深海電視抓斗液壓系統(tǒng)改進(jìn)分析與應(yīng)用

(山東拓普液壓氣動(dòng)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

引言

深海電視抓斗是一種應(yīng)用在海洋的深層海水中且使用特殊電纜對海底進(jìn)行采樣與可視觀測的裝置的簡稱[1-2]。 本研究結(jié)合深海作業(yè)的環(huán)境特點(diǎn)及自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)深海采樣的特殊要求，對該裝置上的液壓系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，并應(yīng)用在了多臺(tái)此類裝置中，取得了巨大成功，且積攢了豐富的與海洋設(shè)備相關(guān)的液壓系統(tǒng)方面的經(jīng)驗(yàn)，使其成為了一套成熟的現(xiàn)代化海底可視采樣液壓系統(tǒng)，為我國大洋礦產(chǎn)資源勘察(采樣)液壓動(dòng)力方面做出了巨大貢獻(xiàn)。

本研究主要介紹電視抓斗的液壓系統(tǒng)改進(jìn)內(nèi)容，重點(diǎn)是深海采樣對液壓動(dòng)力設(shè)備的特殊要求，其主要設(shè)計(jì)理念是設(shè)備集成、實(shí)用、為整體探測設(shè)備減重、節(jié)約耗能。

1 液壓系統(tǒng)改進(jìn)

1.1 系統(tǒng)改進(jìn)說明

液壓傳動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于深海裝備[3-4]。早期的深海電視抓斗研制單位大部分是海洋科學(xué)領(lǐng)域的研究所和高等院校，研究的重點(diǎn)和方向是海洋物理、海洋地質(zhì)等學(xué)術(shù)領(lǐng)域，液壓應(yīng)用技術(shù)方面涉及較少[5-6]，且受當(dāng)時(shí)國產(chǎn)液壓系統(tǒng)技術(shù)水平和元件質(zhì)量的限制[7]，早期設(shè)備的液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是：布局雜亂無章，集成化較低，且體積大、質(zhì)量大、耗能高，不能實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力，無法直觀了解到系統(tǒng)的運(yùn)行是否可靠[8]。為了改進(jìn)以上不足，特對電視抓斗的液壓系統(tǒng)做了以下改進(jìn)。

以適用于4000 m水深的電視抓斗為例，液壓系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后的原理圖如圖1所示。

1.放油閥 2.吸油濾油器 3.補(bǔ)償器 4.電動(dòng)機(jī) 5.泵 6.單向閥7.壓力傳感器 8.電磁換向閥 9.液控單向閥 10.溢流閥11.油液艙 12.補(bǔ)油閥 13.節(jié)流閥 14.油缸 15.蓄能器圖1 液壓系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后的原理圖

根據(jù)電視抓斗實(shí)際采樣作業(yè)的要求及水下供電對采樣的影響[9]，我們在液壓系統(tǒng)改進(jìn)中重新優(yōu)化調(diào)整了液壓系統(tǒng)參數(shù)，包括液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)、系統(tǒng)流量(Q)、電機(jī)功率(P)、補(bǔ)償器補(bǔ)償容積(ΔV)等。除此之外，液壓系統(tǒng)在布局和安裝形式上也做了較大的改進(jìn)。

改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)體積大大縮小，質(zhì)量大大減輕，安裝也更加方便快捷，具體參數(shù)比較如表1所示。

1.2 補(bǔ)償容積計(jì)算

為了確保深海高壓環(huán)境下處于密封狀態(tài)的油液艙11內(nèi)外壓力相平衡，需要特別考慮1個(gè)參數(shù)，即壓力補(bǔ)償容積。如果不考慮油液艙11的容積補(bǔ)償，在液壓設(shè)備動(dòng)作過程中會(huì)使油液艙內(nèi)形成一定程度上真空，油液艙11內(nèi)外壓力不再平衡。一旦油液艙11內(nèi)外存在壓差，油液艙11會(huì)因壓差的存在而變形。隨著海水深度的增加，油液艙變形量會(huì)逐漸加大，最終致使油液艙11被壓癟而無法使用。

補(bǔ)償器總?cè)莘e(ΔV)主要包括以下幾部分：

(1) 單條液壓缸差動(dòng)體積引起的容積變化(ΔV1)；

(2) 由于海水壓力而產(chǎn)生的容積變化(ΔV2)；

(3) 由于水下溫度與甲板溫度的變化引起的液壓油容積變化(ΔV3)。

表1 液壓系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后的參數(shù)對比

補(bǔ)償器總的補(bǔ)償容積為所有容積變化之和，即ΔV=2·ΔV1+ΔV2+ΔV3。油液艙11補(bǔ)償容積的計(jì)算，實(shí)質(zhì)上就是計(jì)算維持油液艙11內(nèi)、外承受的壓力，本研究要求內(nèi)、外承受壓力要相等。

1) 單條液壓缸差動(dòng)容積ΔV1[10]：

V1=π·D2/4·s·10-6=1 L

(1)

V2=π·(D2-d2)/4·S·10-6=0.5 L

(2)

ΔV1=V1-V2=0.5 L

(3)

式中，V1為油缸無桿腔容積，L；V2為油缸有桿腔容積，L；D為油缸缸體內(nèi)徑，mm；s為油缸行程，mm；d為油缸活塞桿直徑，mm。

2) 液壓系統(tǒng)所需原始容積V0計(jì)算

系統(tǒng)所需原始容積V0為油液艙11有效容積與油缸有桿腔容積之和。實(shí)際應(yīng)用中，油液艙11有效容積約為78 L，2條油缸有桿腔容積為2×0.5 =1 L，即V0=79 L。

圓整取80 L。

3) 海水壓力變化引起液壓油的容積變化ΔV2[11]：

ΔV2=0.7·10-3V0·(p2-p1)

(4)

式中，V0為油液艙11原始總?cè)莘e，L；p1為初始?jí)毫?MPa)，為大氣中正常大氣壓下的壓力；p2為最終壓力(MPa)，設(shè)定為水下4000 m壓力。

ΔV2=2.2 L

4) 溫度變化引起液壓油的容積變化ΔV3[12]：

ΔV3=0.7·10-3V0·(t2-t1)

(5)

式中，V0為油液艙11原始容積，L；t1為初始溫度(℃)，為甲板溫度，取為30 ℃；t2為最終溫度(℃)，為4000 m水下溫度，取為3 ℃。

ΔV3=1.5 L

5) 油液艙11所需的總補(bǔ)償器容積ΔV：

ΔV=2·ΔV1+ΔV2+ΔV3=4.7 L

(6)

圓整取5 L。

上述計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量數(shù)值基本一致，由以上公式計(jì)算確定的補(bǔ)償器補(bǔ)償總?cè)莘e比較合理，既保證了實(shí)際使用的需要，也大大的減小了液壓系統(tǒng)設(shè)備的體積。

1.3 改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)分析

每種海洋探測設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中都會(huì)考慮在滿足功能的前提下，盡量減少整體設(shè)備質(zhì)量，減少能耗，增加海底探測時(shí)間。改進(jìn)后的液壓抓斗液壓系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面做了改進(jìn)：

從布局和安裝形式上，改進(jìn)前各液壓元件之間的連接形式多采用管式螺紋連接，單向閥6、電磁換向閥8、液控單向閥9、溢流閥10等元件之間均需要通過油管和過渡接頭進(jìn)行連接來實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，整個(gè)系統(tǒng)管路數(shù)量多、接頭種類多、布局亂、集成化低、安裝占用空間大。改進(jìn)后，各液壓元件之間較多采用疊加式安裝方式，單向閥6、電磁換向閥8、液控單向閥9、溢流閥10按一定順序疊加安裝在自制模塊上，壓力傳感器7、蓄能器15均可直接安裝在自制模塊上，既能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，又大大減少了油液管路和過渡接頭的使用數(shù)量，布局變得美觀，集成化程度較高，液壓系統(tǒng)的安裝空間變得更小。另外，液壓系統(tǒng)因油液管路使用數(shù)量減少，也大大減少了因油液管路滲漏引起的系統(tǒng)故障，從而增加了液壓系統(tǒng)工作的可靠性。

從體積和重量上，改進(jìn)前液壓系統(tǒng)原始油液艙11總?cè)莘e為100 L，改進(jìn)后油液艙11總?cè)莘e為80 L，既縮小了安裝空間，又節(jié)約了資源，還為整套電視抓斗設(shè)備減少了很多的重量。

從功能上，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)增加了蓄能器15，系統(tǒng)的保壓性能更好。液壓系統(tǒng)在保壓過程中由于液壓元件的制造原因?qū)е碌南到y(tǒng)內(nèi)部泄漏，可以通過蓄能器自身內(nèi)部的油液向系統(tǒng)的管路內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充，增加了液壓系統(tǒng)保壓的可靠性，提高了抓斗的工作可靠性。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)在蓄能器的一側(cè)增加了壓力變送器7，使得工作人員可以更方便、快捷、直觀的監(jiān)測電視抓斗工作時(shí)的實(shí)時(shí)壓力。將改進(jìn)前的堵頭12更改為補(bǔ)油閥，使得油液艙11油液補(bǔ)償更方便、更快捷，還能有效的進(jìn)行排氣，增加了油液艙11工作的可靠性。

從能耗上，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)4功率比改進(jìn)前的減小了近50%，能耗節(jié)約率超過50%，大大增加了電池的水下供電時(shí)間，為水下探測工作贏得了更多的探測時(shí)間。

從時(shí)間上，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)大大縮短了抓斗在海底合攏時(shí)間，提高了工作效率，更為有效的防止了采集樣本的丟失，提高了海底探測、采集樣本等工作的成功率。

1.4 特別說明

在液壓系統(tǒng)的改進(jìn)方案中，本研究采用集成化設(shè)計(jì)的理念，將液壓系統(tǒng)功能部件(控制元件)做成單元化的模塊，且液壓元件具備一定通用性和互換性，不僅使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單，邏輯動(dòng)作上變得可靠，使用、維護(hù)也更方便，同時(shí)其電氣控制系統(tǒng)通用性也相對加強(qiáng)，更有利于整個(gè)液壓抓斗設(shè)備上的電氣控制，對實(shí)際的深海探測作業(yè)有非常積極的作用。

2 改進(jìn)后的應(yīng)用

在近幾年的多個(gè)大洋航次中，多次使用了本研究研制的深海電視抓斗液壓系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 深海電視抓斗在大洋航次中的應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用證明，改進(jìn)后的電視抓斗其液壓系統(tǒng)能耗更低、性能穩(wěn)定、工作可靠，如圖3所示；控制系統(tǒng)操作簡便、傳輸數(shù)據(jù)與信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，尤其水下控制系統(tǒng)體積小、重量輕、故障率低、性能可靠，具備更好的實(shí)用性。

經(jīng)過改進(jìn)后，整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)備的抗沖擊性明顯提高，能夠適應(yīng)在較差海況下的考察作業(yè)需求，為我們國家大洋資源與海洋環(huán)境調(diào)查提供了重要手段，提高了我們國家大洋資源與海洋環(huán)境調(diào)查的探測能力。

此外，液壓及控制系統(tǒng)的集成化、模塊化的設(shè)計(jì)理念也為深海探測裝備的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)，同時(shí)電視抓斗的液壓及控制技術(shù)還可以廣泛應(yīng)用于近海資源環(huán)境調(diào)查中，具有良好的應(yīng)用前景。

圖3 液壓系統(tǒng)改進(jìn)前、后的相關(guān)性能曲線比較

3 結(jié)論

隨著深海電視抓斗的擴(kuò)大應(yīng)用，越來越多的功能要求隨之出現(xiàn)。但是，不管怎么變化，液壓系統(tǒng)原理上不會(huì)出現(xiàn)太大變化，而隨之會(huì)變的卻是探測深度越來越深。隨著海底探測技術(shù)的發(fā)展，對深海探測的需求越來越大，探測難度也越來越大。在深海探測領(lǐng)域里，容積補(bǔ)償?shù)睦碚撚?jì)算必不可少。希望本研究能夠給海底探測作業(yè)提供一定的理論依據(jù)。