水下大型接插件密封和分離力測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

引言

目前，深海資源開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)防科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用，這些深海開(kāi)發(fā)所用設(shè)備的先進(jìn)程度是決定開(kāi)發(fā)成果的關(guān)鍵因素，而水下電接插件是這些設(shè)備和裝置中最為常見(jiàn)的器件。水下電接插件作為電接插件的一個(gè)重要分支，其良好性能是所用設(shè)備正常使用的保障。

水下電接插件包括三大基本性能，即機(jī)械性能、電氣性能和環(huán)境性能[1]。機(jī)械性能，就連接功能而言，插拔力是重要的機(jī)械性能；另一個(gè)重要的機(jī)械性能是連接器的機(jī)械壽命。電氣性能， 連接器的主要電氣性能包括接觸電阻、絕緣電阻和抗電強(qiáng)度。環(huán)境性能，常見(jiàn)的環(huán)境性能包括耐壓、耐溫、耐濕、耐鹽霧、振動(dòng)和沖擊等。對(duì)于水下接插件， 隨著水下設(shè)備上浮、下沉、懸浮，外部水壓變化大，要求在壓力劇烈變化的惡劣環(huán)境中密封絕對(duì)可靠，并且分離力必須得到保證[2]。

某研究所開(kāi)發(fā)的水下作業(yè)裝置中有一定制電接插件，設(shè)備檢修時(shí)，該接插件需要在深海作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)脫開(kāi)，所以需要對(duì)所開(kāi)發(fā)的電接插件的密封和分離力進(jìn)行測(cè)試。如果直接進(jìn)行深海試驗(yàn)，成本高、周期長(zhǎng)， 故一般在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)際使用工況。在試驗(yàn)時(shí)通常將水下密封裝置安裝在壓力容器中，控制壓力容器容腔內(nèi)的水壓來(lái)模擬實(shí)際工作環(huán)境中的水壓變化。借鑒文獻(xiàn)[2,3]的思路，開(kāi)發(fā)了一套模擬水壓環(huán)境的電接插件密封和分離力測(cè)試系統(tǒng)。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)組成

1　測(cè)試要求與難點(diǎn)

本研究所提出的密封和分離力測(cè)試系統(tǒng)主要是模擬不同水深環(huán)境下，測(cè)試該接插件的分離力大小和密封情況。所以，首先被測(cè)試件必須被放置在能模擬各種水壓的存水容器中，并且水壓能夠根據(jù)模擬水深來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)；其次測(cè)試過(guò)程中能夠?qū)υ摻硬寮┘永Π言摻硬寮撻_(kāi)，并且能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試脫開(kāi)過(guò)程中的分離力。測(cè)試的主要難點(diǎn)有：

(1) 測(cè)試件必須浸沒(méi)在受壓的水環(huán)境中，如何測(cè)量接插件的受力是一個(gè)難點(diǎn)，并且測(cè)試的精度不能受到水壓的影響；

(2) 加載力在水環(huán)境中如何產(chǎn)生，并且不能受到水環(huán)境的影響。采用力傳感器的方式來(lái)測(cè)試分離力并不可行。因?yàn)榱鞲衅魇峭ㄟ^(guò)應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)測(cè)試，消除水壓對(duì)應(yīng)變片的形變影響很難控制，所以文獻(xiàn)[4]中的方案不適合本系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]給出了液壓加載的方式來(lái)測(cè)試接插件的分離力的方案，但是，其液壓加載裝置和被試件全部放置在水壓模擬裝置中，因此容腔太大，更換測(cè)試件時(shí)，造成換水周期過(guò)長(zhǎng)。本研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，減小了水壓模擬裝置的容積，只需放置被測(cè)試件，并且提出了通過(guò)控制油壓來(lái)控制水壓的環(huán)境模擬方式，這樣采用成熟的液壓控制來(lái)控制水壓，可以大大提高壓力控制精度。

2　系統(tǒng)組成與測(cè)試原理

2.1　系統(tǒng)組成

本研究所提出的測(cè)試裝置如圖1所示，該系統(tǒng)包括水壓模擬裝置、油水混合裝置、加載測(cè)試系統(tǒng)和水壓控制系統(tǒng)。

水壓模擬裝置主要是一個(gè)密封水箱，并有可以安裝接插件的安裝底座，加載油缸伸入到水箱內(nèi)部，油缸活塞桿頭部和接插件用螺紋連接，油缸缸套通過(guò)法蘭盤(pán)與水箱連接，法蘭盤(pán)上裝有O形圈，用于密封。

油水混合裝置是一個(gè)4 L皮囊式蓄能器，把原來(lái)蓄能器中的氮?dú)鈸Q成水，直接和水箱相連。這個(gè)裝置的作用一方面是油水分離，另一方面是在系統(tǒng)中起到壓力傳遞作用。系統(tǒng)中采用該裝置是為了通過(guò)控制油壓來(lái)對(duì)水箱水壓進(jìn)行控制。被控油壓將壓力傳遞給水壓模擬裝置中密封的水，從而達(dá)到控制水壓的目的。當(dāng)該裝置中油壓高于水壓時(shí)，皮囊被壓縮，容積減少，水壓升高，直至皮囊中水壓與外部的油壓相等。

水壓控制系統(tǒng)主要是指油壓控制系統(tǒng)，具體原理在2.3部分中介紹，其液壓原理圖如圖2所示。通過(guò)控制油壓來(lái)實(shí)現(xiàn)水壓控制的原因是因?yàn)樗畨嚎刂葡到y(tǒng)還不夠成熟，很難保證精度，并且水壓元件對(duì)污染極為敏感，容易出現(xiàn)堵塞、卡死等現(xiàn)象[6]。

圖2　水壓控制及拉力加載原理圖

拉力加載系統(tǒng)是由一個(gè)對(duì)稱(chēng)液壓缸和接插件用螺紋連接，加載力由液壓系統(tǒng)控制。為了抵消水壓對(duì)活塞桿端部D的作用力，在活塞桿的另一頭加裝一個(gè)補(bǔ)償罩，補(bǔ)償罩與水箱通過(guò)鋼管連接，這樣水壓分別作用在活塞桿的兩端D和D′，從而達(dá)到抵消水壓對(duì)活塞桿的作用。

2.2　測(cè)試原理

通過(guò)液壓泵往活塞桿左腔輸入高壓油，把油缸往右推，通過(guò)壓力傳感器G和H(圖1),測(cè)試活塞桿兩腔的油液壓力得到油缸對(duì)接插件所施加的拉力。需要注意的是，加載時(shí)，活塞桿還受到缸筒的摩擦力，黏性阻尼力等，為了保證精度，需要將這一部分去除。

首先測(cè)試活塞桿空載摩擦力和阻尼力，如式(1)所示；其次測(cè)試油缸對(duì)接插件加載時(shí)的拉力，如式(2)所示；計(jì)算兩者之差即得接插件脫開(kāi)力，如式(3)所示：

Ff0=(pG0-pH0)S

(1)

式中,pG0為油缸空載時(shí)，左腔壓力；pH0為右腔壓力；S為缸筒和活塞桿面積差；Ff0為空載摩擦力。

Ff1=(pG1-pH1)S

(2)

式中,pG1為油缸加載時(shí)，左腔壓力；pH1為右腔壓力；Ff1為加載力。

FT=Ff1-Ff0

(3)

式中,FT為所測(cè)試的分離力。

2.3　水壓控制

水和油的體積彈性模量都很大，幾乎不可壓縮，其壓力變化和體積變化的關(guān)系如式(4)和式(5)所示：

(4)

式中：Vw為初始狀態(tài)下水體積(包括管路、水箱和補(bǔ)償罩的容積以及油水混合裝置)；ΔVw為水在受壓的狀態(tài)下體積變化量；Δpw為水壓的變化量；Ew為水的體積彈性模量，主要與水所含氣體的量都有關(guān)。

(5)

式中，Vo初始狀態(tài)下油體積(包括管路和油水混合裝置)；ΔVo油在受壓的狀態(tài)下體積變化量；Δpo為油壓的變化量；Eo為油的體積彈性模量，與油中所含氣體的量都有關(guān)。圖1中油和水的初始體積、體積彈性模量都不同，但是壓力變化總是相等，只要控制油水混合裝置中的油量就能控制油壓。

方案所采用的油壓控制原理圖如圖2所示，電機(jī)帶動(dòng)一雙聯(lián)齒輪泵，左泵向油水混合裝置供液，多余的油液從比例溢流閥A的出口流出至油箱。右泵向加載對(duì)稱(chēng)缸供液，比例溢流閥B用來(lái)控制右泵出口壓力。

水壓控制原理圖如圖3所示，PI控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的水壓控制信號(hào)pt與壓力容腔內(nèi)的水壓反饋信號(hào)pa，經(jīng)PI控制器計(jì)算后，得到相應(yīng)的控制電流值I來(lái)控制比例溢流閥的預(yù)控制壓力pset，預(yù)控壓力與油水混合裝置中壓差決定了流入該裝置中的油液量，經(jīng)過(guò)圖3所示的閉環(huán)控制，最終pset和油壓、水壓達(dá)到平衡，進(jìn)入油水混合裝置中的油液量恒定。

圖3　水壓控制原理圖

水壓控制的關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)：

(1) 水箱不能有泄漏，一旦油水混合裝置中的皮囊破裂，油水混合，液壓系統(tǒng)受損。還有水箱不能對(duì)外界空氣有泄漏，否則，水會(huì)流盡，最后水壓不可控；

(2) 在對(duì)接插件施加拉力的時(shí)候，活塞桿會(huì)向外伸縮，在外伸瞬間，水不再受壓，造成水壓力突然下降較多，然后比例溢流閥重新控制進(jìn)油量而達(dá)到設(shè)定油壓。

雖然水壓能重新穩(wěn)定到設(shè)定壓力，但是在加載瞬間水壓變化很大，這違背了加載測(cè)試的試驗(yàn)條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，提出加載油缸右側(cè)加裝補(bǔ)償罩，并且水箱和補(bǔ)償罩相連，這樣在油缸加載時(shí)，活塞桿的動(dòng)作不會(huì)影響水的壓縮量，也不會(huì)影響水壓，從而保證試驗(yàn)條件的準(zhǔn)確性。

3　拉力加載及測(cè)試

3.1　測(cè)試步驟

(1) 設(shè)備安裝完，首先保證油水混合裝置中和加載油缸中的氣被排出；

(2) 水箱加水，盡量將水箱中的氣排出，否則會(huì)影響水的彈性模量，從而影響水壓的飛升速率；

(3) 油泵開(kāi)啟，控制油壓到設(shè)定壓力，油缸動(dòng)作，測(cè)試左右兩腔壓力得到空載摩擦力；

(4) 卸掉水壓，在水箱中安裝被試件，重新往水箱中注滿(mǎn)水，并排出空氣；

(5) 油泵重新開(kāi)啟，控制油壓到設(shè)定壓力；

(6) 控制油缸施加拉力，直至被試件脫開(kāi)，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，即得到分離力。

3.2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)被試件在10 MPa水壓環(huán)境的分離力和水壓測(cè)試數(shù)據(jù)分別如圖4和圖5所示，所測(cè)油缸在空載的摩擦力如圖4中實(shí)線(xiàn)所示，滑動(dòng)摩擦力為20 N，剛開(kāi)始時(shí)是靜摩擦力，最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力稍大些。水壓控制曲線(xiàn)在拉力測(cè)試之前，先穩(wěn)定到10 MPa，水壓的飛升速率比較快，但是有些超調(diào)。2.8 s開(kāi)始拉力加載，加載瞬間，拉力增大，如圖4中虛線(xiàn)所示，與此同時(shí)，水壓有一點(diǎn)回落，但由于閉環(huán)控制的調(diào)整， 很快重新回升到10 MPa。虛線(xiàn)的峰值去除掉滑動(dòng)摩擦力，即為所測(cè)分離力。

圖4　分離力和摩擦力隨時(shí)間的變化

圖5　水壓隨時(shí)間的變化

4　結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了一套水下大型接插件密封和分離力測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 采用液壓加載和測(cè)試，避免拉力傳感器在水下測(cè)試的不可行性；

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將加載液壓缸放置在水箱外面，這樣大大減小了更換被試件的裝放水時(shí)間；

(3) 采用控制油壓來(lái)控制水壓的方式，提高了水壓力控制精度。通過(guò)對(duì)被試件在10 MPa水壓情況下分離力測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該水壓模擬和測(cè)試方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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