发展现状,包括水液压技术在海洋工程领域的应用。总结了面向深海潜水器液压技术的研究重点问题,为我国全海深潜水器的研究与设计提供帮助与参考。

关键词: 深海潜水器; 液压技术; 海洋工程; 深渊科学
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)02-0042-05
The Development of Hydraulic Technology for Deep-sea Submersibles
LV Chao1, CUI Wei-cheng2, LIU Shuang1, GUO Wei2
1. College of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306
2. Deep-sea Scientific Research Center, Shanghai 201306
Abstract

The development of deep-sea submersible technology is promoted in China by the successful design of JiaoLong. The basic function of deep-sea submersibles is introduced and hydraulic technology of a deep-sea submersible is summarized. On this basis, the deep-sea submersibles hydraulic technology development situation is presented at home and abroad, and the water hydraulic technology application in the field of ocean engineering is included. The key research question of deep-sea submersibles hydraulic technology is summarized, the reference is provided for the research and design of marine engineering equipment and deep-sea submersibles.

Key words: deep-sea submersibles; hydraulic technology; ocean engineering; hadal science
引言

在深海复杂海洋环境下, 深海载人潜水器能够承载科学工作者与各种监测装置、特种设备进行监测考察以及深海搜救捕捞等, 是开发和利用深海资源的重要技术手段。目前, 世界上主要的深海载人潜水器包括:美国的“ ALVIN” 号、法国的“ NAUTILE” 号、日本的“ SHINKAI 6500” 号、俄罗斯的“ MirⅠ ” 和“ MirⅡ ” 等多种[1]。中国的“ 蛟龙号” 目前已能到达7000 m的下潜深度。2012年美国人詹姆斯· 卡梅隆驾驶“ 深海挑战者” 号潜水器到达地球上最深的马里亚纳海沟沟底, 创造了海洋深潜记录, 到达了深海沟底部的“ 超深渊带” , 揭开各国进入深渊科学(深渊科学是研究海洋深处的自然现象、性质及其变化规律, 以及与开发利用海洋有关的知识体系)研究领域的序幕[2]

深渊科学的研究对象是垂直深度为6500~11000 m的深部海洋, 包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于深渊中的生物、海底沉积和海底岩石圈等, 该学科目前正逐渐形成深渊生物学、深渊生态学和深渊地质学等研究领域。鉴于液压技术的优势特点, 使得液压技术在海洋工程装备以及海洋开发机器上应用较为广泛, 同时深海潜水器是深海科学与深渊科学研究的重要依托设备, 而其组成部分及功能有赖于液压技术[3]。基于此, 分析总结了国内外深海潜水器液压技术的发展现状, 为我国全海深载人潜水器研究与设计提供帮助与参考。

1 深海潜水器设计过程及其功能组成

通过潜水器设计过程以及其功能组成, 能够总结出液压技术在潜水器中的应用范围。潜水器设计过程主要包括[4]:

(1) 设计时初期考虑的因素包括质量特征、部分相对质量比的确定, 潜水器功能组成, 可分为:压载浮力调节系统、外部耐压系统、生命支持系统、浮力特征以及常用材料选择等;

(2) 潜水器方案设计包括:艇型选择、能源与动力选择、推进装置选择、总布置规划、排水量计算以及性能计算等;

(3) 潜水器结构设计包括:耐压结构、轻外壳与机构防腐设计;

(4) 潜水器操纵与控制设计包括:操纵性与运动控制方法设计;

(5) 潜水器水下导航系统设计包括:导航传感器、推算导航设计等;

(6) 潜水器设备与系统设计包括:压载与浮力调节系统设计、液压系统设计、水下机械手与作业工具、吊放回收系统以及生命支持系统设计。

液压技术在潜水器的应用包括:设备前进和升降液马达推进器、液压舵机、随动机械手、载人潜水器舱室的启闭装置以及其他装置[5]。结合潜水器设计过程, 可以得出潜水器的基本功能组成一般包括:压载浮力调节系统、外部耐压系统、生命支持系统、控制系统、通讯系统以及供科研使用的设备系统。潜水器液压系统一般装在耐压壳体的外面, 处于受外压和有腐蚀的工作环境, 与其他应用相对比深潜器液压系统有些特定的要求, 主要包括:各部件承受工作水深的海水外压、密封性与液压油润滑性、压力补偿装置、液压油压缩率温度液体系统随机动态变化的影响、耐腐性尺寸小质量轻以及易于更换保养[6]。液压技术在深潜器的应用包括:液压机械手、浮力和纵倾调节系统、液压推进、作业装置、平衡装置液压、应急抛载等几个方面。

2 深海潜水器液压技术研究概况
2.1 基于油压的潜水器液压技术研究概况

中国船舶科学研究中心以深海载人潜水器为研究对象, 针对潜水器内液压系统应用几个方面进行了介绍, 并给出原理图, 探讨了液压密封问题以及液压补偿问题, 具有一定的参考价值, 并对可调压载系统进行了分析与研究[7]。中国科学院沈阳自动化研究所以ROV为研究对象, 给出设备液压系统示意图, 并给出了包括油源系统、推进器液压伺服控制系统、水下机械手液压系统, 以及水下主从液压机械手控制系统的原理, 具有一定的参考价值[8]

浙江大学针对深海液压系统的应用特点, 为了达到深海液压系统使用要求, 采用真空注油和高压注油相结合的方法, 配合过滤、除水、除气等功能, 设计出一套深海液压系统专用注油装置[9]。西南交通大学针对液压源动力元件及设备展开研究, 给出了直浸式直流无刷电机以及相应设备的研究概况, 并对深海液压变量泵用放大器以及深海电液比例液压源件进行了研究[10]。美国(PERRY)公司开发了深海大于3000 m级别的不同功率油压液压泵的油压驱动设备[11]。潜器外置设备与水下作业工具液压系统压力补偿问题各国都展开了研究, 国外包括美国的Tecnadyne、mechanical engineering Group、OSEL公司、苏格兰Hydrovision Limited和All oceans engineering Ltd公司等都对水下施工设备与水下机器人的压力补偿器进行了研制[12, 13]

国内哈尔滨工程大学在水下作业工具用液压系统的压力补偿方面做了大量的工作, 解决了深水压力补偿系统的研究。浙江大学对潜器外置设备以及水下机器人液压系统补偿问题进行了研究, 提出了海水环境压力补偿器装置设计方法[14]。华中科技大学针对深海模拟环境中液压水下机械手的仿真进行了研究, 验证了机械手的控制方法的有效性[15]。中国石油大学针对深海水下分离器液控系统进行了研究, 给出总体设计, 并采用仿真的方法对定压输出减压阀和换向阀进行了研究, 得出减压阀可以保证液压油压力的稳定, 换向阀换向动作迅速, 输出流量大, 能够及时进行换向的结论[16]。中国船舶科学研究中心在国家863计划支撑下, 对7000 m深海液压系统进行了研究设计开发, 系统主要技术要求为:深海7000 m工作环境、21 MPa 工作压力、4.5 L/min 工作流量, 直流供电并具有输入输出管系自动压力补偿功能, 构建系统液压系统图, 并对系统进行元件选择配合进行了系统集成以及系统试验, 结果可靠[17]

中国科学院沈阳自动化研究所和中航工业南京机电研究所的国家863计划— — 深海潜水器作业工具、通用部件与作业技术7000 m主、从伺服液压机械手, 该机械手能够完成7种功能, 并在无锡进行了深海7000 m压力功能试验, 整个试验过程机械手动作平稳可靠, 能正确完成预定任务, 填补国内空白[18]。海军潜艇学院对潜器液压管路噪声分析与控制进行了研究, 分析了潜艇液压系统管路振动与噪声产生的原因, 并从机械和流体动力噪声两个源头入手, 提出控制管路振动与噪声的方法, 较好地达到部分减振降噪的目的, 但是更好的方法有待进一步研究[19]。中海油研究总院与中国石油大学, 针对深水连接器与ROV联合作业机构进行了研究, 以设计适用于深水环境并能满足水平连接器工作需求的液压系统为目的, 采用双干路差动式液压设计的方法, 构建液压系统的控制流程和原理图, 并对液压系统进行了功能性仿真, 验证了该液压系统应用于深水水平连接器的可行性[20]

借助经典液压技术, 基于油压的液压技术在潜水器中的研究取得了大量成果, 而基于水压的(纯水、海水)液压技术由于具有独特优势, 而被得到重视, 尝试研究应用于深水工程、海洋工程、船舶工程以及潜水器装备中。

2.2 基于水压的潜水器液压技术研究概况

以液压油为工作介质的水下液压系统采用和常规液压系统相同的工作介质, 然而由于液压系统工作在海水环境中, 因此除了具有与常规液压系统相同的优势外, 还有其自身的特点。近年来, 随着工程材料、摩擦学、润滑理论、计算技术的发展, 基于水压的液压技术得到了发展, 国内外学者都进行了研究, 包括水液压泵、水液压控制阀等多项技术都得到了发展[21, 22]

海水液压技术在潜水器中的应用也得到了发展, 国内华中科技大学对海水液压水下作业工具展开了研究, 并研制一套基于海水液压的水下作业工具:链锯、钻孔器、冲击钻以及钢缆切割器等[23, 24]。大功率、大流量高压海水泵是深海潜水器有待研究的重点设备, 具有性能良好的高压海水泵对于深海潜水器具有重要作用, 不但能减轻重量, 而且使潜水器可以在任何深度实现均衡。国外一些厂商已有研制的包括:1988 年英国Fenner公司研制出压力分别为14 MPa的海水液压泵和马达; 芬兰Hytar Oy公司研制的最高输出压力可达21 MPa的Hytar Oy 海水液压泵; 德国研制的Hauhinco 海水液压泵可达32 MPa; 日本研制的Komatsu 海水液压泵与Kayaba 海水液压泵可达21 MPa; 1994 年与丹麦理工大学(DTU)合作研制Nessie 系列纯水液压泵、马达及其他产品[25, 26, 27, 28]。但是距离深海潜水器所要求的还有待进一步研究与制造。

中国船舶科学研究中心针对海水液压技术在潜水器上的应用现状进行了总结分析, 指出了包括美国的“ ALVIN” 号、法国的“ NAUTILE” 号、日本的“ SHINKAI 6500” 号、俄罗斯的“ MirⅠ ” 和“ MirⅡ ” 等潜水器中海水液压技术的应用, 主要用于实现浮力调节系统与海水泵, 而我国“ 蛟龙号” 采用的海水泵由俄罗斯联合生产体研制的最高可达72 MPa下的流量可达3 L/min[29, 30]。华中科技大学在国家863计划支撑下, 针对4500 m级深潜器的要求, 开展了浮力调节超高压海水泵的研究。在48 MPa时为5.7 L/min容积效率为91%, 机械效率为90%, 目前海水液压技术在深海潜水器中的应用主要包括浮力调节系统、水下作业工具以及高压海水泵几个方面[31, 32]。浮力调节系统是深海潜水器的重要功能部分, 华中科技大学进一步对潜水器基于海水液压浮力调节系统进行研究, 完成一种海水液压浮力调节系统的设计与系统核心部件的研制, 并对该系统进行了模拟试验研究, 结果表明符合设计要求[33]

基于水压技术由于存在大泄漏和摩擦力, 因此稳态误差与超调整问题是液压系统控制有待解决的问题。有学者针对稳态相应以及PID控制方法等展开研究, 达到一定效果[34, 35]。有学者采用小波分析振动与神经网络的方法, 对水液压系统及其元件的故障诊断展开研究[36]。有学者对水液压系统中的轴承元件与密封性展开研究, 表明承载力与供能压力以及材料弹性模量都有关系[37]。有学者针对元件材料耐磨性特点, 对包括金属、高分子以及复合材料在内的元件材料耐磨性展开研究, 提出了陶瓷增韧纳米材料[38]

浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室针对深海水下液压环境压力补偿结构问题展开研究, 介绍了常用结构与工作原理, 指出旋转轴动密封和运动软管老化是影响其长期耐久性服役的两大核心风险问题, 在此基础上, 介绍了远程液压源、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, 并认为廉价、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, 但在技术成熟度上尚有一段路要走[39, 40]

3 深海潜水器液压研究的重点问题

通过上述研究现状的分析, 可见深海潜水器液压技术的研究取得了大量的成果。深海潜水器液压系统一般装在耐压壳体的外面, 处于受外压和有腐蚀的工作环境, 因此有其特殊性要求。无论是基于水压或是油压都需要实现深海潜水器中的如下功能:推进系统、作业装置与工具(机械手等)、平衡装置(可调压载浮力调节系统与纵倾平衡调节系统)、应急抛载液压系统。以我国成功研制的“ 蛟龙号” 深海潜水器为例, 液压系统采用基于油压的液压技术, 大部分系统与元件都来自国外协助完成。基于海水液压技术在“ 蛟龙” 号上还没有应用。因此, 基于油压与水压的深海潜水器液压技术的研究还需要一下几点内容的进步与提升:

(1) 适用于全海深的大功率、大流量高压海水泵、阀及其相关元件的研制;

(2) 适合深海作业服役环境的液压系统关键元件的研究与制造技术;

(3) 基于海水液压技术及其元件, 采用相应技术如何提高其耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳特性等性征;

(4) 超深海作业深度下, 液压系统渗漏问题有待进一步解决;

(5) 由于深海潜水器布局规划与尺寸有限, 因此如何降低液压系统与元件的重量、减少尺寸与制造维护成本是需要研究的问题;

(6) 对于载人潜水器来说, 在潜器内构建基于液压动力源的小巧型厕所, 尚不见文献研究;

(7) 全海深潜水器液压系统的密封与压力补偿技术有待加强。

4 结论

海洋科技发展至今, 深海潜水器越来越体现出其重要性, 而液压技术在深海潜水器组成中占有重要地位。首先给出了潜水器设计过程与功能组成, 分析了在深海潜水器中需要液压技术的功能模块, 在此基础上, 讨论基于油压与水压的液压技术在潜水器中的应用研究状况, 分析了包括潜器液压推进系统、水下作业工具、机械手、潜器液压系统、浮力调节系统及元件、压力补偿器、高压海水泵、泄漏密封、故障诊断与控制技术以及材料等方面的研究现状概况, 并总结了深海潜水器液压技术有待进一步研究解决的重点问题。为全海深载人潜水器液压系统设计、液压元件研制以及深海工程装备的研究提供帮助与参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

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