壓力補(bǔ)償式液壓浮力驅(qū)動技術(shù)研究

楊友勝， 王海衛(wèi)， 穆為磊， 邢世琦， 楊翊坤， 齊鴻裕

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

隨著陸地上不可再生資源的日益減少，人們對海洋資源的重視和開發(fā)逐步加快。潛水器是進(jìn)行海洋開發(fā)所必須的高技術(shù)裝備之一，用于運(yùn)載人員或設(shè)備到達(dá)各種海洋環(huán)境[1]。浮力驅(qū)動系統(tǒng)是潛水器至關(guān)重要的組成部分，主要用來實現(xiàn)潛水器的自動升沉、定深以及姿態(tài)等的控制[2]。

浮力驅(qū)動系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合包括作業(yè)型水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle，AUV)、剖面探測浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)等。在作業(yè)型AUV上的主要功能是輔助載體配平和姿態(tài)調(diào)整，補(bǔ)償因重量變化，海水密度變化，或耐壓艙體彈性變形引起的浮力變化，保證AUV處于最優(yōu)的浮力狀況和航行姿態(tài)[3-5]。在浮標(biāo)上的主要功能是改變其凈浮力，實現(xiàn)浮標(biāo)的下潛和上浮[6]。相比于利用推進(jìn)裝置實現(xiàn)沉浮，浮力驅(qū)動方式耗能較小，特別適用于對能耗要求高的中小型潛水器[7-8]。因此，研究浮力驅(qū)動系統(tǒng)具有十分重要的意義和應(yīng)用價值。

當(dāng)前，潛水器浮力驅(qū)動主要有2種方案：第1種方案為可變重量式，在體積不變的情況下，通過改變自身重量來調(diào)節(jié)浮力的大小，實現(xiàn)凈浮力的調(diào)節(jié)，一般采用海水液壓泵吸排海水來實現(xiàn)[9]。典型的應(yīng)用包括美國的“Alvin”號、日本的“Shinkai6500”號以及中國的“蛟龍?zhí)枴碧柎钶d的海水液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)[10-12]。這種浮力調(diào)控方案需要多個換向閥配合工作，實現(xiàn)浮力雙向調(diào)節(jié)，同時需高壓泵(不小于水深壓力)和水箱壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，能耗較大，且海水液壓實現(xiàn)高壓化困難。第2種方案為可變體積式，即在重量不變的情況下，通過改變自身體積來調(diào)節(jié)浮力的大小，實現(xiàn)凈浮力的調(diào)節(jié)，一般采用可變體積的油囊、油液壓泵來實現(xiàn)[13]。最典型的代表為日本研制的長航程“URASHIMA”號AUV，其浮力驅(qū)動裝置直徑440 mm，長750 mm，采用直流電機(jī)驅(qū)動，最大調(diào)節(jié)能力50 L，最大工作深度3 500 m[14]。此種方案的浮力調(diào)控系統(tǒng)復(fù)雜、浮力調(diào)控能力有限、油液壓泵工作壓力高(≥水深壓力)?？傊S著作業(yè)水深的增加，艙體所承受的環(huán)境壓力相應(yīng)增大，現(xiàn)有的浮力驅(qū)動方法均需超高壓設(shè)備，電機(jī)功率、艙體壁厚大。

針對上述情況，本文提出一種壓力補(bǔ)償式液壓浮力驅(qū)動方案，在傳統(tǒng)可變體積式基礎(chǔ)上，對艙體內(nèi)壓力進(jìn)行主動調(diào)控，使其自主適應(yīng)水深壓力變化，達(dá)到降低液壓泵工作壓力及艙體內(nèi)外壓力差，減小電機(jī)功率、艙體壁厚等目的。分析了系統(tǒng)的特性參數(shù)，研究了初始參數(shù)(預(yù)充壓強(qiáng)和預(yù)留空腔體積)對浮力調(diào)節(jié)過程中艙體內(nèi)外壓力變化規(guī)律及調(diào)節(jié)次數(shù)的影響。

1 液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)

1.1 液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)組成

液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)主要由雙向齒輪泵、直流電機(jī)、自保持電動閥、耐壓艙體、壓力傳感器、內(nèi)油囊和外油囊等組成。電機(jī)驅(qū)動齒輪泵工作，實現(xiàn)內(nèi)外油囊之間的油傳遞。自保持電動閥用來控制油路通斷，保證齒輪泵不工作時，內(nèi)外油囊彼此間互不相通，實現(xiàn)開啟和關(guān)閉狀態(tài)的自動保持，有效節(jié)省能量[15]。在內(nèi)外油囊中充一定量液壓油，耐壓艙體內(nèi)預(yù)充一定壓強(qiáng)pg0的惰性氣體，壓力傳感器用來測量耐壓艙體內(nèi)惰性氣體壓強(qiáng)pg。

浮力驅(qū)動系統(tǒng)工作分為下潛和上浮2個過程。下潛時，電機(jī)驅(qū)動齒輪泵旋轉(zhuǎn)，將油液從外油囊壓入內(nèi)油囊，主動減小裝置體積，實現(xiàn)下潛。內(nèi)油囊體積增大，惰性氣體壓強(qiáng)pg升高，實現(xiàn)水深壓力補(bǔ)償。當(dāng)下潛至水深壓強(qiáng)pw大于艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg后，油液在壓差作用下，從外油囊流入內(nèi)油囊，裝置體積減小，實現(xiàn)被動無能耗下潛。

上浮時，電機(jī)驅(qū)動齒輪泵反向旋轉(zhuǎn)，將油液從內(nèi)油囊壓入外油囊，主動增大裝置體積，實現(xiàn)上浮。內(nèi)油囊體積減小，惰性氣體壓強(qiáng)pg降低，實現(xiàn)水深壓力補(bǔ)償。當(dāng)上浮至艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg大于水深壓強(qiáng)pw后，油液在壓差作用下，從內(nèi)油囊流入外油囊，裝置體積增大，實現(xiàn)被動無能耗上浮。浮力調(diào)節(jié)過程采用多次調(diào)節(jié)的方式，使齒輪泵工作壓力及艙體內(nèi)外壓差始終小于齒輪泵最大壓力(如圖2)。

圖2 艙體內(nèi)外壓力變化Fig.2 The change of the inner and outer pressure of the cabin

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研發(fā)的液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)最大工作水深為4 km，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)主要包括：

1)浮力調(diào)節(jié)量不小于1 L；

2)浮力調(diào)節(jié)精度不大于0.5%FS；

3)功耗不大于80 W；

4)體積不大于12 dm3，空氣凈重不大于10 kg(空氣凈重指的是整個壓力補(bǔ)償式液壓浮力驅(qū)動裝置樣機(jī)在空氣中的質(zhì)量)；

5)齒輪泵最大壓強(qiáng)不大于10 MPa。

根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)零部件的選型，設(shè)計了一套完整的壓力補(bǔ)償式液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of hydraulic buoyancy actuation system

測量并計算了浮力驅(qū)動裝置的重要參數(shù)，樣機(jī)直徑為165 mm，長度為420 mm，質(zhì)量為7.36 kg，排水量為4 L。

2 液壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

為了簡化分析及計算，本文忽略耐壓艙體內(nèi)溫度變化及液壓油的可壓縮性，同時假設(shè)系統(tǒng)工作過程中深度不變。

下潛過程中，海水密度變化引起的裝置排水體積變化：

(1)

式中：m為裝置質(zhì)量；ρw(h)為深度h處海水密度；ρw(0)為海平面海水密度。

下潛過程中海水壓力變化引起的裝置排水體積變化：

ΔVp=Vb0-Vb

(2)

式中：Vb0為裝置在海平面排水體積；Vb為裝置在深度h處排水體積。

下潛過程中所需齒輪泵調(diào)節(jié)量即油囊體積改變量：

ΔVa=ΔVd-ΔVp

(3)

則耐壓艙體內(nèi)氣體體積：

Vg=Vg0-ΔVa

(4)

式中Vg0為耐壓艙體內(nèi)預(yù)留空腔體積。

耐壓艙體內(nèi)為一密閉容積，由理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，忽略溫度變化，得到耐壓艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)：

(5)

式中pg0為耐壓艙體內(nèi)預(yù)充氣體壓強(qiáng)。

則齒輪泵工作壓力即艙體內(nèi)外壓差：

Δp=pw-pg=ρw(h)gh-

(6)

式中：g為重力加速度；h為水深。

上浮過程艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg及艙體內(nèi)外壓差Δp的表達(dá)式與下潛類似，在此不再詳細(xì)推導(dǎo)。

為了使浮力驅(qū)動裝置在海平面達(dá)到浮力中性狀態(tài)，需要壓力浮球提供其所需凈浮力。優(yōu)選德國VITROVEX公司生產(chǎn)的6 700 m深海壓力浮球，根據(jù)樣本信息及某海域試驗數(shù)據(jù)，得到海水壓力引起的裝置體積變化量ΔVp、海水密度ρw(h)與水深關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 ΔVp、ρw(h)與水深關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve between ΔVp、ρw(h)and depth

3 參數(shù)分析

3.1 初始參數(shù)

為分析初始參數(shù)(預(yù)充壓強(qiáng)pg0、預(yù)留空腔體積Vg0)對調(diào)節(jié)性能的影響，假設(shè)水深h分別取2.5、3、3.5 km時，艙體內(nèi)外壓差Δp等于艙體內(nèi)預(yù)充壓強(qiáng)pg0，分別取7.5、8、8.5 MPa時，Vg0、Δp如表1所示。

根據(jù)表1，取預(yù)充壓強(qiáng)pg0為8 MPa，預(yù)留空腔體積Vg0分別取1 002.6、1 018.1、1 034.6 mL 3個值，討論3種情況下，浮力調(diào)節(jié)過程中艙體內(nèi)外壓強(qiáng)變化規(guī)律及調(diào)節(jié)次數(shù)。

表1 不同預(yù)充壓強(qiáng)下最大壓差值Table 1 Maximum pressure difference under different pre-charged pressure

3.2 艙體內(nèi)外壓力變化規(guī)律

按照上述初始參數(shù)，分別計算出3種情況下，艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg、水深壓強(qiáng)pw及艙體內(nèi)外壓差Δp，得到pg、pw、Δp與水深關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可知，相同預(yù)充壓強(qiáng)pg0，預(yù)留空腔體積Vg0越大，下潛至水下4 km位置，艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg越小，艙體內(nèi)外壓差Δp越大，最大壓差為8.16 MPa。

圖6 pg、pw、Δp與水深關(guān)系曲線Fig.6 The relation curves between pg,pw,Δp and depth

在水下4 km位置時，海水壓強(qiáng)大約為40 MPa，即傳統(tǒng)的浮力驅(qū)動裝置艙體需承受40 MPa壓強(qiáng)。而本方案采用壓力補(bǔ)償技術(shù)，使其最大承壓小于10 MPa。

壁厚計算公式為[16]：

與傳統(tǒng)可變體積式浮力驅(qū)動系統(tǒng)相比，本方案有效降低了齒輪泵工作壓力，減小了電機(jī)功率，避免了超高壓差下啟動引起的工作電流大、易過載燒毀電器元件的風(fēng)險；降低了艙體內(nèi)外壓差，減小了艙體壁厚，理論上艙體壁厚減小75%。

3.3 調(diào)節(jié)次數(shù)

浮力驅(qū)動系統(tǒng)工作分為下潛和上浮2個過程，下潛過程需調(diào)節(jié)2次后自動下潛至4 km位置，上浮過程需調(diào)節(jié)次數(shù)較多，其中3種情況下潛參數(shù)變化和上浮調(diào)節(jié)次數(shù)如表2所示。

由表2可知，相同預(yù)充壓強(qiáng)pg0，預(yù)留空腔體積Vg0不同時，下潛過程所需調(diào)節(jié)次數(shù)相同；預(yù)留空腔體積Vg0越大，上浮所需調(diào)節(jié)次數(shù)越多。從總調(diào)節(jié)次數(shù)最少角度考慮，取預(yù)充壓強(qiáng)pg0為8 MPa，預(yù)留空腔體積Vg0為1 002.6 mL。

此參數(shù)條件下，下潛開始時，裝置停留在水面，此時外油囊壓力即水深壓強(qiáng)pw為0.1 MPa，內(nèi)油囊壓力即艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg0為8 MPa，電機(jī)驅(qū)動齒輪泵工作，將油液從外油囊壓入內(nèi)油囊。當(dāng)內(nèi)油囊壓強(qiáng)pg達(dá)到9.87 MPa時，即艙體內(nèi)外壓差Δp達(dá)到9.77 MPa，齒輪泵停止工作，自保持電動閥將油路關(guān)閉，為裝置提供下潛動力。重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程1次至2.1 km處，水深壓強(qiáng)pw大于艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg，油液在壓差作用下從外油囊流入內(nèi)油囊，裝置體積減小，實現(xiàn)被動無能耗下潛。下潛過程油囊體積即艙體內(nèi)惰性氣體體積改變量為605.2 mL。

浮力調(diào)節(jié)采用多次調(diào)節(jié)的方式，通過壓力補(bǔ)償始終保持艙體承壓及液壓元件工作壓強(qiáng)始終保持在10 MPa以下。上浮開始時，裝置停留在水下4 km，此時pw為40.72 MPa，pg為40.84 MPa，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪泵工作，將油液從內(nèi)油囊壓入外油囊；當(dāng)艙體內(nèi)外壓差Δp達(dá)到9.87 MPa，齒輪泵停止工作，為裝置提供上浮動力。重復(fù)上述調(diào)節(jié)過程7次至艙體內(nèi)氣體壓強(qiáng)pg大于水深壓強(qiáng)pw，油液在壓差作用下從內(nèi)油囊流入外油囊，裝置體積增大，實現(xiàn)被動無能耗上浮。

4 結(jié)論

1)通過預(yù)充惰性氣體對艙體內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行主動調(diào)控，下潛至水下4 km齒輪泵工作壓力及艙體內(nèi)外壓差由40 MPa降低為10 MPa以下。理論上艙體壁厚減小75%。

2)從總調(diào)節(jié)次數(shù)最少角度考慮，確定了預(yù)充壓強(qiáng)為8 MPa，預(yù)留空腔體積為1 002.6 mL時為最佳初始參數(shù)。此參數(shù)條件下，下潛過程調(diào)節(jié)2次后，浮力驅(qū)動裝置在壓差作用下自動下潛至水下4 km；上浮過程調(diào)節(jié)8次后，在壓差作用下自動上浮至海平面，實現(xiàn)了海洋壓力能的有效利用。