深海集成油壓源測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹學(xué)鵬 ，焦生杰 ，顧海榮，榮一轔

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064;2.四川海洋特種技術(shù)研究所，四川 成都 610041）

目前，國內(nèi)深海油壓源的設(shè)計(jì)和開發(fā)主要基于對(duì)已有陸用油壓源深海適應(yīng)性改造的方法[1-2]，潛在對(duì)深海環(huán)境因素的影響考慮不周的問題。為了驗(yàn)證樣機(jī)的適應(yīng)性并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的不足，需進(jìn)行反復(fù)的海試。海試具有試驗(yàn)周期長、測(cè)試項(xiàng)目有限、測(cè)試設(shè)備要求高、試驗(yàn)成本昂貴等特點(diǎn)，搭載遠(yuǎn)洋試驗(yàn)船又易受臺(tái)風(fēng)、海浪、洋流等不確定因素的影響，故多用于樣機(jī)正式投入使用前的驗(yàn)證測(cè)試[3]。為此，大氣下模擬深海環(huán)境的測(cè)試技術(shù)和平臺(tái)搭建就顯得尤為重要。本文開展模擬深海高壓的集成油壓動(dòng)力源測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究，以提高測(cè)試效率，縮減試驗(yàn)周期和成本，為深海油壓源產(chǎn)品化提供急需的測(cè)試平臺(tái)和硬件支撐。

1 測(cè)試平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

被測(cè)深海油壓源最大工作水深為4 500 m，在這一海層，海水溫度保持恒溫，約在3℃左右，海水密度基本保持1.028 g/cm3，鹽度在3.3%～3.7%之間，因上層海水自重的存在，油壓源受到海水環(huán)境壓力的作用[4-5]。對(duì)于內(nèi)浸式壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，海水高鹽度僅對(duì)儲(chǔ)油箱外壁產(chǎn)生腐蝕作用，而對(duì)油壓源系統(tǒng)本身并無影響。因此，深海環(huán)境的模擬包括環(huán)境溫度、環(huán)境壓力的兩大環(huán)境因素，另外，測(cè)試系統(tǒng)還需考慮油壓源液壓量調(diào)節(jié)及負(fù)載作用，設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）環(huán)境壓力：0～50 MPa；

（2）環(huán)境溫度：20～40℃；

（3）壓力、流量輸入可動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)；

（4）負(fù)載模擬可實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜態(tài)加載。

2 測(cè)試平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)

圖1 耐壓艙下溢流閥直接加載方案原理圖

深海油壓源測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，既要較真實(shí)地模擬深海極端環(huán)境條件及工況特點(diǎn)，還需兼顧大氣環(huán)境下實(shí)際條件的影響和限制。為此，根據(jù)加載方式的不同，提出下述兩種測(cè)試設(shè)計(jì)方案。

2.1 耐壓艙下溢流閥直接加載方案

設(shè)計(jì)的耐壓艙下溢流閥直接加載方案的系統(tǒng)組成如圖1所示，由兩個(gè)液壓子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)組成。

（1）深海環(huán)境高壓模擬系統(tǒng)，由高壓泵21和電機(jī)22組成的液壓動(dòng)力源，配合開關(guān)閥19.1、19.2及溢流閥20，實(shí)現(xiàn)耐壓實(shí)驗(yàn)艙17.1、17.2內(nèi)環(huán)境壓力在0～50 MPa范圍的調(diào)定，以達(dá)到深海環(huán)境壓力的模擬。

（2）溢流閥直接加載的油壓源測(cè)試系統(tǒng)。由電機(jī)、被測(cè)泵及電氣檢控裝置、加載閥組成，測(cè)試原理為：電機(jī)3驅(qū)動(dòng)被測(cè)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，泵出口壓力和耐壓艙17.1內(nèi)的環(huán)境壓力比較后，與壓力控制信號(hào)Pin形成的差信號(hào)經(jīng)閉環(huán)放大器處理，驅(qū)動(dòng)閥10開口變化，實(shí)現(xiàn)泵1的壓力調(diào)定，此時(shí)流量輸入Qin保持恒值，反之亦然。溢流閥25信號(hào)if實(shí)現(xiàn)泵的加載功能。閥25的進(jìn)出油口分別與艙17.1內(nèi)泵出油口和內(nèi)腔連通，使兩子系統(tǒng)內(nèi)油液循環(huán)流動(dòng)，使艙內(nèi)液體始終充滿，保證環(huán)境壓力的相對(duì)穩(wěn)定。

（3）數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)則由壓力、流量傳感器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成，圖1中11、16、26所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于油路圖相對(duì)簡單，實(shí)驗(yàn)裝置和負(fù)載加載元件也較少，溢流閥直接加載便捷，測(cè)試結(jié)果能較直接地反映油壓源自身的響應(yīng)特性，存在不足是，在節(jié)流加載的密閉式油路中，因節(jié)流作用產(chǎn)生的熱量將隨油液一起流回密閉油箱（模擬艙）中，難于進(jìn)行有效散熱，導(dǎo)致油溫升高，無法對(duì)恒深海環(huán)境溫度形成有效模擬。

2.2 大氣下液壓泵-溢流閥加載方案

制定的大氣下液壓泵-溢流閥加載方案，其系統(tǒng)組成如圖2所示，由3個(gè)液壓子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)組成。深海環(huán)境高壓模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)和第一種方案完全相同，而加載系統(tǒng)則由溢流閥直接加載變?yōu)橄冉?jīng)耐壓艙17.2內(nèi)液壓馬達(dá)25輸出扭矩，通過聯(lián)軸器傳遞給液壓泵24，最后再利用溢流閥25實(shí)現(xiàn)大氣下的加載。故測(cè)試平臺(tái)加載系統(tǒng)由高壓艙內(nèi)被測(cè)泵和液壓馬達(dá)組成液壓能傳遞單元和大氣下液壓泵和溢流閥組成的加載裝置兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。泵的調(diào)節(jié)和測(cè)試過程和方案一基本相同，所不同是，閥25的加載調(diào)定壓力低于其直接加載時(shí)。

圖2 大氣下液壓泵-溢流閥加載方案原理圖

圖3 深海油壓源測(cè)試平臺(tái)裝置圖

該方案采用大氣下間接加載的方式，其優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行元件液壓馬達(dá)本身效率高，能量損耗小，主要能量消耗在大氣加載系統(tǒng)中的加載溢流閥上，其節(jié)流產(chǎn)生的熱量帶回大氣下的油箱，故耐壓艙內(nèi)的液壓子系統(tǒng)發(fā)熱少，油溫較穩(wěn)定，在長時(shí)間運(yùn)行后測(cè)試結(jié)果也相對(duì)準(zhǔn)確，前后波動(dòng)小。該油路圖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)裝置多，調(diào)試過程也較繁瑣，同時(shí)當(dāng)深海電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)功率較小時(shí)，經(jīng)自身攪油損耗、馬達(dá)損耗和聯(lián)軸器機(jī)械損失后，傳遞到加載溢流閥的功率較小，加載溢流閥負(fù)載壓力的調(diào)定范圍較小，此外，馬達(dá)與聯(lián)軸器間需采用高壓旋轉(zhuǎn)密封，技術(shù)成本要求高。

綜合考慮被測(cè)油壓泵的測(cè)試項(xiàng)目和數(shù)據(jù)多，連續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，負(fù)載特性要求不高，采用第二套方案作為本測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，搭建的油壓泵測(cè)試平臺(tái)的裝置如圖3所示。

3 平臺(tái)的測(cè)試與分析

在測(cè)試平臺(tái)對(duì)深海油壓源樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以檢驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的合理性和實(shí)效性，同時(shí)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的可行性。

3.1 靜態(tài)性能檢測(cè)

通過高壓泵分別給兩個(gè)耐壓試驗(yàn)艙依次加壓至15 MPa、30 MPa、50 MPa，各保壓6 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，在各加壓過程中，兩艙內(nèi)壓力均平穩(wěn)緩慢增加，無異常響動(dòng)，動(dòng)靜密封部位無泄漏。保壓階段模擬環(huán)境參數(shù)及泄露情況如表1所示，可知，平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變環(huán)境壓力的模擬，靜態(tài)時(shí)維持環(huán)境溫度不變，在歷經(jīng)較長的保壓過程后，環(huán)境壓力仍保持基本不變，說明耐壓艙強(qiáng)度及密封裝置可靠，滿足預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

表1 模擬環(huán)境參數(shù)變化表

3.2 平臺(tái)上油壓源性能測(cè)試

3.2.1 流量、壓力調(diào)節(jié)性能測(cè)試

將平臺(tái)下油壓源性能裝置（如圖3所示），分別緩慢調(diào)節(jié)圖2中控制輸入Pin、Qin，同時(shí)分別保持負(fù)載輸入if為最大或?yàn)榱?，從而完成不同環(huán)境壓力下油壓源壓力和流量的穩(wěn)態(tài)控制特性的測(cè)試（圖4、圖5）。動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)控制輸入為階躍信號(hào)，不再贅述。

圖4 電壓-壓力控制特性測(cè)試曲線

圖5 電壓-流量控制特性測(cè)試曲線

從測(cè)試結(jié)果不難看出，無論壓力還是流量控制特性，在環(huán)境壓力30 MPa下，測(cè)試系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)與大氣壓下一樣的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，表明測(cè)試平臺(tái)在模擬深海環(huán)境工況的同時(shí)，又避免了環(huán)境參數(shù)對(duì)油壓泵控制性能的不利影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓源的靜態(tài)壓力和流量的合理調(diào)節(jié)。另外，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在整個(gè)測(cè)試過程中艙內(nèi)環(huán)境壓力波動(dòng)小于0.3 MPa，連續(xù)運(yùn)行時(shí)溫度增加未超過15℃，達(dá)到了測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)，說明采用大氣下液壓泵-溢流閥加載方式可有效緩減環(huán)境溫度的增加，驗(yàn)證了該方案的合理性。

3.2.2 負(fù)載加-卸載性能測(cè)試

將控制輸入Pin、Qin分別調(diào)定為最大設(shè)定壓力和流量的20%和100%，使加載輸入if依次從零增加到最大再減小為零時(shí)，進(jìn)行負(fù)載的加-卸載性能測(cè)試（圖6）。

圖6 調(diào)定壓力20%、流量100%時(shí)不同環(huán)境壓力下油壓源的加、卸載性能測(cè)試曲線

由圖6可知，環(huán)境壓力30 MPa和大氣壓時(shí)，油壓源系統(tǒng)的負(fù)載模擬均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)整，滿足平臺(tái)變負(fù)載調(diào)節(jié)的要求，表明大氣下液壓泵-溢流閥加載方式是有效的，可以滿足測(cè)試要求。圖中卸載階段兩曲線存在較大區(qū)別，這與環(huán)境壓力增大使油液粘度增加而導(dǎo)致粘性阻尼和摩擦損耗增加有關(guān)，而與測(cè)試系統(tǒng)加載設(shè)置無關(guān)，說明變環(huán)境壓力下負(fù)載模擬是可行的。

4 結(jié)論

通過搭建的深海集成油壓源平臺(tái)測(cè)試，表明采用大氣下液壓泵-溢流閥加載方式的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案可有效地減少耐壓艙內(nèi)溫度的增加，同時(shí)避免了環(huán)境因素對(duì)油壓泵控制性能的不利影響。測(cè)試平臺(tái)可進(jìn)行深海環(huán)境壓力0～50 MPa、環(huán)境溫度20～40℃范圍的深海工況模擬，亦可實(shí)現(xiàn)在變環(huán)境壓力下油壓源壓力、流量、負(fù)載等參數(shù)與大氣壓下一樣便捷的動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)和搭建是成功的。

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