深海液压技术应用与研究进展 - 深海机械臂技术

- v! L2 H: V, w! r5 ^" W, r

5 m, f) s# [ r. y

     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。

: y4 I- [& P* [9 c, W# r* D

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。

) N" p9 d5 c6 Q. i$ \1 \

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：

`& P& p( o8 b. l2 B! z$ p: p+ n

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。

; G8 }! u8 H9 ]" Z7 T

1.2 安全性提升 

. x% J% n1 w+ B7 A2 Z! ^

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。

7 ?- E" d7 R: v. M

(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。

% E4 _: X7 k# L4 ]$ t) M

(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

" n5 I6 b8 a9 P7 l: s \

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。

# V0 y2 G7 n% ?+ q

(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。

; Z) m, P; x" {, ?

# g" m, i0 a, G" B X* k/ ^, G) [

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。

0 N" R% j& Y4 m3 [

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。

% b% \+ o4 U% u1 w8 R3 j/ ^, D

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。

0 B6 v* z* v: {) Z# S; ^5 j3 H

(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             

9 ?7 u8 H$ C1 y" Z3 O 6 i2 K- M: m0 h & \1 `% v' X9 s! n3 M 3 H) i) |4 L8 I$ l