潛水清淤機(jī)器人滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

周成龍 宋政昌 曾群鋒 孫興漢

摘要：傳統(tǒng)壓差補(bǔ)償器只適用于體積不變的容腔，技術(shù)通用性不強(qiáng)、使用壽命短、可靠性差且存在變形阻力和驅(qū)動(dòng)力非線性的問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一款滾動(dòng)膜片式的壓差補(bǔ)償器，適用于水下液壓系統(tǒng)體積變化的容腔。對(duì)該壓差補(bǔ)償器進(jìn)行了理論計(jì)算，并使用ANSYS對(duì)滾動(dòng)膜片進(jìn)行了非線性有限元仿真。模擬結(jié)果顯示：該壓差補(bǔ)償器可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的位移，同時(shí)變形阻力較小，可以更靈活地實(shí)現(xiàn)較大范圍的壓力補(bǔ)償。最后將該滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器應(yīng)用于潛水清淤機(jī)器人并投入疏浚工程中，驗(yàn)證了其實(shí)際使用的可行性。研究成果可為此類(lèi)壓差補(bǔ)償器的優(yōu)化升級(jí)及系列化提供參考。

關(guān)鍵詞：潛水清淤機(jī)器人； 滾動(dòng)膜片； 壓差補(bǔ)償器； 非線性仿真

中圖法分類(lèi)號(hào)： TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.027

0引 言

潛水清淤機(jī)器人是用于城市地下排水管網(wǎng)、暗涵、暗渠等清淤的一體化裝備［1］。液壓泵和液壓馬達(dá)分別作為液壓系統(tǒng)的“心臟”和“手臂”［2］，其工作過(guò)程中常需要整機(jī)潛入水下進(jìn)行作業(yè)，因而液壓系統(tǒng)的容腔體積是變化的。作為清淤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)的重要支持部件，壓差補(bǔ)償器起著平衡內(nèi)部油壓和外界水環(huán)境壓力的作用［3-5］，同時(shí)也可以防止水滲入液壓系統(tǒng)［6-7］。

圖1列出了常見(jiàn)的3種壓差補(bǔ)償器形式：內(nèi)部裝有皮囊的皮囊式、彈性元件為薄壁金屬殼的金屬薄膜式、可伸縮的波紋管式。3種壓差補(bǔ)償器都是一個(gè)薄壁容器，允許有一定的彈性變形，以此來(lái)均衡壓差變化。它們只適用于體積不變的容腔，技術(shù)通用性不強(qiáng)，難以形成系列化產(chǎn)品，使用壽命短，可靠性差且存在變形阻力和驅(qū)動(dòng)力非線性的問(wèn)題，大多屬于異形產(chǎn)品，在實(shí)際應(yīng)用中不便于設(shè)計(jì)和使用［8］。

滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器因其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有效作用面積不變，解決了傳統(tǒng)壓差補(bǔ)償器軸向變形量與驅(qū)動(dòng)力呈非線性關(guān)系的問(wèn)題，適用于體積變化的容腔，還擁有行程大、變形和摩擦阻力小、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)［9-10］。但目前滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)更多依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究較少，且沒(méi)有形成完整成熟的體系［11］。

本文通過(guò)對(duì)壓差補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和仿真研究，設(shè)計(jì)出一款適合在潛水清淤機(jī)器人上使用的可系列化滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證其性能可靠性。

1壓差補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，整機(jī)示意如圖3所示。

1.2工作原理

壓差補(bǔ)償器的工作原理具體地說(shuō)，是通過(guò)調(diào)節(jié)給定彈簧的預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)比較機(jī)構(gòu)的平衡狀態(tài)。當(dāng)輸出壓力、給定彈簧的力（或力矩、或位移）與輸入壓力（或力矩、或位移）平衡時(shí)，可調(diào)減壓閥的開(kāi)度保持不變，輸出壓力就維持不變。若輸出壓力發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，閥的開(kāi)度就發(fā)生變化，最終進(jìn)油量發(fā)生變化，從而使輸出壓力維持在給定彈簧設(shè)置的壓力上。

本文所述壓差補(bǔ)償器如圖2～3所示，一側(cè)和液壓油相通，另一側(cè)和外界水環(huán)境相通，中間通過(guò)法蘭盤(pán)連接，滾動(dòng)膜片在其中把液壓油和水環(huán)境隔離開(kāi)。在壓差補(bǔ)償器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生于壓力大的一側(cè)，在驅(qū)動(dòng)力的作用下活塞帶動(dòng)滾動(dòng)膜片運(yùn)動(dòng)，直到驅(qū)動(dòng)力與彈簧彈力達(dá)到平衡。水下壓力變化時(shí)，膜片在活塞的驅(qū)動(dòng)下在內(nèi)部往復(fù)移動(dòng)，平衡位置也隨之變化。出水后，在彈簧的作用下，活塞即可回到原始位置。同時(shí)，作為彈性元件的滾動(dòng)膜片本身也具有調(diào)節(jié)作用，其自身的卷積變形可抵消一定程度的壓差驅(qū)動(dòng)力。膜片的卷積變形區(qū)域發(fā)生在活塞和補(bǔ)償器內(nèi)壁的空隙空間。

2壓差補(bǔ)償器理論計(jì)算

圖4為滾動(dòng)膜片結(jié)構(gòu)，滾動(dòng)膜片的卷積寬度定義為［12］

Wc=Dc－Dp2（1）

式中：Wc為卷積寬度；

Dc為補(bǔ)償器殼體內(nèi)徑；

Dp為活塞直徑。

滾動(dòng)膜片滾動(dòng)時(shí)會(huì)有較多褶皺，其厚度δ越大，褶皺所占的空間就越大。滾動(dòng)寬度過(guò)小時(shí)，褶皺處的膜片會(huì)互相摩擦，影響滾動(dòng)；滾動(dòng)寬度過(guò)大時(shí)，滾動(dòng)膜片的承壓能力會(huì)下降。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，有如下公式：

Dp+2δDc－2δ=0.8～0.9（2）

Wc=（8 ～ 12）δ（3）

較大的補(bǔ)償器殼體內(nèi)徑可以使壓力波動(dòng)減小［13］，其實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸為：

補(bǔ)償器內(nèi)徑Dc=120 mm，

活塞直徑Dp=100 mm，

膜片厚度δ=1 mm，本文取Wc=10 mm。

由公式（2）驗(yàn)證活塞以及補(bǔ)償器殼體的尺寸：

Dp+2δDc－2δ=100+2×1120－2×1≈0.86（4）

計(jì)算結(jié)果在0.8～0.9范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)條件。

由以上計(jì)算可知，比例系數(shù)取10時(shí)，等式成立，在要求的8～12之內(nèi)，即卷積寬度和膜片厚度滿(mǎn)足條件。

膜片的抗拉強(qiáng)度與厚度關(guān)系如下：

σr=Krδ（5）

式中：σr為滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度；

Kr為滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度系數(shù)。

膜片能承受的最大內(nèi)外壓差為

Pb=2σrWc（6）

式中：Pb為膜片的臨界壓力。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可查得滾動(dòng)膜片的抗拉強(qiáng)度σr =（10～20）MPa，這里取值σr =10 MPa。

由式（6）計(jì)算可以得知Pb=2 MPa。

壓差補(bǔ)償器作為壓力容器，基于安全考慮，取安全系數(shù)n=4。則

膜片的安全工作壓力為

Pb=Pb4=0.5 MPa（7）

目前受橡膠材料和工藝水平的限制，滾動(dòng)膜片的厚度在0.5～1.0 mm之間［14-15］，所能承受的最大內(nèi)外壓差不超過(guò)2 MPa。

3壓差補(bǔ)償器仿真分析

3.1仿真模型建立

考慮到滾動(dòng)膜片的變形主要集中發(fā)生在卷積區(qū)域［16-17］，這里把滾動(dòng)膜片的實(shí)體仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示，這里重點(diǎn)對(duì)滾動(dòng)膜片滾動(dòng)時(shí)卷積處的應(yīng)力和位移進(jìn)行針對(duì)性研究。

膜片是橡膠材料，其物理化學(xué)性能與金屬材料有很大差別，所以采用的是非線性應(yīng)力分析，模型類(lèi)型選擇超彈性-Mooney Rivlin模型。

Mooney-Rivlin應(yīng)變能密度函數(shù)模型為［18］

W=Ni+j=1Cijl1－3il2－3j+Nk=11dkl32－12k（8）

式中：N、Cij和dk為材料常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。

仿真求解時(shí)采用具體的參數(shù)如表1所列。

3.2邊界條件及網(wǎng)格劃分

如圖6（a）所示，固定區(qū)域?yàn)槟てc活塞缸體法蘭和補(bǔ)償器殼體法蘭連接未發(fā)生形變的區(qū)域，這里采用固定連接方式，定義位移為零；滑動(dòng)區(qū)域?yàn)榛钊麕?dòng)膜片向上或者向下同步移動(dòng)時(shí)未發(fā)生形變的區(qū)域，這里作滑動(dòng)處理，徑向位移為零，軸向位移為向上或向下移動(dòng)5 mm；卷積區(qū)域?yàn)槟て瑵L動(dòng)發(fā)生變形的區(qū)域。

如圖6（b）所示，滾動(dòng)膜片的仿真模型網(wǎng)格需要精細(xì)劃分，這里選取的網(wǎng)格尺寸大小為1.2 mm。

3.3應(yīng)力和位移分析

如圖6（a）所示，滑動(dòng)區(qū)域?yàn)槟てc活塞連接的一端，隨著活塞同時(shí)向上或者向下移動(dòng)5 mm，固定區(qū)域膜片另一端與活塞缸體法蘭連接固定，卷積區(qū)域在活塞向下移動(dòng)的過(guò)程中，膜片沿著法蘭內(nèi)壁滾動(dòng)。

這里為了對(duì)比滾動(dòng)膜片在活塞向上或向下移動(dòng)過(guò)程中的不同受力情況，利用ANSYS對(duì)滾動(dòng)膜片在上行程和下行程過(guò)程中的受力展開(kāi)分析，結(jié)果如圖7和圖9所示。

在圖6（b）中，選取節(jié)點(diǎn)4并研究其在膜片滾動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力和位移變化曲線，如圖8和圖10所示。

（1） 當(dāng)壓差補(bǔ)償器內(nèi)部液壓油壓力小于外界水壓力時(shí)，活塞向上移動(dòng)，滾動(dòng)膜片行程向上。

通過(guò)仿真分析的應(yīng)力和位移云圖可以看出：此時(shí)膜片的最大應(yīng)力為0.043 2 MPa，最大位移為5.06 mm。

在活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)膜片行程向上，膜片受到牽引，應(yīng)力曲線曲率平緩達(dá)到峰值，最大值發(fā)生在膜片與活塞將要接觸的圓角處。位移曲線后半段陡然上升，此時(shí)膜片應(yīng)力達(dá)到峰值，膜片在應(yīng)力作用下發(fā)生變形，位移變化加快。

（2） 當(dāng)壓差補(bǔ)償器內(nèi)部液壓油壓力大于外界水壓力時(shí)，活塞向下移動(dòng)，滾動(dòng)膜片行程向下。

通過(guò)仿真分析的應(yīng)力和位移云圖可以看出：此時(shí)膜片的最大應(yīng)力為0.038 8 MPa，最大位移為5.11 mm。

在活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)膜片行程向下，膜片受到擠壓，應(yīng)力曲線接近線性達(dá)到峰值，最大值發(fā)生在膜片與活塞將要接觸的圓角處。位移曲線比較平緩，膜片和活塞缸內(nèi)壁接觸后速度放緩，位移變化放慢。

仿真分析結(jié)果表明，滾動(dòng)膜片可以實(shí)現(xiàn)較大位移，即可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的壓力補(bǔ)償。在較大位移的同時(shí)，其變形阻力較小，當(dāng)位移方向朝向底端的卷積區(qū)域時(shí)，其變形阻力更小，可以使壓力補(bǔ)償過(guò)程更加快速靈活。

4應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器應(yīng)用在了如圖11所示的潛水清淤機(jī)器人上，將機(jī)器人安裝在液壓系統(tǒng)的液壓油箱上，可構(gòu)成一種具備壓差補(bǔ)償功能的液壓油箱。使用時(shí)先在油箱內(nèi)加滿(mǎn)液壓油，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)油箱內(nèi)液面降低時(shí)持續(xù)補(bǔ)油，直至再次加滿(mǎn)。密封液壓油加油口及油箱透氣孔，確保球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，卸下堵帽，在球閥上連接預(yù)壓設(shè)備，當(dāng)預(yù)壓到計(jì)算值時(shí)，關(guān)閉球閥，卸下預(yù)壓設(shè)備，裝配堵帽即可。

疏浚工藝示意如圖12所示。在電纜、排泥管、浮體等附屬設(shè)備安裝完成后，清淤機(jī)器人采用吊機(jī)輔助進(jìn)入管涵，到達(dá)淤泥位置后，通過(guò)絞吸頭收集淤泥，經(jīng)過(guò)泥漿泵和排泥管輸送到地面。

此清淤機(jī)器人及整套疏浚工藝在深圳市龍崗區(qū)龍崗河流域、深圳河流域、觀瀾河流域河流水質(zhì)提升及污水處理提質(zhì)增效工程中得到了實(shí)際使用，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器的可行性。

5結(jié) 語(yǔ)

本文基于清淤機(jī)器人的使用需求，對(duì)滾動(dòng)膜片式壓差補(bǔ)償器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，通過(guò)非線性有限元仿真計(jì)算對(duì)滾動(dòng)膜片進(jìn)行了力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)膜片可以實(shí)現(xiàn)較大的位移，即較大范圍的壓力補(bǔ)償，同時(shí)其變形阻力較小，使得壓力補(bǔ)償過(guò)程更加快速靈活。設(shè)計(jì)出的壓差補(bǔ)償器最終在清淤項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，為壓差補(bǔ)償器的下一步優(yōu)化升級(jí)及其系列化提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋政昌，周成龍，張述清，等.清淤機(jī)器人在暗涵疏浚工程中的應(yīng)用［J］.西北水電，2020（增1）：70-73.

［2］張寅，張建洋，陸順新，等.某液壓泵馬達(dá)測(cè)試臺(tái)功率回收系統(tǒng)研究及分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2023，47（11）：150-157.

［3］夏雪.深海電視抓斗液壓系統(tǒng)改進(jìn)分析與應(yīng)用［J］.液壓與氣動(dòng)，2019，43（10）：114-117.

［4］鄭相周，唐國(guó)元，羅紅漢.深水液壓系統(tǒng)壓力補(bǔ)償器的分析與設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2014，38（7）：96-98.

［5］李海賓，沈俊，仇智，等.高壓閥口液動(dòng)力補(bǔ)償控制策略仿真分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2024，48（1）：1-9.

［6］洪嘯虎，薛尚文，常興，等.基于海洋環(huán)境的水下液壓系統(tǒng)密封技術(shù)研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2012，32（3）：15-16，19.

［7］李延民.潛器外置設(shè)備液壓系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［8］孟慶鑫，王茁，魏洪興，等.深水液壓動(dòng)力源壓力補(bǔ)償器研究［J］.船舶工程，2000（2）：60-61，67.

［9］王峰.基于海水壓力的水下液壓系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2009.

［10］寧士夏.滾動(dòng)膜片的特性及其應(yīng)用［J］.特種橡膠制品，1994（3）：33-35.

［11］劉浩，胡震，馬嶺，等.深海載人潛水器滾動(dòng)膜片式壓力補(bǔ)償器研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（10）：1313-1317，1352.

［12］AMEDURI B，BOUTEVIN B，KOSTOV G.Fluoroelastomers：synthesis，properties and applications［J］.Progress in Polymer Science，2001，26（1）：105-187.

［13］胡浩龍，龍雷，沈雪，等.深海液壓系統(tǒng)壓力補(bǔ)償器研究［J］.海洋工程裝備與技術(shù)，2018，5（增1）：209-213.

［14］曾旭.燃?xì)庹{(diào)壓器中滾動(dòng)膜片的應(yīng)用與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2017（8）：180-181.

［15］蘇海霞，李高軍.一種膜片式監(jiān)控調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)［J］.閥門(mén)，2023（3）：286-289.

［16］楊衛(wèi)華.一種深海環(huán)境下壓力平衡方法和壓力傳感器的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

［17］曹學(xué)偉.深水水下控制模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用試驗(yàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2016.

［18］彭向峰，李錄賢.超彈性材料本構(gòu)關(guān)系的最新研究進(jìn)展［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，2020，52（5）：1221-1232.

（編輯：胡旭東）