深海液压技术应用与研究进展 - 深海机械臂技术

这天 · 发表于海洋技术专业 2024-4-12 08:26:02

液压传动(包括油液压和水液压)具有刚性好、结构紧凑、承载能力高、功率重量比大、响应速度快等突出优点，在深海高压环境下压力补偿相对容易；同时，液压传动的失效模式为渐进式(如压力、流量逐渐下降等)，给设备操作人员提供预警时间，可有效避免突发式的故障，提高设备的安全性，因此，液压技术在深海装备上得到了广泛的应用。在分析液压技术在深海装备中应用的优点的基础上，概述其国内外研究现状，介绍深海液压技术的几个典型应用：① 潜水器浮力调节系统；② 水下作业工具；③ 水下作业机械手。最后，对深海液压技术存在的问题进行了分析和展望，指出深海环境下介质特性变化和结构形变是需要关注的两个重要问题；随着元器件不断丰富和成熟，海水液压技术会在深海装备中发挥更大的作用。

前言

世界海洋 90%以上的水深在 200～6 000 m，平均深度达到 3 730 m。深海蕴藏着人类社会可持续发展的战略资源，如多金属结核矿、富钴结壳矿、深海钙磷土、海底多金属硫化矿以及油气资源、可燃冰等。

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、各种载人和非载人潜水器、水下作业及维护设备等。以液体介质(主要是矿物油和水)的液压传动由于其独特的优势，在深海装备上得到广泛的应用。

在深海液压技术领域，从 20 世纪 60 年代开始，国内外许多研究机构和公司投入大量的人力和物力，进行了多方面的研究和探索[3]。本文在分析油液压和海水液压两种传动技术应用于深海装备所具备的独特优势的基础上，介绍了深海液压技术的研究现状和典型应用，并对深海装备领域液压技术的未来发展趋势进行了展望。

技术优势

深海液压技术是指在深海特殊环境下应用的液压元件、系统及控制技术。其主要特点是外部环境压力高而且变化范围大、温度低,同时海水介质腐蚀性强。按照工作介质，目前主要分为两种类型：油液压技术和海水液压技术。无论哪一种，均具有液压系统的共性优点：刚性好、结构紧凑、承载能力高、功率重量比大、响应速度快、狭小空间布局方面等特点。除此之外，液压技术应用于深海高压环境还存在以下独特的优势：

1.1 易于压力补偿

同陆地相比，深海环境的显著特征是巨大的外压。承受巨大外压的方式有两种，一是增加壳体的强度以抵抗外压，但必然增加设备的体积和重量；另一种方式是采用压力补偿，亦即通过弹性元件感应海水压力，并将其传递到液压系统内部，使液压系统的回油压力与海水压力相等，并随海水深度变化自动变化。如图 1 所示。液压系统由于内部具有液体介质，因此压力补偿容易。而对于电机等电气元件，则需要对电机进行充油，并加装压力补偿器，这将使得电气元件的机械和电气性能发生变化。

1.2 安全性提升

电气系统的失效形式往往是突发性的，前一刻还在正常工作，后一刻即完全失效，由此可能带来灾难性的损失。相对而言，液压系统的失效则是一个渐进的过程，在完全丧失功能之前，早期故障信号的出现为操作人员的应急处理预留了时间：如动作无力气(压力下降)、运动速度变慢(流量下降)、漏油等，从而提高了人员和设备的安全。

相比而言，深海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。为了适应深海环境，满足大深度、大范围水下作业的需要，美国早在 20 世纪 60 年代末就开展了这方面的研究。芬兰、英国、德国、日本等国家也先后开展了海水液压技术研究。

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，主要如下。

(1) 系统直接从海洋中吸水，做功后直接排回海洋，系统内外海深压力平衡，具有自动压力补功能。

(2) 系统不用配备水箱和回水管，结构简单。

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

(4) 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。

(5) 系统使用和就地维护方便。正是由于上述优势，海水液压技术是当今国际上深海装备动力驱动的重要发展方向。从现阶段的技术水平来看，油液压与海水液压传动的优缺点对比如表 1所示。

深海液压技术研究概况

2.1 深海油液压技术

从元件来讲，深海液压元件主要沿用陆用液压元件，在此基础上针对特殊环境要求进行改造，如对与海水接触的表面进行防腐蚀处理，电气驱动部件进行耐压封装或浸泡与液压油中进行压力补偿。由于对深海液压元件的可靠性要求高，目前我国主要依赖进口。

从系统级别来讲，深海环境下的液压系统与陆用系统则存在较大的差异，主要体现在以下几个方面。

(1) 采用完全封闭的系统。由于油液压系统及工作介质与环境介质完全不同，海水渗入到系统内部或系统的液压油泄漏到海洋环境均会造成系统失效。因此，系统需要完全封闭，并进行严格密封，如图2所示，通过弹性补偿器引入海深压力，从而实现封闭系统内的压力补偿。

(2) 采用集成一体化布置。深海环境下的液压动力源常采用集成一体化布置，从而减小体积和重量、减少了接头和管路、降低泄漏风险。

根据功率的不同，集成布置的方式也有所不同。如图 3a 为美国佩里 (PERRY)公司开发的深海 3 000 m 级油液压动力源，为闭式布置结构，电机和液压泵采用通轴联接的方式，省去了联轴器部分；泵、溢流阀等器件均封装于一个密闭的圆柱形油箱中。外部的压力补偿器维持油箱内公称压力高于周围环境压力 0.03 MPa；电机则独自封装并采用单独的压力补偿。对于功率较大的液压动力源，则采用如图 3b 的布置方式，液压泵直接裸露于海水环境中，便于散热。

2.2 海水液压技术

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 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究。

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。

深海液压技术的典型应用

液压技术在深海装备上广泛应用，对于不同的作业装备所完成的功能也不同。

(1) ROV、载人潜水器、AUV 等。油压系统应用于推进系统、机械手、采样、作业、压载系统控制、甲板收放系统等。水压系统应用于浮力调节系统、对口裙排水、均衡系统等。

(2) 海底移动机械。油压系统应用于推进动力系统、行走系统、作业系统、输运系统、甲板收放系统。水压系统应用于作业系统等。

(3) 海底固定设备。油压系统应用于阀门启闭、流量控制、井口开闭、甲板收放系统等。水压系统应用于阀门启闭、井口开闭等。需要说明的是，从功能上来说，海水液压系统可以取代油液压系统的所有功能，但由于海水液压元件的种类和规格没有油液压元件齐全，有些功能复杂的系统暂时只能采用油液压系统。然而，有些功能确是海水液压系统所特有的功能，如对口裙排水、均衡系统等。

注：著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处

，作者：刘银水吴德发李东林邓亦攀

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