海水液壓傳動(dòng)技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用

詹傳明，劉銀水，吳德發(fā)

(1.中船重工集團(tuán)第 710所，湖北 宜昌 443003;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院機(jī)電系，湖北 武漢 430074)

1 前言

海洋是人類(lèi)生存和發(fā)展的資源寶庫(kù)。隨著科技水平的提高和國(guó)家利益的需要，人類(lèi)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)也不斷向深海邁進(jìn)。進(jìn)行深海調(diào)查、探測(cè)、海底勘查、海洋油氣和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、海底打撈、救生及海軍軍事建設(shè)等均離不開(kāi)現(xiàn)代化的潛水器。

液壓技術(shù)具有單位功率重量輕、體積小、輸出功率大、輸出平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種潛水器。

海水液壓傳動(dòng)直接以海水作為工作介質(zhì)，除了具有液壓傳動(dòng)本身所具有的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有下列優(yōu)越性[1]：

(1)沒(méi)有環(huán)境污染，有利于保護(hù)海洋環(huán)境;

(2)直接從海洋中吸水作為工作介質(zhì)，沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)、儲(chǔ)運(yùn)和管理介質(zhì)的費(fèi)用及麻煩，亦節(jié)省了石油資源;

(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成開(kāi)環(huán)形式，直接從海洋吸水，作業(yè)后的水直接排回海洋，不需要水箱和回水管，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，從而減小了體積和重量，提高了設(shè)備的機(jī)動(dòng)性和靈活性;

(4)海水粘溫和粘壓系數(shù)小，在正常工作條件下其粘度基本保持不變，因此系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定;

(5)具有補(bǔ)償水深壓力的功能。系統(tǒng)吸入口直接通海洋，水深壓力的增加，使得泵的吸入口的壓力增加，在電機(jī)輸出到泵的功率不變的情況下，泵的出口壓力也將增加相應(yīng)的部分，抵消水深壓力的影響。因此適用于大深度的作業(yè)需求，提高了系統(tǒng)的效率;

(6)動(dòng)力源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間僅用一根壓力水管連接，因此受潮流的作用力小，潛水員承受的附加作用力小，操作輕便，作業(yè)范圍可大大提高;

(7)在水中可以方便地拆卸和更換元器件，維護(hù)簡(jiǎn)單。

由于上述突出優(yōu)點(diǎn)，海水液壓傳動(dòng)技術(shù)在潛水器中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 海水液壓傳動(dòng)在載人潛水器中的應(yīng)用

1)海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

深潛器在水下作業(yè)時(shí)一些因素會(huì)引起其儲(chǔ)備浮力發(fā)生變化，如取樣后重量的增加、水介質(zhì)的特性(壓力、溫度)而引起海水密度的變化、隨著下潛深度的增加，潛水器耐壓結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形而引起排水體積變化等。為確保潛水器在一定深度具有相對(duì)穩(wěn)定的作業(yè)姿態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行浮力微調(diào)。目前常見(jiàn)的浮力調(diào)節(jié)有如圖 1所示的 3種方案。

圖1a是利用高壓氣瓶中的高壓空氣來(lái)排放水箱中的海水，從而實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)。此時(shí)氣壓必須高于水深壓力，當(dāng)水深增加到一定程度時(shí)，氣源發(fā)生裝置的體積急劇增加，能耗也急增，所以大深度作業(yè)時(shí)無(wú)法采用。

圖1b是采用軟、硬兩只油箱，當(dāng)所有的油都在耐壓油箱里時(shí)，橡皮囊受到壓縮，排水體積最小，浮力小。當(dāng)油泵把油壓送到安放在潛水器舷外的橡皮囊里時(shí)，排水體積增加，而重量未變，所以浮力增加。這種浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜、笨重，而且油和海水要嚴(yán)格分離。

圖1c是在潛水器內(nèi)放置耐壓水箱，其容積等于所要求的最大浮力調(diào)節(jié)量。需要調(diào)節(jié)浮力時(shí)，用容積式海水泵將水箱中的水排出，或者從外界注入水，使?jié)撍鞯闹亓堪l(fā)生變化，以此來(lái)控制潛水器的沉浮。

比較上述 3種調(diào)節(jié)方案后可以看出，采用高壓水泵的方案時(shí)，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，潛水深度可以很大，被認(rèn)為是最佳方案，特別是在潛水器重量大、潛水深度深的情況下，其優(yōu)越性更加突出。此中方案的關(guān)鍵是要研制出工作可靠的高壓容積式海水泵，可能達(dá)到的潛水深度決定于海水泵的工作壓力。

圖1c是國(guó)際上目前普遍采用的形式，如美國(guó)的“ALVIN”號(hào) ，日本“SHINKAI 6500”號(hào)等載人潛水器均采用此浮力調(diào)節(jié)形式。

“NEW ALVIN”是美國(guó)正在研制的 6500m深海載人潛水器，甚至將潛浮拋載、可調(diào)壓載、壓載水箱注排水、縱傾調(diào)節(jié)以及橫傾調(diào)節(jié)合為一個(gè)系統(tǒng)，采用唯一的壓載水艙不等量注水式壓載系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 5個(gè)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)包括多個(gè)壓載水艙和多臺(tái)較大流量的超高壓海水泵，從而使得潛水器本身需要攜帶的有效配載大大降低[2]。

圖1 潛水器浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

某科技大學(xué)于 1996年研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)閥配流軸向七柱塞海水泵，流量 100 L/min，最大工作壓力6.3MPa。該泵于 1996年 8月完成實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)收后裝備于某救生艇上，主要功用是：為對(duì)口裙排水、進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)及艇的縱橫傾調(diào)節(jié)。

2)海水液壓機(jī)械手

大深度作業(yè)不可能靠潛水員來(lái)操作工具直接完成，必須依靠機(jī)械手，通過(guò)遙控來(lái)完成規(guī)定的作業(yè)任務(wù)。如“蘭鯨號(hào)”雙功型打撈潛水器是既能載人在水下直接作業(yè)，又能通過(guò)裝設(shè)于水面母船上的集控臺(tái)遙控操作的重型作業(yè)潛水器，其主要任務(wù)是用于水下沉物的探測(cè)和打撈，兼顧其他一些作業(yè)如纜繩剪切、掛鉤等，因此配備有兩只機(jī)械手：打撈機(jī)械手和作業(yè)機(jī)械手。打撈機(jī)械手安裝于潛水器正前方，作業(yè)機(jī)械手為通用的作業(yè)機(jī)械手，安裝于潛水器的右前方[3]。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的水下機(jī)械手絕大部分均采用油壓驅(qū)動(dòng)方式。在海水液壓機(jī)械手方面，英國(guó) DSEL公司于1987年研制成功一種新型水下機(jī)器人 DUPLUSII，作業(yè)深度為 750m，該機(jī)器人上裝有 3支標(biāo)準(zhǔn)海水液壓機(jī)械手來(lái)完成多種工作，一只機(jī)械手抱住水下物體穩(wěn)定潛水器，另兩只機(jī)械手既可從事擰螺釘、閥門(mén)等作業(yè)，也可在機(jī)械手上加裝一些切割刀、鋼絲刷等水下工具，完成不同類(lèi)型的水下作業(yè)[4]。1993年，英國(guó) Hull大學(xué)的 PM Taylor等人也研制了一種海水液壓水下機(jī)器人(Water Hydraulic Robot)[5]。

日本小松制作所(Komatsu，Ltd)的吉灘裕撰文介紹了日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院大型計(jì)劃“極限作業(yè)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)”(S58～H2)，該計(jì)劃研制了采用全海水進(jìn)行潤(rùn)滑的、由海水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)機(jī)械手[6]，該機(jī)械手的自由度為 7個(gè)，手部自由度 11個(gè)，最大作用范圍 1 m，總重量 18 kg，可搬重量 5 kg。使用結(jié)果證明，海水液壓系統(tǒng)的位置控制精度比油壓系統(tǒng)高。圖 2是該海水液壓驅(qū)動(dòng)水下機(jī)械手的樣機(jī)構(gòu)造，它各關(guān)節(jié)處的液壓馬達(dá)是海水液壓馬達(dá)。

圖2 海水液壓驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)機(jī)械手

3)海水液壓作業(yè)工具

工具是直接用來(lái)對(duì)工件進(jìn)行作業(yè)的系統(tǒng)終端。如前文所提到的機(jī)械手上加裝的切割刀、鋼絲刷等均屬于工具。水下作業(yè)時(shí)工具可由潛水員操作，也可加裝在機(jī)械手的終端，由機(jī)械手操作。深海作業(yè)工具以液壓工具為主，而目前更多的液壓工具是以礦物油作為工作介質(zhì)。在海水液壓工具方面，1982年，在美國(guó)海軍海洋系統(tǒng)司令部(NSSC)的支持下，土木工程實(shí)驗(yàn)室研究出實(shí)驗(yàn)用的海水液壓工具系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)力源由內(nèi)燃機(jī)提供，采用葉片泵，作業(yè)工具有旋轉(zhuǎn)式?jīng)_擊扳手和螺旋槳清洗刷，系統(tǒng)壓力 14 MPa，流量 45 L/m in。1989年又研制出多功能海水液壓工具系統(tǒng)，系統(tǒng)仍由內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，系統(tǒng)壓力 14MPa，流量 53 L/min，作業(yè)工具包括旋轉(zhuǎn)式?jīng)_擊工具、帶鋸、盤(pán)形工具和沖擊鉆等。英國(guó) 1988年研制出壓力分別為 14 MPa和 10 MPa的柱塞式海水液壓泵和馬達(dá)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的海水液壓水下動(dòng)力工具。芬蘭 Tampere科技大學(xué) 1994年研制開(kāi)發(fā)用于驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)工具及水下機(jī)器人的自持式海水液壓水下動(dòng)力站。

圖3為我國(guó)華中科技大學(xué)研制的海水液壓水下作業(yè)工具系統(tǒng)[7，8]。該系統(tǒng)通過(guò)過(guò)濾器從海洋或江湖直接吸水，輸出的高壓水通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥及高壓軟管后被傳送到往復(fù)型作業(yè)工具(如鋼纜切割器)，完成切割鋼纜等水下作業(yè)任務(wù);或被傳送到旋轉(zhuǎn)型作業(yè)工具(如清刷/打磨器)，在海水液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下可完成清刷、打磨、鉆孔等作業(yè)任務(wù)。高壓水作功后直接排回海洋環(huán)境。水泵的出口壓力由溢流閥調(diào)節(jié)，工具的轉(zhuǎn)速由流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)出下列 10種海水液壓工具，包括：

(1)往復(fù)型工具 4種：海水液壓鋼纜切割器;海水液壓軟纜割刀;海水液壓擴(kuò)張器;海水液壓扭矩扳手。

(2)旋轉(zhuǎn)型工具 6種：海水液壓沖擊扳手;海水液壓無(wú)齒鋸;海水液壓鉆;海水液壓清刷器;海水液壓外圓打磨器;海水液壓鏈鋸 。

圖3 海水液壓水下作業(yè)工具系統(tǒng)

如果該系統(tǒng)由普通船用電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)海水液壓泵，可放置在母船甲板或碼頭、岸邊，動(dòng)力源與工具通過(guò)高壓軟管相連，用于淺?；蚪Ｗ鳂I(yè)。如果海水泵由潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則系統(tǒng)可以放置于潛水器艙內(nèi)或艙外，為工具或其它執(zhí)行元件提供動(dòng)力。

隨著我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的迅速發(fā)展，這種新型水下作業(yè)工具在海上救撈、海洋資源調(diào)查、船舶工程、海洋建筑等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，海水液壓動(dòng)力工具還可以直接以淡水作為工作介質(zhì)，用于內(nèi)陸水庫(kù)大壩、港口碼頭和河道工程等的檢測(cè)與維護(hù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

海水液壓傳動(dòng)技術(shù)在載人潛水器中的應(yīng)用分為兩種類(lèi)型：一是原來(lái)油壓傳動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合，采用海水壓傳動(dòng)技術(shù)來(lái)替代，如機(jī)械手和作業(yè)工具等，二種是原來(lái)不采用油壓傳動(dòng)方式，但是海水液壓傳動(dòng)由于其突出的優(yōu)點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)力而被采用。可以預(yù)測(cè)，隨著載人潛水器的大力發(fā)展，海水液壓傳動(dòng)技術(shù)在海洋環(huán)境中將找到一個(gè)良好的應(yīng)用平臺(tái)。

[1] 劉銀水，郭占軍，朱碧海，等.海水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)工具系統(tǒng)[J].海洋技術(shù)，2006，25(4)：65-69.

[2] 湯國(guó)偉，邱中梁，高波.深海載人潛水器縱傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2007，(4)：33-35.

[3] 茅及愚，張向明，徐國(guó)華，等.蘭鯨號(hào)潛器兩型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].海洋工程，1998(2)：80-87.

[4] Usher S，etal.Towards awater-powered robot[J].Industrial Robot，1996，23(4)：19-23.

[5] Taylor P M，Kieffer J，Oldaker R，etal.A water hydraulic robot[C].Proceedings of the 32nd Conference on Decision and Control，Part 2(of 4)，Dec15-17，v2，1993：1911-1912.

[6] 吉灘裕，佐佐木宏，成瀨俊久.海水壓驅(qū)動(dòng)マニピュレ—タにつぃで[J].油壓と空氣壓，平成 3年，9月，22卷，6號(hào)：48-55.

[7] 劉銀水，王曉斌，吳德發(fā)，趙立志.移動(dòng)式水液壓驅(qū)動(dòng)水下作業(yè)工具系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2008(10)：14-17.

[8] LIU Yin-shui，JIN Feng-lai，WU De-fa，etal.Developmenton the power pack of and underwater tool system d riven by seawater hyd rau lics[C].Proceedings of 7th ICFP'2009，Hangzhou：471-475.