面向深海潛水器的液壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　， ， 　， 　(.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 上?！?306； .上海海洋大學(xué) 深淵科學(xué)研究中心, 上?！?306)

引言

在深海復(fù)雜海洋環(huán)境下，深海載人潛水器能夠承載科學(xué)工作者與各種監(jiān)測裝置、特種設(shè)備進行監(jiān)測考察以及深海搜救捕撈等，是開發(fā)和利用深海資源的重要技術(shù)手段。目前，世界上主要的深海載人潛水器包括：美國的“ALVIN”號、法國的“NAUTILE”號、日本的“SHINKAI 6500”號、俄羅斯的“MirⅠ”和“MirⅡ”等多種[1]。中國的“蛟龍?zhí)枴蹦壳耙涯艿竭_7000 m的下潛深度。2012年美國人詹姆斯·卡梅隆駕駛“深海挑戰(zhàn)者”號潛水器到達地球上最深的馬里亞納海溝溝底，創(chuàng)造了海洋深潛記錄，到達了深海溝底部的“超深淵帶”，揭開各國進入深淵科學(xué)(深淵科學(xué)是研究海洋深處的自然現(xiàn)象、性質(zhì)及其變化規(guī)律，以及與開發(fā)利用海洋有關(guān)的知識體系)研究領(lǐng)域的序幕[2]。

深淵科學(xué)的研究對象是垂直深度為6500～11000 m的深部海洋，包括海水、溶解和懸浮于海水中的物質(zhì)、生活于深淵中的生物、海底沉積和海底巖石圈等，該學(xué)科目前正逐漸形成深淵生物學(xué)、深淵生態(tài)學(xué)和深淵地質(zhì)學(xué)等研究領(lǐng)域。鑒于液壓技術(shù)的優(yōu)勢特點，使得液壓技術(shù)在海洋工程裝備以及海洋開發(fā)機器上應(yīng)用較為廣泛，同時深海潛水器是深?？茖W(xué)與深淵科學(xué)研究的重要依托設(shè)備，而其組成部分及功能有賴于液壓技術(shù)[3]?；诖?，分析總結(jié)了國內(nèi)外深海潛水器液壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為我國全海深載人潛水器研究與設(shè)計提供幫助與參考。

1　深海潛水器設(shè)計過程及其功能組成

通過潛水器設(shè)計過程以及其功能組成，能夠總結(jié)出液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用范圍。潛水器設(shè)計過程主要包括[4]：

(1) 設(shè)計時初期考慮的因素包括質(zhì)量特征、部分相對質(zhì)量比的確定，潛水器功能組成，可分為：壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、外部耐壓系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、浮力特征以及常用材料選擇等；

(2) 潛水器方案設(shè)計包括：艇型選擇、能源與動力選擇、推進裝置選擇、總布置規(guī)劃、排水量計算以及性能計算等；

(3) 潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：耐壓結(jié)構(gòu)、輕外殼與機構(gòu)防腐設(shè)計；

(4) 潛水器操縱與控制設(shè)計包括：操縱性與運動控制方法設(shè)計；

(5) 潛水器水下導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計包括：導(dǎo)航傳感器、推算導(dǎo)航設(shè)計等；

(6) 潛水器設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計包括：壓載與浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計、水下機械手與作業(yè)工具、吊放回收系統(tǒng)以及生命支持系統(tǒng)設(shè)計。

液壓技術(shù)在潛水器的應(yīng)用包括：設(shè)備前進和升降液馬達推進器、液壓舵機、隨動機械手、載人潛水器艙室的啟閉裝置以及其他裝置[5]。結(jié)合潛水器設(shè)計過程，可以得出潛水器的基本功能組成一般包括：壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、外部耐壓系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及供科研使用的設(shè)備系統(tǒng)。潛水器液壓系統(tǒng)一般裝在耐壓殼體的外面, 處于受外壓和有腐蝕的工作環(huán)境，與其他應(yīng)用相對比深潛器液壓系統(tǒng)有些特定的要求，主要包括：各部件承受工作水深的海水外壓、密封性與液壓油潤滑性、壓力補償裝置、液壓油壓縮率溫度液體系統(tǒng)隨機動態(tài)變化的影響、耐腐性尺寸小質(zhì)量輕以及易于更換保養(yǎng)[6]。液壓技術(shù)在深潛器的應(yīng)用包括：液壓機械手、浮力和縱傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)、液壓推進、作業(yè)裝置、平衡裝置液壓、應(yīng)急拋載等幾個方面。

2　深海潛水器液壓技術(shù)研究概況

2.1　基于油壓的潛水器液壓技術(shù)研究概況

中國船舶科學(xué)研究中心以深海載人潛水器為研究對象，針對潛水器內(nèi)液壓系統(tǒng)應(yīng)用幾個方面進行了介紹，并給出原理圖，探討了液壓密封問題以及液壓補償問題，具有一定的參考價值，并對可調(diào)壓載系統(tǒng)進行了分析與研究[7]。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所以ROV為研究對象，給出設(shè)備液壓系統(tǒng)示意圖，并給出了包括油源系統(tǒng)、推進器液壓伺服控制系統(tǒng)、水下機械手液壓系統(tǒng)，以及水下主從液壓機械手控制系統(tǒng)的原理，具有一定的參考價值[8]。

浙江大學(xué)針對深海液壓系統(tǒng)的應(yīng)用特點，為了達到深海液壓系統(tǒng)使用要求，采用真空注油和高壓注油相結(jié)合的方法，配合過濾、除水、除氣等功能，設(shè)計出一套深海液壓系統(tǒng)專用注油裝置[9]。西南交通大學(xué)針對液壓源動力元件及設(shè)備展開研究，給出了直浸式直流無刷電機以及相應(yīng)設(shè)備的研究概況，并對深海液壓變量泵用放大器以及深海電液比例液壓源件進行了研究[10]。美國(PERRY)公司開發(fā)了深海大于3000 m級別的不同功率油壓液壓泵的油壓驅(qū)動設(shè)備[11]。潛器外置設(shè)備與水下作業(yè)工具液壓系統(tǒng)壓力補償問題各國都展開了研究，國外包括美國的Tecnadyne、mechanical engineering Group、OSEL公司、蘇格蘭Hydrovision Limited和All oceans engineering Ltd公司等都對水下施工設(shè)備與水下機器人的壓力補償器進行了研制[12,13]。

國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)在水下作業(yè)工具用液壓系統(tǒng)的壓力補償方面做了大量的工作，解決了深水壓力補償系統(tǒng)的研究。浙江大學(xué)對潛器外置設(shè)備以及水下機器人液壓系統(tǒng)補償問題進行了研究，提出了海水環(huán)境壓力補償器裝置設(shè)計方法[14]。華中科技大學(xué)針對深海模擬環(huán)境中液壓水下機械手的仿真進行了研究，驗證了機械手的控制方法的有效性[15]。中國石油大學(xué)針對深海水下分離器液控系統(tǒng)進行了研究，給出總體設(shè)計，并采用仿真的方法對定壓輸出減壓閥和換向閥進行了研究，得出減壓閥可以保證液壓油壓力的穩(wěn)定，換向閥換向動作迅速，輸出流量大，能夠及時進行換向的結(jié)論[16]。中國船舶科學(xué)研究中心在國家863計劃支撐下，對7000 m深海液壓系統(tǒng)進行了研究設(shè)計開發(fā)，系統(tǒng)主要技術(shù)要求為:深海7000 m工作環(huán)境、21 MPa 工作壓力、4.5 L/min 工作流量，直流供電并具有輸入輸出管系自動壓力補償功能，構(gòu)建系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖，并對系統(tǒng)進行元件選擇配合進行了系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)試驗，結(jié)果可靠[17]。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和中航工業(yè)南京機電研究所的國家863計劃——深海潛水器作業(yè)工具、通用部件與作業(yè)技術(shù)7000 m主、從伺服液壓機械手，該機械手能夠完成7種功能，并在無錫進行了深海7000 m壓力功能試驗，整個試驗過程機械手動作平穩(wěn)可靠，能正確完成預(yù)定任務(wù)，填補國內(nèi)空白[18]。海軍潛艇學(xué)院對潛器液壓管路噪聲分析與控制進行了研究，分析了潛艇液壓系統(tǒng)管路振動與噪聲產(chǎn)生的原因，并從機械和流體動力噪聲兩個源頭入手，提出控制管路振動與噪聲的方法，較好地達到部分減振降噪的目的，但是更好的方法有待進一步研究[19]。中海油研究總院與中國石油大學(xué)，針對深水連接器與ROV聯(lián)合作業(yè)機構(gòu)進行了研究，以設(shè)計適用于深水環(huán)境并能滿足水平連接器工作需求的液壓系統(tǒng)為目的，采用雙干路差動式液壓設(shè)計的方法，構(gòu)建液壓系統(tǒng)的控制流程和原理圖，并對液壓系統(tǒng)進行了功能性仿真，驗證了該液壓系統(tǒng)應(yīng)用于深水水平連接器的可行性[20]。

借助經(jīng)典液壓技術(shù)，基于油壓的液壓技術(shù)在潛水器中的研究取得了大量成果，而基于水壓的(純水、海水)液壓技術(shù)由于具有獨特優(yōu)勢，而被得到重視，嘗試研究應(yīng)用于深水工程、海洋工程、船舶工程以及潛水器裝備中。

2.2　基于水壓的潛水器液壓技術(shù)研究概況

以液壓油為工作介質(zhì)的水下液壓系統(tǒng)采用和常規(guī)液壓系統(tǒng)相同的工作介質(zhì)，然而由于液壓系統(tǒng)工作在海水環(huán)境中，因此除了具有與常規(guī)液壓系統(tǒng)相同的優(yōu)勢外，還有其自身的特點。近年來，隨著工程材料、摩擦學(xué)、潤滑理論、計算技術(shù)的發(fā)展，基于水壓的液壓技術(shù)得到了發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者都進行了研究，包括水液壓泵、水液壓控制閥等多項技術(shù)都得到了發(fā)展[21,22]。

海水液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用也得到了發(fā)展，國內(nèi)華中科技大學(xué)對海水液壓水下作業(yè)工具展開了研究，并研制一套基于海水液壓的水下作業(yè)工具:鏈鋸、鉆孔器、沖擊鉆以及鋼纜切割器等[23,24]。大功率、大流量高壓海水泵是深海潛水器有待研究的重點設(shè)備，具有性能良好的高壓海水泵對于深海潛水器具有重要作用，不但能減輕重量，而且使?jié)撍骺梢栽谌魏紊疃葘崿F(xiàn)均衡。國外一些廠商已有研制的包括：1988 年英國Fenner公司研制出壓力分別為14 MPa的海水液壓泵和馬達；芬蘭Hytar Oy公司研制的最高輸出壓力可達21 MPa的Hytar Oy 海水液壓泵；德國研制的Hauhinco 海水液壓泵可達32 MPa；日本研制的Komatsu 海水液壓泵與Kayaba 海水液壓泵可達21 MPa；1994 年與丹麥理工大學(xué)(DTU)合作研制Nessie 系列純水液壓泵、馬達及其他產(chǎn)品[25-28]。但是距離深海潛水器所要求的還有待進一步研究與制造。

中國船舶科學(xué)研究中心針對海水液壓技術(shù)在潛水器上的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，指出了包括美國的“ALVIN”號、法國的“NAUTILE”號、日本的“SHINKAI 6500”號、俄羅斯的“MirⅠ”和“MirⅡ”等潛水器中海水液壓技術(shù)的應(yīng)用，主要用于實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與海水泵，而我國“蛟龍?zhí)枴辈捎玫暮Ｋ糜啥砹_斯聯(lián)合生產(chǎn)體研制的最高可達72 MPa下的流量可達3 L/min[29，30]。華中科技大學(xué)在國家863計劃支撐下，針對4500 m級深潛器的要求，開展了浮力調(diào)節(jié)超高壓海水泵的研究。在48 MPa時為5.7 L/min容積效率為91%，機械效率為90%，目前海水液壓技術(shù)在深海潛水器中的應(yīng)用主要包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水下作業(yè)工具以及高壓海水泵幾個方面[31，32]。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是深海潛水器的重要功能部分，華中科技大學(xué)進一步對潛水器基于海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行研究，完成一種海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與系統(tǒng)核心部件的研制，并對該系統(tǒng)進行了模擬試驗研究，結(jié)果表明符合設(shè)計要求[33]。

基于水壓技術(shù)由于存在大泄漏和摩擦力，因此穩(wěn)態(tài)誤差與超調(diào)整問題是液壓系統(tǒng)控制有待解決的問題。有學(xué)者針對穩(wěn)態(tài)相應(yīng)以及PID控制方法等展開研究，達到一定效果[34，35]。有學(xué)者采用小波分析振動與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，對水液壓系統(tǒng)及其元件的故障診斷展開研究[36]。有學(xué)者對水液壓系統(tǒng)中的軸承元件與密封性展開研究，表明承載力與供能壓力以及材料彈性模量都有關(guān)系[37]。有學(xué)者針對元件材料耐磨性特點，對包括金屬、高分子以及復(fù)合材料在內(nèi)的元件材料耐磨性展開研究，提出了陶瓷增韌納米材料[38]。

浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室針對深海水下液壓環(huán)境壓力補償結(jié)構(gòu)問題展開研究，介紹了常用結(jié)構(gòu)與工作原理，指出旋轉(zhuǎn)軸動密封和運動軟管老化是影響其長期耐久性服役的兩大核心風(fēng)險問題，在此基礎(chǔ)上，介紹了遠(yuǎn)程液壓源、深海靜壓源兩種目前國外回避上述風(fēng)險的方法，分析了各自的優(yōu)缺點和適用條件，并認(rèn)為廉價、長壽命的海水液壓系統(tǒng)，仍然是徹底解決深海水下液壓系統(tǒng)的高風(fēng)險問題的最佳途徑，但在技術(shù)成熟度上尚有一段路要走[39，40]。

3　深海潛水器液壓研究的重點問題

通過上述研究現(xiàn)狀的分析，可見深海潛水器液壓技術(shù)的研究取得了大量的成果。深海潛水器液壓系統(tǒng)一般裝在耐壓殼體的外面, 處于受外壓和有腐蝕的工作環(huán)境，因此有其特殊性要求。無論是基于水壓或是油壓都需要實現(xiàn)深海潛水器中的如下功能：推進系統(tǒng)、作業(yè)裝置與工具(機械手等)、平衡裝置(可調(diào)壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與縱傾平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng))、應(yīng)急拋載液壓系統(tǒng)。以我國成功研制的“蛟龍?zhí)枴鄙詈撍鳛槔?，液壓系統(tǒng)采用基于油壓的液壓技術(shù)，大部分系統(tǒng)與元件都來自國外協(xié)助完成?；诤Ｋ簤杭夹g(shù)在“蛟龍”號上還沒有應(yīng)用。因此，基于油壓與水壓的深海潛水器液壓技術(shù)的研究還需要一下幾點內(nèi)容的進步與提升：

(1) 適用于全海深的大功率、大流量高壓海水泵、閥及其相關(guān)元件的研制；

(2) 適合深海作業(yè)服役環(huán)境的液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件的研究與制造技術(shù)；

(3) 基于海水液壓技術(shù)及其元件，采用相應(yīng)技術(shù)如何提高其耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞特性等性征；

(4) 超深海作業(yè)深度下，液壓系統(tǒng)滲漏問題有待進一步解決；

(5) 由于深海潛水器布局規(guī)劃與尺寸有限，因此如何降低液壓系統(tǒng)與元件的重量、減少尺寸與制造維護成本是需要研究的問題；

(6) 對于載人潛水器來說，在潛器內(nèi)構(gòu)建基于液壓動力源的小巧型廁所，尚不見文獻研究；

(7) 全海深潛水器液壓系統(tǒng)的密封與壓力補償技術(shù)有待加強。

4　結(jié)論

海洋科技發(fā)展至今，深海潛水器越來越體現(xiàn)出其重要性，而液壓技術(shù)在深海潛水器組成中占有重要地位。首先給出了潛水器設(shè)計過程與功能組成，分析了在深海潛水器中需要液壓技術(shù)的功能模塊，在此基礎(chǔ)上，討論基于油壓與水壓的液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用研究狀況，分析了包括潛器液壓推進系統(tǒng)、水下作業(yè)工具、機械手、潛器液壓系統(tǒng)、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及元件、壓力補償器、高壓海水泵、泄漏密封、故障診斷與控制技術(shù)以及材料等方面的研究現(xiàn)狀概況，并總結(jié)了深海潛水器液壓技術(shù)有待進一步研究解決的重點問題。為全海深載人潛水器液壓系統(tǒng)設(shè)計、液壓元件研制以及深海工程裝備的研究提供幫助與參考。

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