楊 燕,孫秀軍,王延輝
(1.天津城建大學(xué),天津 300384;2.國家海洋技術(shù)中心,天津 300112;3.天津大學(xué),天津 300072)
深海水下滑翔器浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
楊燕1,孫秀軍2,王延輝3
(1.天津城建大學(xué),天津300384;2.國家海洋技術(shù)中心,天津300112;3.天津大學(xué),天津300072)
以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是1 000 m以深水下滑翔器和剖面浮標(biāo)優(yōu)先采用的重要?jiǎng)恿卧N闹惺紫冉榻B了當(dāng)前國際上水下滑翔器和剖面浮標(biāo)兩型剖面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的種類及應(yīng)用,然后以1 000 m以深水下滑翔器為例,系統(tǒng)地闡述了其高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法,以及絕對(duì)排油量測量、吸油口氣鎖防止和柱塞偶件精密配合等核心問題。設(shè)計(jì)制作出精密、高效而且可靠的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以為我國剖面觀測平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展起到推進(jìn)作用。
水下滑翔器;剖面浮標(biāo);微型軸向柱塞泵;高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
微型高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是制約國產(chǎn)深海剖面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)發(fā)展的瓶頸,研究以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),以保證其可靠地應(yīng)用于大深度水下滑翔器樣機(jī),可以為國產(chǎn)剖面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。典型深海剖面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要涉及水下滑翔器以及Argo計(jì)劃采用的自持式剖面浮標(biāo),其采用浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)在海洋表層和1 000~2 000 m左右深度的剖面運(yùn)動(dòng),同時(shí)可以記錄海洋水柱的科學(xué)數(shù)據(jù),因而成為海洋學(xué)家的重要的測量工具。
在工程和科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天,我國正在摒棄附加值低、利潤微薄的低端制造,開始專注于微型精密的高附加值設(shè)計(jì),而以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子。在海洋儀器的設(shè)計(jì)與制造方面,研究以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)意義重大。首先,研究深海浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以突破國際社會(huì)對(duì)我國的技術(shù)封鎖;其次,深海浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究能夠推進(jìn)深海剖面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在我國的發(fā)展。
1.1浮力驅(qū)動(dòng)單元在水下滑翔器中的應(yīng)用
美國研制的典型水下滑翔器因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)任務(wù)不同,采用不同的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。Washington大學(xué)研制的Seaglider和Scripps研究所研制的Spray均為1 000 m以深高壓作業(yè)水下滑翔器,兩者皆采用以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1-2]。Slocum Thermal水下滑翔器往返于海水表面和1 200 m深度之間,采用溫差熱機(jī)作為浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。Slocum Electric 200水下滑翔器采用滾動(dòng)膜片式柱塞泵系統(tǒng),該柱塞泵系統(tǒng)的柱塞缸直徑較大,長度較短,可以完成大排量,大流量的泵油任務(wù),卻不能實(shí)現(xiàn)2 MPa以上高壓作業(yè)。Slocum Electric 1000水下滑翔器同Spray和Seaglider相同,采用以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4-5]。這樣以來,以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的采用,保證了Slocum滑翔器(1 000 m),Spray滑翔器和Seaglider滑翔器三者均可以實(shí)現(xiàn)大深度,大排量的泵油作業(yè)。
2006年,Washington University應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制了一種更大潛深的滑翔器Deepglider,它的設(shè)計(jì)目標(biāo)為6 000 m[6]。新西蘭的Otago大學(xué)電子研究實(shí)驗(yàn)室正在研制水下滑翔器UnderDOG,其設(shè)計(jì)工作深度為水下5 000 m。Deepglider和UnderDOG兩種超大深度水下滑翔器同樣采用以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[7-8],可見該類高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在大深度水下滑翔器的研發(fā)中的重要地位。
1.2浮力驅(qū)動(dòng)單元在剖面浮標(biāo)中的應(yīng)用
20世紀(jì) 80年代末,Scripps海洋研究所和Webb實(shí)驗(yàn)室的海洋學(xué)家合作,成功地研制了ALACE浮標(biāo)系統(tǒng);隨后又成功研制了PLACE、APEX浮標(biāo)。這三款浮標(biāo)最終發(fā)展成為Argo這樣全球性的海洋浮標(biāo)觀測系統(tǒng)[9-10]。ARGO浮標(biāo)是指用于建立全球海洋觀測網(wǎng)的一種專用測量設(shè)備。然而隨著技術(shù)的進(jìn)步,直到目前,Argo計(jì)劃逐漸開始采用以下三種剖面浮標(biāo)模型,它們分別是法國MARTEC(現(xiàn)在是NKE Instrument)與IFREMER合作研發(fā)的剖面浮標(biāo)PROVOR,美國Webb Research公司生產(chǎn)的APEX剖面浮標(biāo)和Scripps海洋研究所研制的SOLO剖面浮標(biāo)[11-13]。
美國Webb Research公司研制的APEX剖面浮標(biāo),裝有體積細(xì)長的單沖程柱塞泵系統(tǒng)。Scripps海洋研究所與WHOI研究所制造的SOLO剖面浮標(biāo)與APEX相同,均配置單沖程柱塞泵系統(tǒng)。
法國研制的ROVOR浮標(biāo)具有較大體積的泵油能力,可以實(shí)現(xiàn)浮力自調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同密度海域下的監(jiān)測作業(yè),從而免去布放前繁瑣的預(yù)配平操作。PROVOR浮標(biāo)配置的以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),該泵系統(tǒng)集成安裝在浮標(biāo)底盤上,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高。由于安裝了功能強(qiáng)勁的心臟—以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),PROVOR浮標(biāo)具有較大的負(fù)載能力,可以通過搭載Argo計(jì)劃外的科學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的拓展應(yīng)用。PROVOR每10 d浮出一次水面,記錄和回傳數(shù)據(jù)。
2.1深海水下滑翔器的結(jié)構(gòu)組成
圖1所示為天津大學(xué)設(shè)計(jì)的某型深海水下滑翔器,其機(jī)體由頭部罩、前艙、負(fù)載艙、后艙和尾錐組成[14]。大升阻比飛行翼對(duì)稱安裝在魚雷型機(jī)體兩側(cè),并可在與主艙固定連接的機(jī)翼固定槽內(nèi)前后調(diào)整位置。機(jī)體內(nèi)部由前到后依次設(shè)置有浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、俯仰調(diào)節(jié)系統(tǒng)、橫滾調(diào)節(jié)系統(tǒng)、射流推進(jìn)系統(tǒng)等。該型深海水下滑翔器的液壓泵系統(tǒng)位于平臺(tái)的前端,這樣可以減小起俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)作用的電池包的位移,從而降低能耗。
圖1 深海水下滑翔器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.2浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)油路基本框架
根據(jù)深海水下滑翔器的工作原理及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),液壓泵系統(tǒng)的液壓回路可以簡單描述成圖2所示的基本框架。出油回路:電機(jī)帶動(dòng)微型軸向柱塞泵工作,將風(fēng)箱式蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中,同時(shí)在微型軸向柱塞泵之前設(shè)置過濾器,在微型軸向柱塞泵之后設(shè)置單向閥,以免航空液壓油從外皮囊回流至風(fēng)箱式蓄油池中;回油回路:電池閥打開,外皮囊中的航空液壓油在外界大氣壓和殼體內(nèi)部的負(fù)壓共同作用之下由外皮囊流回到風(fēng)箱式蓄油池當(dāng)中。
圖2 以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作流程
針對(duì)以上所述的液壓回路基本框架,存在兩個(gè)需要解決的問題:(1)微型軸向柱塞泵的吸油能力不足。即微型軸向柱塞泵將置于負(fù)壓(1/3~1/2真空)環(huán)境下的風(fēng)箱式蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中時(shí),在微型軸向柱塞泵的進(jìn)油端容易離析出微小真空氣泡,進(jìn)而造成氣鎖現(xiàn)象的發(fā)生,難以將液壓油泵出到外皮囊中;(2)準(zhǔn)確測量外皮囊中的液壓油的體積。微型軸向柱塞泵將蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中,外皮囊中的液壓油的體積是控制和測試水下滑翔器的重要參數(shù),該參數(shù)決定了水下滑翔器的航行速度和俯仰姿態(tài)角的大小,如何準(zhǔn)確可靠地取得該數(shù)據(jù)就是非常重要的問題。
2.3液壓油路系統(tǒng)基本部件選型及試驗(yàn)
浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用不銹鋼高壓油管連接。如圖3(右)所示,大扭矩電機(jī)通過微型聯(lián)軸器直接與高壓微型軸向柱塞泵的輸入軸結(jié)合,這樣可以減少減速機(jī)機(jī)構(gòu),大大節(jié)省了空間和減小了質(zhì)量。同時(shí)電磁閥、過濾器和單向閥也采用精密器件,保證系統(tǒng)的工作可靠性和整體結(jié)構(gòu)的緊湊。如圖3(左)所示為與深海水下滑翔器完美集成的最終設(shè)計(jì)裝配模型,該模型深海水下滑翔器提供浮力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。
圖3 以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝配模塊
3.1微型軸向柱塞泵設(shè)計(jì)
Teledyne Webb Research公司和Rutgers大學(xué)COOL實(shí)驗(yàn)室的Slocum Electric 1 000 m水下滑翔器均采用先進(jìn)的微型軸向柱塞泵作為高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件。鑒于上述研究機(jī)構(gòu)的成熟經(jīng)驗(yàn),本課題組打算通過國外采購和自行設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式來研制以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。就微型軸向柱塞泵而言,可通過學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的微型軸向柱塞泵設(shè)計(jì)方法,與國內(nèi)專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)單位合作設(shè)計(jì)加工微型軸向柱塞泵。
按照當(dāng)前流行微型軸向柱塞定量泵的設(shè)計(jì)指標(biāo),一般要求泵工作壓力在20 MPa以上,每轉(zhuǎn)排量為0.04~0.10 mL/rev,工作轉(zhuǎn)速在4 000~5 000 r/min。由于設(shè)計(jì)的水下滑翔器工作深度要達(dá)到1 000 m,故扭矩的選取參照1 200 m深時(shí)所承受的壓力,再考慮到大氣壓的影響,該水泵所承受的壓力達(dá)到121 bar。按照Slocum Electric 1 000 m工作液體的體積改變量為0.55 L計(jì)算得出泵的工作時(shí)間。
如圖4所示,微型軸向柱塞泵的工作原理并不復(fù)雜,它是利用與傳動(dòng)軸平行的柱塞在柱塞孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的容積變化進(jìn)行工作的。由于柱塞與柱塞孔都是圓柱形零件,加工時(shí)可以達(dá)到很高的配合精度,故而容積效率高,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),流量均勻性高,噪音低,工作壓力高。柱塞泵的泵油機(jī)構(gòu)包括兩套精密偶件:柱塞與柱塞套構(gòu)成的柱塞偶件以及出油閥與出油閥座構(gòu)成的出油偶件。
圖4 微型軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)原理(摘自網(wǎng)絡(luò)[15])
柱塞與柱塞套是一對(duì)精密偶件,經(jīng)配對(duì)研磨后不可以互換,要求有較高的加工精度和表面光潔度以及極好的耐磨性,其徑向間隙為0.002~0.003 mm。柱塞頭部圓柱面上加工有斜槽,并通過徑向孔、軸向孔與頂部相連通,其目的是改變循環(huán)供油量;柱塞套上設(shè)計(jì)有進(jìn)、回油孔,均與泵上體內(nèi)低壓油腔相通,柱塞套裝入泵上體后,應(yīng)用定位螺釘定位。柱塞頭部斜槽的位置不同,改變供油量的方法也不同。
出油閥和出油閥座也是一對(duì)精密偶件,配對(duì)研磨后不能互換,其配合間隙為0.01 mm。出油閥是一個(gè)單向閥,在彈簧壓力作用下,閥上部圓錐面與閥座嚴(yán)密配合,其作用是在停止供油時(shí),將高壓油管與柱塞上端空腔隔絕,防止高壓油管內(nèi)的油倒流入噴油泵內(nèi)。出油閥的下部呈十字?jǐn)嗝?,既能?dǎo)向,又能通過柴油。出油閥的錐面下有一個(gè)小的圓柱面,成為減壓環(huán)帶,其作用是在供油終了時(shí),使高壓油管內(nèi)的油壓迅速下降,避免噴孔處產(chǎn)生滴油現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)帶落入閥座內(nèi)時(shí),則使上方容積很快增大,壓力迅速減小,迅速停噴。柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)總行程是不變的,由凸輪的升程決定。柱塞每個(gè)循環(huán)的供油量大小取決于供油行程。供油行程不受凸輪的限制是可變的。供油開始時(shí)刻不隨供油行程的變化而變化。轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞可改變供油終了時(shí)刻,從而改變供油量。
3.2外皮囊液壓油體積測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
就如何實(shí)現(xiàn)外皮囊的液壓油體積測量的問題,一般有兩種方案:(1)增量式體積測量。即在風(fēng)箱式蓄油池的出油端增加微型渦輪流量計(jì),然而流量計(jì)是一種增量式計(jì)量工具,排油和回油次數(shù)多了,會(huì)出現(xiàn)排油總量的積累誤差,難以保證正確的排油量測量;(2)絕對(duì)式體積測量。由于液壓管路充滿體積固定的液壓油,外皮囊的液壓油體積與蓄油池內(nèi)液壓油體積總量固定,所以知道蓄油池內(nèi)液壓油體積便可以知道外皮囊內(nèi)液壓油的體積,同時(shí)蓄油池設(shè)計(jì)成風(fēng)箱形狀,可以通過測量其長度來確定其內(nèi)部液壓油體積。這里可以通過非接觸式直線位移傳感器和接觸式直線位移傳感器來測量蓄油池的長度。蓄油池的設(shè)計(jì)如圖5所示為風(fēng)箱式設(shè)計(jì),可以簡單實(shí)現(xiàn)長度測量,進(jìn)而完成外皮囊液壓油體積的準(zhǔn)確估算。
圖5 風(fēng)箱式蓄油池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外觀
3.3軸向柱塞泵氣鎖現(xiàn)象分析與避免
為避免氣鎖現(xiàn)象發(fā)生,我們對(duì)水下滑翔器浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本框架做以下修改,即在微型軸向柱塞泵前端增加初級(jí)增壓泵系統(tǒng),保證高壓微型軸向柱塞泵正常工作。初級(jí)增壓泵具有良好的吸油能力,可以彌補(bǔ)微型軸向柱塞泵的吸油能力不足的問題。然而由于初級(jí)增壓泵的泵油流量大于微型軸向柱塞泵的泵油流量,所以在初級(jí)增壓泵與微型軸向柱塞泵之間添加具有固定開啟壓力的單向閥,既確保初級(jí)增壓泵不會(huì)超負(fù)荷工作,也確保微型軸向柱塞泵有穩(wěn)定的進(jìn)油口壓力。根據(jù)微型軸向柱塞泵的工作要求,設(shè)置固定開啟壓力單向閥的開啟壓力為0.1~0.2 MPa。該種改造方案需要增加一個(gè)初級(jí)增壓泵,一個(gè)單向閥,一個(gè)電機(jī),一個(gè)聯(lián)軸器等,整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積將增加許多(如圖6)。
如圖6所示,浮動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)液壓油路組成,分別對(duì)應(yīng)了排油和回油過程:(1)排油時(shí),液壓油在初級(jí)增壓泵的作用下,經(jīng)過過濾器到達(dá)主泵的進(jìn)油口,保證主泵的液壓油的供給。主泵是定量泵PB32.5,該泵在進(jìn)油口為負(fù)壓的情況下,容易因氣泡而產(chǎn)生自鎖。初級(jí)增壓泵的排量大于定量泵排量,所以在主泵進(jìn)油口處設(shè)置溢流閥,將部分過剩的液壓油返回到蓄油池當(dāng)中。盤式電機(jī)帶動(dòng)主泵將液壓油經(jīng)由單向閥打到外皮囊中。該過程中,電磁閥是關(guān)閉的。(2)回油時(shí),主泵和初級(jí)增壓泵均停止工作,電池閥打開,外皮囊中的液壓油在大氣壓強(qiáng),表層海水壓力和蓄油池內(nèi)部的負(fù)壓的作用下,經(jīng)由電磁閥流回蓄油池。
圖6 以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加初級(jí)增壓泵后的工作流程
避免氣鎖的另外一種方案是在浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本框架的風(fēng)箱式蓄油池處增加真空泵系統(tǒng),即利用真空泵將殼體內(nèi)部的部分空氣打到封閉的風(fēng)箱式蓄油池外面,壓迫蓄油池收縮,從而將蓄油池中的液壓油驅(qū)趕到微型軸向柱塞泵的前端。真空泵可以打出大約0.1~0.2 MPa,有能力替代初級(jí)增壓泵來解決氣鎖問題。真空泵系統(tǒng)是水下滑翔器的必備部件,所以不會(huì)增加許多機(jī)構(gòu),只是增加了單個(gè)氣動(dòng)閥。
綜上所述,以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力強(qiáng)勁、易于實(shí)現(xiàn)大排量等優(yōu)點(diǎn)。美國的多種大深度水下滑翔器及法國的PROVOR剖面浮標(biāo)均采用該系統(tǒng)作為動(dòng)力源,從而提高了水下滑翔器和剖面浮標(biāo)的負(fù)載能力,提高了水下滑翔器和剖面浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了水下滑翔器的拓展應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)中性浮力調(diào)節(jié),免去了繁瑣的配平操作,補(bǔ)償了水下滑翔器和剖面浮標(biāo)因?yàn)樯锔g造成的浮力損失,延長了水下觀測時(shí)間。
本文以天津大學(xué)某型深海水下滑翔器的設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)講解了以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理,以及其設(shè)計(jì)過程的注意事項(xiàng),并針對(duì)其設(shè)計(jì)過程中的防止氣鎖、測量排油量和設(shè)計(jì)微型軸向柱塞泵等關(guān)鍵技術(shù)問題列寫了解決方案。
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Design of a Buoyancy Engine for Deep Sea Gliders
YANG Yan1,SUN Xiu-jun2,WANG Yan-hui3
1.Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;
2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;
3.Tianjin University,Tianjin 300072,China
The high-pressure buoyancy engine with the micro axial piston pump as its core functions as a key driving system for underwater gliders and profiling floats operating in a depth of over 1 000 m.This paper firstly introduces the prototypes of the buoyancy driving systems applied in the profiling platforms and their applications,before taking the 1 000-m rated underwater glider for instance to systematically illustrate the working principles and design approaches of its high-pressure buoyancy engine,as well as the critical technologies such as measuring pumping oil volume,avoiding pump inlet air lock and keeping pump piston clearance fit.The design and fabrication of a high-precision,high-efficiency and reliable buoyancy engine can greatly press ahead with the development of the profiling platforms for marine monitoring in China.
underwater glider;profiling float;micro axial piston pump;high-pressure buoyancy engine
P715.5
A
1003-2029(2016)02-0009-06
10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.002
2015-07-24
天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11JCYBJC06200);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014AA09A507,2012AA091001)
楊燕(1983-),女,博士,講師,主要研究方向?yàn)楹Q蟓h(huán)境監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)控制理論與技術(shù)。
孫秀軍(1981-),男,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)榛谝苿?dòng)平臺(tái)的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)。E-mail:sunxiujun@yahoo.com