深海液壓動(dòng)力源發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

曹學(xué)鵬，王曉娟，鄧斌，柯堅(jiān)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

深海液壓動(dòng)力源發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

曹學(xué)鵬，王曉娟，鄧斌，柯堅(jiān)

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

通過對電力、氣壓、液壓深海動(dòng)力源進(jìn)行比較，重點(diǎn)論述了深海液壓動(dòng)力源的兩種類型：油壓驅(qū)動(dòng)和水壓驅(qū)動(dòng)，概括了各自的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。介紹了深海驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及一種直浸式深海直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)實(shí)例。液壓源是深海動(dòng)力源的主要部件之一，分別從油壓和水壓兩方面介紹了其國內(nèi)外發(fā)展概況。油壓驅(qū)動(dòng)主要以閉式集成液壓動(dòng)力源為例，并介紹了液容、液感兩種儲(chǔ)存壓力能的驅(qū)動(dòng)方式。海水液壓驅(qū)動(dòng)由于其節(jié)能、不燃燒、無污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋領(lǐng)域。最后，分別就油壓和水壓驅(qū)動(dòng)兩方面總結(jié)了深海液壓動(dòng)力源研究的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

深海液壓動(dòng)力源；深海電機(jī)；油壓驅(qū)動(dòng)；水壓驅(qū)動(dòng)

Abstract:It lays great emphasis on two types of deep-sea hydraulic power source which are oil hydraulic driving and water hydraulic driving by comparing several deep-sea power sources of electric driving,pressure driving and hydraulic driving.Then it summarizes the characteristics and application of the two types of hydraulic power source.It also introduces the construction of the deep-sea motor and a prototype of Direct Immersion Motor.Hydraulic source is one of the main parts of deep-sea power source.The writer introduces the development situation of oil hydraulic and sea-water hydraulic respectively at home and abroad.For oil hydraulic drive,it takes a closed integration hydraulic power source as an example and introduces the deep-sea liquid-capacity nonstop and deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power source.Sea-water hydraulic drive is used in sea field widely because of the characteristics of energy-saving,non-combustion,on-pollution and so on.In the end,it concludes several key technical matters of deep-sea hydraulic power research in the oil hydraulic drive and the sea-water hydraulic drive.

Keywords:deep-sea hydraulic power source; deep-sea motor; oil hydraulic drive; water hydraulic drive

世界上海洋面積覆蓋了地球表面積的三分之二以上，它蘊(yùn)藏著豐富的生物資源和礦產(chǎn)資源[1]。隨著海洋工程、遠(yuǎn)海石油開采、深海采礦等技術(shù)的不斷發(fā)展，各種水下機(jī)器人、深潛器等深海探測設(shè)備得以迅猛發(fā)展，海洋探索也逐漸從淺海走向深海。

深海是指海水深度大于3 000 m的海層。在這一海層，鹽度很大，在3.3%～3.5%左右，海水溫度為1.5℃，每下潛10 m就增加1個(gè)大氣壓[2]，由此推知，深海3 000 m以下，海水周圍壓力高達(dá)30 MPa以上。在這種工況下，高鹽度海水對深海液壓設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性；低溫高壓對液壓介質(zhì)的性能及控制系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生影響。因此，深海探測設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用面臨很多技術(shù)難題。深海動(dòng)力源作為深海探測設(shè)備系統(tǒng)的心臟，對系統(tǒng)性能和可靠性有巨大的影響。

基于上述背景，筆者重點(diǎn)探討和分析深海液壓動(dòng)力源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 深海液壓動(dòng)力源概述

動(dòng)力源采用的驅(qū)動(dòng)方式是決定深海作業(yè)工具性能好壞的一個(gè)關(guān)鍵因素。通常，深海動(dòng)力源有三種驅(qū)動(dòng)方式[3]，分別為電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。

電力驅(qū)動(dòng)對系統(tǒng)的絕緣性要求很高，并需要嚴(yán)格的防漏電保護(hù)措施。需要配置變速裝置來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)各種作業(yè)工況，使其體積龐大、功率質(zhì)量比小。此外海水進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)易引起系統(tǒng)故障，工作可靠性差?；谶@些原因，電力驅(qū)動(dòng)在水下作業(yè)工具中一般較少使用。

氣壓驅(qū)動(dòng)是利用壓縮空氣做功來驅(qū)動(dòng)設(shè)備。由于壓縮空氣做功后直接在水中排放，因而噪音大。海水滲入氣動(dòng)元件會(huì)降低氣動(dòng)元件的可靠性，大大縮短使用壽命。應(yīng)用的水深一般較淺(＜30 m)，加上其效率低、重量大、可靠性差等缺點(diǎn)也逐漸被淘汰。

液壓驅(qū)動(dòng)是目前國際上研究和使用的最廣泛的方式，也是未來水下作業(yè)工具動(dòng)力源的發(fā)展方向。根據(jù)不同的分類依據(jù)有以下幾種類型。

(1)按液壓設(shè)備工作介質(zhì)不同分為油壓驅(qū)動(dòng)和海水液壓驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍見表1。

表1 液壓驅(qū)動(dòng)按工作介質(zhì)分類Tab.1 Hydraulic drive classified by work medium

(2)按布置方式不同，又可分為閉式和開式兩種[5]。閉式布置是指泵、電機(jī)、各種溢流閥、傳感器設(shè)于泵箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)較緊湊，一般輸出功率小于40 kW。開式布置是指泵直接暴露于海水中,與水中的管路、油箱、閥塊等相連，結(jié)構(gòu)較寬松。這時(shí)，動(dòng)力源輸出功率通常大于 40 kW時(shí),低溫的海水便成為發(fā)熱較快的泵和電機(jī)的天然冷卻劑，但泵、電機(jī)等表面要進(jìn)行特殊處理,以防海水的腐蝕。

2 深海液壓動(dòng)力源主要部件的研究概況

深海液壓動(dòng)力源的主要部件包括深海電機(jī)和深海泵、蓄能器等深海液壓源設(shè)備。由于海洋低溫高壓等特殊環(huán)境，使得深海動(dòng)力源部件與陸地使用的設(shè)備有很大區(qū)別。

2.1 深海驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.1.1 深海電機(jī)結(jié)構(gòu)概述 深海電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)液壓泵動(dòng)作，通過深海電纜或電池供電，供電電壓從幾十伏到幾千伏，功率從幾百瓦到一百多千瓦。

深海電機(jī)的形式一般包括：a)封閉承壓式。它將交流或直流電機(jī)裝在一個(gè)封閉罩中，在電機(jī)的輸出軸處加密封裝置。雖然這種結(jié)構(gòu)可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的電機(jī)，但電機(jī)輸出軸處的動(dòng)密封屬于外高壓旋轉(zhuǎn)密封，稍有泄漏都會(huì)對電機(jī)造成致命損害。另外，外罩還須承受的很高的環(huán)境壓力，導(dǎo)致電機(jī)體重量大大增加。b)壓力平衡式。其特征是電機(jī)的定子或整個(gè)電機(jī)置于一個(gè)密封體中，電機(jī)密封體外有一個(gè)在壓力下很容易變形的容器(通常是一個(gè)橡皮囊，也可以用薄的金屬和塑料制成)，稱為壓力補(bǔ)償器，通過它把外部壓力傳遞給電機(jī)殼內(nèi)的液體，這樣電機(jī)動(dòng)密封圈兩側(cè)的內(nèi)外壓差很小(＜0.3 MPa)，比傳統(tǒng)的方法更容易密封。

深海電機(jī)一般采用無刷直流電機(jī)充油改造完成[6,7]。因?yàn)槠胀ㄖ绷麟姍C(jī)因電刷存在，使得換向時(shí)易產(chǎn)生火花導(dǎo)致補(bǔ)償油碳化，造成電機(jī)轉(zhuǎn)子短路，進(jìn)而引起電機(jī)損壞,不適合充油，其密封只能采用承壓方式。因此體積重量大，系統(tǒng)使用的海水深度有限，密封不可靠，這就使得直流有刷電機(jī)難以應(yīng)用在深海液壓系統(tǒng)中。近年來使用較多的直浸式充液直流無刷電機(jī)既可以在油液中使用，也可以直接放在海水中使用，不僅具有壓力自適應(yīng)性，同時(shí)還具有：無火花、無機(jī)械摩擦、壽命長；轉(zhuǎn)速高、速度轉(zhuǎn)矩特性好、起動(dòng)時(shí)間短；在整機(jī)中對其它電子元件及電器不產(chǎn)生電干擾；效率高、節(jié)能、性能穩(wěn)定可靠；重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 一種直浸式深海直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)[8]以西南交通大學(xué)負(fù)責(zé)開發(fā)的深海3 000 m級節(jié)能型集成液壓動(dòng)力源中的5 kW直浸式充液無刷直流電機(jī)為例加以說明。結(jié)構(gòu)圖和樣機(jī)分別見圖 1，圖 2。其結(jié)構(gòu)組成與工作原理和陸用無刷直流電機(jī)相似，主要差異表現(xiàn)為機(jī)殼3內(nèi)充滿絕緣油5，電器元件為耐環(huán)境高壓的霍爾元件 9，并通過水密接插件 4與外部驅(qū)動(dòng)控制器；此外尾部設(shè)有一個(gè)平衡內(nèi)外壓力的壓力補(bǔ)償器10，旋轉(zhuǎn)軸7處有一的動(dòng)密封圈8。

圖1 直浸式電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖（1.定子2.轉(zhuǎn)子3.機(jī)殼4.水密接插件5.絕緣油圖2直浸式電機(jī)樣機(jī)6.軸承7.軸8.密封件9.霍爾元件10.壓力補(bǔ)償器）Fig.1 Structure diagram of direct immersion motor

圖2 直浸式電機(jī)樣機(jī)Fig.2 Prototype of direct immersion motor

2.2 深海液壓源設(shè)備

深海液壓源設(shè)備主要指深海泵、蓄能器等設(shè)備。根據(jù)其使用的工作介質(zhì)不同，分為油壓驅(qū)動(dòng)和海水液壓驅(qū)動(dòng)兩種。油壓驅(qū)動(dòng)的技術(shù)相對比較成熟，應(yīng)用于很多水下作業(yè)工具。海水液壓驅(qū)動(dòng)雖然有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但是由于存在泄漏、摩擦、腐蝕等技術(shù)問題，且海水液壓元件的價(jià)格相對昂貴，還有很大的研究發(fā)展空間，是未來液壓技術(shù)發(fā)展的重要方向。

2.2.1 深海油壓驅(qū)動(dòng)國內(nèi)外發(fā)展概況

2.2.1.1 利用液壓泵的油壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備 這種結(jié)構(gòu)是依靠深海電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，并通過溢流閥、各種傳感器來控制系統(tǒng)，且?guī)в邢鄳?yīng)的壓力補(bǔ)償裝置。

國外油壓源領(lǐng)域的典型代表之一是美國佩里(PERRY)公司。該公司先后開發(fā)了深海3 000 m級的不同功率的液壓動(dòng)力源[9]（見圖3）。該動(dòng)力源為油壓驅(qū)動(dòng)閉式布置結(jié)構(gòu)，電機(jī)1和恒壓液壓泵采用通軸聯(lián)接的方式，省去了聯(lián)軸器部分。一個(gè)密閉的圓柱形儲(chǔ)油器2將泵、溢流閥、自動(dòng)液壓柔性開啟閥、溫度傳感器、系統(tǒng)壓力變送器、儲(chǔ)油器容積傳感器、液壓系統(tǒng)進(jìn)水檢測器等封裝其中。外部的壓力補(bǔ)償單元3維持儲(chǔ)油器內(nèi)公稱壓力高于周圍環(huán)境壓力0.3 bar。電機(jī)則獨(dú)自封裝并采用單獨(dú)的壓力補(bǔ)償裝置。

圖3 佩里（PERRY）公司深海液壓源（1.電機(jī)2.圓柱形儲(chǔ)油器3.壓力補(bǔ)償單元）Fig.3 Perry hydraulic power pack

國內(nèi)，四川海洋特種技術(shù)研究所開發(fā)了6 000 m深海液壓工作站[10]，由深海電機(jī)、閥門、泵、馬達(dá)等組成液壓動(dòng)力源系統(tǒng)。該工作站的工作壓力達(dá)63 MPa，電機(jī)動(dòng)力為 100 W～10 KW，液壓流量為0.1～10 L/min。該工作站雖然水深可達(dá)6 000 m，但是采用定量泵控制系統(tǒng)，不節(jié)能、供油量小、驅(qū)動(dòng)效率也較低。

2006年開始，在國家863項(xiàng)目資助下，西南交通大學(xué)、四川海洋特種技術(shù)研究所共同研究開發(fā)了深海3 000 m節(jié)能型集成液壓動(dòng)力源[11]。該動(dòng)力源在結(jié)構(gòu)上高度集成，解決了已有動(dòng)力源外形尺寸大的問題，且控制便捷穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊簡單。液壓源變量泵采用流量、壓力雙電液比例閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)按需供能，可有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。系統(tǒng)最大輸出壓力達(dá) 21 MPa，最大輸出流量 52.5 L/min，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)還針對目前大多數(shù)陸用傳感器無法承受深海3 000米的環(huán)境高壓，提出了一種雙壓力傳感器動(dòng)態(tài)差動(dòng)自適應(yīng)技術(shù)。即將兩個(gè)型號完全一樣的壓力傳感器置于承壓殼中，采用一個(gè)壓力傳感器檢測液壓源的出口壓力，另一個(gè)壓力傳感器來檢測海水的環(huán)境壓力，然后將二者相應(yīng)的壓力電信號通過一個(gè)設(shè)計(jì)開發(fā)的差動(dòng)放大器，經(jīng)比較零位調(diào)節(jié)、比較、放大及后級匹配后，輸出給閉環(huán)放大器，這樣即可實(shí)現(xiàn)大深度范圍的自適應(yīng)壓力控制。

圖4 深海集成液壓動(dòng)力源結(jié)構(gòu)圖（1.電機(jī)壓力補(bǔ)償器；2.儲(chǔ)油器；3.無刷直流電機(jī)；4.液壓接口；5.角度傳感器；6.高壓密封；7.柱塞泵；8.控制閥；9.儲(chǔ)油器補(bǔ)償單元；10.壓力傳感器；11.泵差動(dòng)放大器；12.電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器；13.高壓艙；14.接插件及電纜）Fig.4 Structure diagram of deep-sea integral hydraulic power source

另外，中國科學(xué)院海洋研究所在水密耐壓艙體也有一定的研究成果[12]。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所成功研制一種水下直流無刷充油電機(jī)結(jié)構(gòu)[13]，但大多只局限于液壓動(dòng)力源的某一單部件的研究，深海集成液壓動(dòng)力源還需做進(jìn)一步的深入研究。

2.2.1.2 利用儲(chǔ)存壓力能的油壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備 電機(jī)控制的液壓設(shè)備在失電情況下可能會(huì)導(dǎo)致水下作業(yè)系統(tǒng)故障，為此，浙江大學(xué)于 2002年研制成功液感型[14]和液容型[15]兩種深海水下液壓系統(tǒng)不間斷液壓源(分別見圖5、圖6)。主要優(yōu)點(diǎn)是在深海水下失去動(dòng)力源、甚至失去全部供電的情況下仍然可以完成所有必須的液壓應(yīng)急動(dòng)作。前者液壓源起動(dòng)時(shí)，為高速液壓馬達(dá)和飛輪儲(chǔ)存應(yīng)急情況下所需的能量。正常工作時(shí)，馬達(dá)和飛輪可確保供油流量的連續(xù)性和平穩(wěn)性。液壓源突然失壓時(shí)，電磁換向閥切斷，由于飛輪的大慣性，馬達(dá)的流量不能突變，因而仍有相當(dāng)流量通過液壓馬達(dá)流向負(fù)載，供液壓系統(tǒng)完成所有必需的液壓應(yīng)急動(dòng)作。后者主要由1～n個(gè)預(yù)充壓力不等的蓄能器并聯(lián)構(gòu)成并接在液壓源A上。水深不同，不同預(yù)充壓力的蓄能器受壓程度也不同，釋放的流量也不同。因此只要選擇合適的預(yù)充壓力組合，無論水深如何，該液壓源總能釋放出比較可觀的流量，完成所有必需的液壓應(yīng)急動(dòng)作。

圖5 液感型深海水下液壓系統(tǒng)不間斷液壓源圖Fig.5 Deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power

圖6 液容型深海水下液壓系統(tǒng)不間斷液壓源Fig.6 Deep-sea liquid-capacity nonstop hydraulic power

2.2.2 海水液壓驅(qū)動(dòng)國內(nèi)外發(fā)展概況 由于海水液壓技術(shù)在環(huán)保、節(jié)能等方面表現(xiàn)出的優(yōu)越性，越來越受到國內(nèi)外液壓技術(shù)領(lǐng)域的重視。以下主要介紹一些國家在海水液壓技術(shù)領(lǐng)域的研究概況。

a)美國：1967年，Vickers公司的J P Ryan發(fā)表了有關(guān)高壓海水泵材料研究情況的報(bào)告，這被認(rèn)為是現(xiàn)代海水液壓傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域最早的一篇文獻(xiàn)。1980年，美國海軍工程實(shí)驗(yàn)室研制出海水葉片馬達(dá)[16,17]。隨后在1984年研制出了系統(tǒng)壓力為14.0 MPa、流量為 45 L/min的海水液壓系統(tǒng)。1988年，美國ISTIDelaware公司與Delaware大學(xué)合作成功研制壓力為6.2 MPa，流量為19 L/min，容積效率在2 600小時(shí)內(nèi)長期穩(wěn)定在 92%～95%的閥配流式海水柱塞泵[18]。

b)日本：川崎重工技術(shù)研究所于1983年研制成功閥配流軸向柱塞式海水泵，壓力達(dá)63.0 MPa，流量6～9 L/min，轉(zhuǎn)速2 000～3 000 r/min，重量40 kg。1987年，日本在改進(jìn)上述泵的基礎(chǔ)上，研制出用在6 500 m深潛調(diào)查船上的海水柱塞泵，工作壓力達(dá)68.5 MPa，流量5 L/min，工作壽命200 hrs，重量51.5 kg[19]。小松(Komatsu)制作所于1991年研制出端面配流軸向柱塞式海水液壓泵[20,21]。該泵采用球面配流盤，前、后滑動(dòng)軸承均開有螺旋槽，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓潤滑，配流盤和滑靴均采用靜壓支承，而且主軸可以承受軸向力的作用。小松海水液壓泵結(jié)構(gòu)緊湊，單位重量功率(比功率)大，效率高，反映出了目前國際海水液壓泵的研究水平。日本萱場(kayaba)工業(yè)(株)1989年與法國 BronzaviaAir-equipment公司合作，研制出閥配流軸向柱塞式海水液壓泵。該泵的最大工作壓力達(dá)21 MPa，容積效率超過85%，機(jī)械效率超過90%[22]。

c)國外另有許多國家在海水泵研發(fā)方面取得成果。例如1988年Fenner公司研制出壓力分別為14 MPa和10 MPa的海水液壓泵和馬達(dá)，并用于海洋水下作業(yè)工具系統(tǒng)和海底石油天然氣井口啟閉自給控制系統(tǒng)[23]。德國Hauhinco公司在1995年研制出了壓力可達(dá)32 MPa、流量從20～700 L/min共5個(gè)系列的海水液壓泵。并用于海底管道鋪設(shè)及維護(hù)系統(tǒng)等海洋開發(fā)機(jī)械設(shè)備[24]。芬蘭HytarOy公司和Tamper理工大學(xué)等在 1994年參與歐洲尤里卡(EUREKA)計(jì)劃，合作研究開發(fā)海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，主要用于驅(qū)動(dòng)海洋水下作業(yè)工具。HytarOy海水液壓泵有7個(gè)柱塞，更換兩個(gè)零件即可獲得不同的排量,而且結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、壓力脈動(dòng)小，并可以作為馬達(dá)使用，容積效率超過92%。已用于海洋水下作業(yè)工具便攜式動(dòng)力源[25]。

d)中國：華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）從1990年開始，率先在國內(nèi)開展海水液壓傳動(dòng)技術(shù)的研究，于1992年開發(fā)研制出工作壓力3.5 MPa的單柱塞海水液壓泵，1996年研制出工作壓力3.5 MPa、最高壓力6.3 MPa、流量100 L/min的軸向柱塞式海水液壓泵，并交付海軍使用[26,27]。2002年初研制出工作壓力10 MPa，轉(zhuǎn)速1 000 r/min、流量40 L/min、容積效率85%、總效率達(dá)71%的油水分離式中高壓海水液壓柱塞泵。2003年 9月又研制出工作壓力14 MPa、流量40 L/min的軸向柱塞式海(淡)水液壓泵，并通過教育部科技司和有關(guān)主管部門的鑒定。

西南交通大學(xué)于 2000年研制出了壓力16 MPa、效率高達(dá)94%的淡/海水兩用軸向柱塞泵，并獲得了國家專利[28]。此外，浙江大學(xué)、昆明工學(xué)院等院校也開展了水壓傳動(dòng)元件與技術(shù)的研究[29]。

3 深海液壓動(dòng)力源的關(guān)鍵技術(shù)

深海層具有鹽度高、溫度低、壓力大等特點(diǎn)，且海底能見度極低，環(huán)境非常惡劣?；谝陨系墓r，液壓設(shè)備都必需采取相應(yīng)的措施來克服以上難題。

3.1 油壓源需攻克的問題[30]

a)液壓設(shè)備內(nèi)部必須有能夠平衡外部深水壓力的機(jī)構(gòu)。為了防止海水浸入,用彈簧使內(nèi)部壓力略高于深水壓力。

b)宜采用變量泵控制系統(tǒng)，動(dòng)力源可根據(jù)負(fù)載需求控制變量泵，這樣即可提高系統(tǒng)效率，又可滿足負(fù)載變化的要求，并且達(dá)到節(jié)能的目的。

c)為了保證泵低溫高壓下有足夠的自吸能力，宜選用低粘度工作介質(zhì)，但須充分考慮泄漏和潤滑功能。

d)為減小液壓源的外形尺寸，減輕重量，可將泵和電機(jī)、各種液壓閥、傳感器等集成裝配，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。

e)耐腐蝕性強(qiáng)，并且互換性、通用性強(qiáng)，便于安裝、檢修。

3.2 海水液壓源需攻克的問題[31-33]

a)摩擦學(xué)問題由于海水的黏度低、潤滑性能差，摩擦副對偶面難以形成液體潤滑膜，也不能形成良好強(qiáng)度的邊界膜，很容易產(chǎn)生干摩擦，加劇磨損。另外受海水強(qiáng)烈的腐蝕作用，摩擦副表面材料會(huì)脆化，材料的疲勞強(qiáng)度會(huì)降低，在摩擦的作用下脆化層會(huì)很快剝落，從而加速磨損。因此，海水液壓元件將面臨嚴(yán)重的摩擦磨損問題。

b)泄漏問題在同等壓力、間隙量的條件下，海水的泄漏量是油的10～20倍。根據(jù)流體力學(xué)理論，環(huán)形縫隙在層流條件下的流量與間隙量的立方成正比。因此減少配合偶件間的間隙量可以大大減少泄漏量，提高工作效率，但過小的配合間隙勢必大大增加加工成本；另一方面海水的潤滑性能很差，過小的間隙會(huì)使偶件間的摩擦力增加，降低了工作效率，因此需要確定液壓元件合理的配合間隙以減小泄漏和摩擦。現(xiàn)今對液壓泵對偶摩擦副材料選擇要求也比油壓泵高，主要選用陶瓷/陶瓷、陶瓷/高分子復(fù)合材料或特種耐蝕合金/高分子復(fù)合材料組合，可以有效解決腐蝕、磨損、氣蝕和潤滑等關(guān)鍵技術(shù)問題。

c)氣蝕問題由于海水的飽和蒸氣壓比油的高，從理論上講，海水液壓系統(tǒng)容易產(chǎn)生氣蝕，將使深海液壓系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的氣蝕破壞，并引起振動(dòng)和噪聲。所有一般采用限制系統(tǒng)溫度以降低介質(zhì)中的氣體溶解度、提高液壓泵的吸入壓力等措施來減小和消除氣蝕現(xiàn)象。

d)雜質(zhì)污染、材料腐蝕老化問題海水極易引發(fā)液壓元件銹蝕老化，如：化學(xué)、電化學(xué)及微生物腐蝕等。腐蝕不僅會(huì)降低材料強(qiáng)度，還會(huì)與摩擦磨損相互作用，加劇元件摩擦副表面的摩擦與磨損，導(dǎo)致元件的性能和壽命降低。因此，需著力于材料學(xué)、微生物學(xué)等多門學(xué)科的綜合來解決此類技術(shù)難題。

4 結(jié) 語

我國海洋開發(fā)起步較晚，與世界發(fā)達(dá)國家相比，海洋開發(fā)的整體技術(shù)水平較為落后，特別是深海技術(shù)和設(shè)備開發(fā)方面力量薄弱。為充分開發(fā)領(lǐng)海內(nèi)的資源，同時(shí)利用國際公海的資源，應(yīng)積極地將陸用成熟的油壓技術(shù)應(yīng)用于深海油壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備中，主動(dòng)探索深海極端環(huán)境（如：壓力、溫度、鹽度等）下的相關(guān)液壓技術(shù)和理論，開展油壓動(dòng)力源產(chǎn)品開發(fā)；同時(shí)重視水壓驅(qū)動(dòng)的發(fā)展，探討大深度下水壓動(dòng)力源的成熟技術(shù)，為水下作業(yè)、海洋資源調(diào)查、海洋油氣開采、水下救援、海底采礦等海洋工程的實(shí)施所需的工具和設(shè)備提供必需動(dòng)力支撐。

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The development status and key techniques of deep-sea hydraulic power source

CAO Xue-peng,WANG Xiao-juan,DENG Bin,KE Jian
(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiao Tong University,Chengdu 610031,China)

P751; TH137

A

1001-6932(2010)04-0466-06

2009-11-06；

2009-12-22

曹學(xué)鵬（1982－）男，山西臨縣人，博士研究生，研究方向?yàn)樾滦万?qū)動(dòng)技術(shù)與智能系統(tǒng)。電子郵箱：tiepeng2001@163.com