海水液压传动技术的应用与展望

admin · 发表于 2020-10-22 17:43:05

海水液压传动技术的应用与展望

赵宇东

（北华航天工业学院机电工程学院，廊坊065099）

摘要：海水液压技术由于其与海洋环境相容、具有海深压力自动补偿功能、运行成本低、工作介质易处理、难燃、系统组成简单、清洁等优点，已在国内外的深海装备中得到了成功应用。介绍海水液压技术的优点及国内外研究简况。分析液压元件与系统采用海水直接作为工作介质所面临的关键技术问题，从新原理、新材料、新结构、新工艺等方面分析相应的解决措施。介绍几个海水液压技术在深海装备中应用的实例：①深潜型液压动力源, 该动力系统可用于驱动海水液压水下作业工具；②海水液压浮力调节系统，替代油压和气压浮力调节系统，具有结构简单，性能可靠等优点，是目前大深度潜器普遍采用的形式；③海水液压水下作业工具，直接以海水作为工作介质，同油压工具相比，具有系统组成简单、压力损失小、效率高、维护方便等优点。④海水液压驱动水下作业机械手，是今后水下作业机械手驱动方式发展的新方向。

关键词：海水液压传动；动力源；浮力调节系统；水下作业工具；机械手；

Application and Prospect of Seawater Hydraulics

ZHAO Yu-dong

(School of Electrical and Mechanical Engineering, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065099)

Abstract：Seawater hydraulics is successfully used in deep-sea equipment because of its environmental friendliness, seawater pressure automatic compensation，low operating cost，easy disposal of working media，simpleness of system composition and cleanliness．The advantages of seawater hydraulics and research profile are introduced．The key technical challenges and countermeasure of seawater hydraulics used in deep sea equipment are analyzed, the solutions based on new principle，new materials，new structures and new procedures are further proposed．Three applications of seawater hydraulics in deep-sea equipment are presented．One of them is a deep dive seawater hydraulic power system for underwater tools. The seawater hydraulic variable ballast system，which is a promising substitute for oil hydraulic buoyancy regulating system and variable ballast system based on pneumatic because of many advantages，such as simple mechanism and high-reliability．Furthermore，seawater hydraulic variable ballast system is a general choice of deep sea submersible vehicles．Seawater hydraulic underwater tool is also a typical application．Compared with oil hydraulic underwater tools，it has simpler system composition，lower pressure loss，more convenient maintenance and higher efficiency．As new promising driven modes for underwater tools，seawater hydraulic manipulator and seawater hydraulic ray are in the presentation of the applications as well．

Key words：seawater hydraulics; power system; variable ballast system; underwater tool; manipulator

0.引言

占地球面积70％的辽阔海洋是人类生存和发展的资源宝库。深海资源开发离不开现代化的水下作业装备，如海上采矿设备、深水钻探设备、海底采油装置、各种潜水器、水下作业及维护设备等。液压传动具有刚性好、结构紧凑、承载能力高、功率重量比大、响应速度快、远距离控制灵活等特点，在深海装备上得到广泛的应用。然而，传统的液压系统以矿物油作为工作介质，存在着环境污染(工作介质与海洋环境不相容)、结构复杂(需要压力补偿、油箱和回油管等)、工作可靠性差(密封要求严格，海水侵入到系统引起油液变质、元件腐蚀磨损加剧)等问题。

海水液压传动技术(直接由海水代替矿物油作系统的工作介质)是国际上流体传动领域的前沿研究领域。目前国际上只有美、英、日、德、芬兰等少数工业发达国家做此项技术的研究。与油液压技术相比，海水液压技术发展要晚得多。由于相关学科的发展，海水液压技术从20 世纪80年代以来进入快速发展期，并最早应用于海洋装备。

1982年，在美国海军海洋系统司令部NSSC) 的支持下，土木工程实验室研究出实验用的海水液压工具系统。

1978年英国海军委托英国工程实验室研制用海水液压驱动的水下作业工具。1985年英国Shell与ESSO两大著名石油公司出资40万英镑，与土木工程实验室合作研制海水液压泵和马达，1988年研制出压力分别为14 MPa和10 MPa的柱塞式海水液压泵和马达，并开发相应的海水液压水下动力工具。

芬兰Tampere科技大学参与欧洲尤里卡计划，并与Hytar Oy Water Hydraulics公司合作从事海(淡)水液压系统的研究与应用工作。于1994年开始研制开发用于驱动水下作业工具及水下机器人的自持式海水液压水下动力站，1995年研制出压力14～21 MPa、流量30 L／min的新型轴向柱塞式海水液压泵及马达。

德国Hauhinco公司1995年推出了RKP系列海水液压径向柱塞泵，成功应用在海底管道维修系统中。泵采用5或7柱塞，阀配流方式，工作压力可以达到32 MPa，其中RKP-160型泵在21 MPa压力下容积效率为94％。

日本小松工业株式会社、三菱重工、萱场工业株式会社等从1980年代开始相继研制出轴向柱塞式海、淡水液压泵。

国内，华中科技大学于1990年在国内率先开始海水液压技术的研究，已研制出一系列海(淡)水液压元件，并形成多种型号的产品投入现场应用。此外，浙江大学、大连海事大学、西南交通大学、中国海洋大学、北京工业大学、燕山大学、南昌大学等也结合自己的优势相继开展了海水或淡水液压技术研耕。与油液压系统不同，海水液压系统在深海应用一般采用开式系统，海水泵直接从海洋环境中通过过滤器吸入海水，加压做功后，海水直接排回海洋，因此海水在系统中是不循环的。海水液压技术在深海装备中的应用不仅具有液压传动的优点，而且克服了油压系统的缺点，具有十分突出的优越性，分别如下。

(1) 系统直接从海洋中吸水作为工作介质，做功后直接排回海洋，系统内外海深压力平衡，不需要压力补偿装置。

(2) 系统设计成开环形式，不用配备水箱和回水管，结构简单。系统大为简化，从而减小了体积和重量，提高了设备的机动性和灵活性；

(3) 系统与海洋环境完全兼容，海水的侵入或外泄漏不会影响系统的工作可靠性及污染环境。

(4) 海水粘温和粘压系数小，在正常工作条件下其粘度基本保持不变，因此系统工作性能稳定；

(5) 具有补偿水深压力的功能。系统吸入口直接通海洋，水深压力的增加，使得泵的吸入口的压力增加，在电机输出到泵的功率不变的情况下，泵的出口压力也将增加相应的部分，抵消水深压力的影响。因此适用于大深度的作业需求，提高了系统的效率；

(6) 节省了购买、运输、储存液压油以及废油处理所需的费用和麻烦。亦节省了石油资源；

(7) 系统使用和就地维护方便。

1.海水液压关键技术

采用海水液压驱动的深海装备面临的技术问题主要来自于两个方面，一是海水介质的特性带来的问题；二是由于深海环境因素带来的问题，腐蚀与磨损、泄漏与效率、气穴与噪声、冲击与振动。除此之外，深海环境还会对元件的性能产生如下影响，主要包括深海压力和温度对介质特性的影响，海水介质的颗粒污染。海深压力对摩擦副的影响。对这些问题，其解决措施可以粗略地概括为以下几个方面。

(1) 新原理。油压系统在海洋中使用均采用闭系统。海水液压系统应用于深海环境，则一般采用开式系统，具体有两种实现形式：一种形式是系统直接从海洋中吸水，做功后直接排回海洋：另一种形式是系统仍然保留进水管、回水管和水箱，但水箱和海洋环境沟通，这样可以减小对过滤装置的要求。无论哪一种形式，系统内外海深压力均平衡，因而不需要深海环境中油压系统的压力补偿装置，从而避免了海水渗入到系统或油液泄漏到海洋的危险。

(2) 新结构。如采用二级节流或多级节流等形式减小气穴的发生；对摩擦副表面进行微观改形，从而改善其摩擦性能；为了克服滑靴的倾覆，采用三腔独立静压支承的滑靴结构等。

(3) 新材料。新型工程材料的应用是海水液压技术的一大特色和亮点。国内外的研究者对此进行了大量的研究。目前应用的材料主要包括耐蚀合金、工程塑料、工程陶瓷等。

耐蚀合金是海水液压元件中应用最广泛的一种材料。耐蚀合金的种类很多，钛及其合金、哈氏合金具有优秀的耐蚀性能；其次是镍基合金和铜合金；不锈钢是目前海洋环境中应用普遍的一种耐蚀合金，主要应用的种类是奥氏体不锈钢和双相不锈钢。

(4) 新工艺。新材料的应用必然涉及与之相适宜的工艺。目前常用的陶瓷工艺方法有等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂及整体烧结等。在海水环境中，表面喷涂陶瓷零件的主要失效形式是涂层特定相的选择析出和结合界面的缝隙腐蚀，从而引起涂层的剥落和热裂纹。

2.海水液压技术的典型应用

2.1深潜型液压动力源

以海水为工作介质的深潜型液压动力源有效地克服油压动力源的不足，同时，海水的黏度小，远距离、传输压力损失小，有利于深海作业。对于海水液压动力源而言，其下潜深度主要取决于电气元件，如电机、接头及检测元器件的耐压深度。

该系统直接投放于水下工作，主要由潜水电机、海水液压泵、溢流阀、流量阀、过滤器及电控制柜等元器件组成。系统原理如图1所示：海水液压泵2由潜水电机3驱动，直接从周围海洋环境中吸水，经过滤器1过滤后进入液压泵，泵出口压力由溢流阀7调定，并由压力表5显示，系统回水经单向阀9直接排入周围海水中，系统输出的高压水通过快换插头10与水下作业工具相连，流量阀6调定通往水下作业工具的流量。

2.2海水液压浮力调节系统

如图2所示为第二代“Alvin”号所用海水液压浮力调节系统原理图，该系统工作深度为4 500 m，最大工作压力65 MPa，额定流量4 L／min。通过A—D四个液控开关阀，可控制压载海水流向，当A&D阀打开时系统处于排水工况，当B&C阀打开是系统处于注水工况。安装在泵出口的压力平衡阀可确保泵的出口压力始终大于入口压力。与泵并联的液控E在开启状态时可使泵的入口与出口相连，从而使系统低负载启动。该系统可调压载水舱在作业前预冲高压气，这样有利于改善排水工况时泵的吸入特性。图2 海水液压浮力调节系统原理图

我国的7 000 m载人潜水器“蛟龙号”、4 500 m载人潜水器均采用海水浮力调节系统。

2.3海水液压工具

图3分别为华中科技大学研制的海水液压水下作业工具系统。该系统通过过滤器从海洋或江湖直接吸水，输出的高压水通过流量调节阀及高压软管后被传送到往复型作业工具(如钢缆切割器)，完成切割钢缆等水下作业任务；或被传送到旋转型作业工具(如清刷、打磨器)，在海水液压马达的驱动下可完成清刷、打磨、钻孔等作业任务。高压水作功后直接排回海洋环境。水泵的出口压力由溢流阀调节，工具的转速由流量调节阀调节。该系统已开发出下列十种海水液压工具，如图4所示，往复型工具四种：海水液压钢缆切割器、海水液压软缆割刀、海水液压扩张器、海水液压扭矩扳手；旋转型工具六种：海水液压冲击扳手、海水液压无齿锯、海水液压钻、海水液压清刷器、海水液压外圆打磨器、海水液压链锯。

图3 海水液压水下作业工具系统图4 水下作业工具

2.4海水液压驱动水下作业机械手

在海水液压机械手方面，英国DSEL公司于 1987年研制成功一种新型水下机器DUPLUSII，作业深度为750 m，该机器人上装有三支标准海水液压机械手来完成多种工作，一只机械手抱住水下物体稳定潜水器，另两只机械手既可从事拧螺钉、阀门等作业，也可在机械手上加装一些切割刀、钢丝刷等工具，完成不同类型的水下作业。1993年，英国Hull大学的TAYLOR等也研制了一种海水液压水下机器人(Water Hydraulic Robot)。

日本小松制作所(Komatsu，Ltd)研制了采用海水液压驱动的水下作业机械手，该机械手的自由度为7个，手部自由度11个，最大作用范围1 m，总质量18 kg，可搬质量5 kg。使用结果证明，海水液压系统的位置控制精度比油压系统高。图5是该机械手的样机构造，它的各关节由海水液压马达驱动。

图5 水液压驱动水下作业机械手

3.应用展望

相比而言，海水液压传动技术在海洋能开发利用方面,优势明显。首先，海水液压传动系统具有响应速度快、控制精度高、系统效率高、功率密度大等优点，能够满足海洋能设备对工作效率的要求, 且环境无害；其次，相对于机械传动，在同等功率下，装置体积小，结构紧凑工作平稳，反应快，冲击小，能高速启动，制动和换向，控制、调节简单，易于实现自动化与电气控制配合使用以及实现复杂的顺序动作和远程控制，且易于实现系列化、标准化，易于设计，制造和推广使用。最后，海水液压传动设备本身抗海水腐蚀性强，便于设备的维护和保养。目前，世界上虽然已经开发出某些主要水液压元件和系统，并在特定领域得到实际应用，但其压力、控制性能仍然与油压元件有相当差距，还需要进一步深入开展包括材料、工艺和结构等方面的基础研究。与此同时，随着人们对绿色环境的重视以及经济可持续发展的要求，水液压技术将面临着前所未有的机遇和挑战，也会朝着“高压化”、“集成化”、“低噪化”的趋势发展。可以预计，随着海洋开发的大力发展，深海将是未来液压技术应用的主战场之一。

4.结论

目前，海水液压技术在深海装备中的应用可分为两种类型：一是原来油压传动应用的场合，采用海水压传动技术，如前文介绍的几个应用例子；另外一种是由于海水液压技术的突出优势而拓展出来的新领域，如海水淡化、细水雾消防等，本文尚未涉及。随着我国海洋开发力度的不断加大，海水液压技术的应用必将不断得到推广。

参考文献

[1] 蒋卓, 刘银水, 吴德发,等. 深潜型海水液压动力系统的研究[J]. 机床与液压, 2010, 38(13):4-6.