海水水下液壓裝置的發(fā)展前景

宜昌測(cè)試技術(shù)研究所　任　奕

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海水水下液壓裝置的發(fā)展前景

宜昌測(cè)試技術(shù)研究所任奕

【摘要】水下液壓執(zhí)行系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于載人或無人水下技術(shù)領(lǐng)域。淡水工業(yè)液壓系統(tǒng)發(fā)展最為迅速，然而海水作為受壓液體發(fā)展前景良好、清潔環(huán)保，因此必將成為液壓裝置的主要發(fā)展方向。本文對(duì)海水水下液壓裝置的原理基礎(chǔ)以及原型機(jī)綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)作了闡述，并提出改進(jìn)方法。

【關(guān)鍵詞】海水液壓系統(tǒng)；受壓液體；水下技術(shù)

0　引言

液壓執(zhí)行系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于載人或無人水下技術(shù)領(lǐng)域。水下液壓執(zhí)行系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）高效調(diào)節(jié)、無減速模式下速度區(qū)間大、極限負(fù)載限制簡便；

（2）輕松實(shí)現(xiàn)組件液壓卸載，對(duì)抗外部水壓作用；

（3）液壓裝置尺寸小、重量輕，能夠組裝具有較高單位動(dòng)力裝備率的快速執(zhí)行裝備。

液壓系統(tǒng)在水下技術(shù)中應(yīng)用的問題之一是可靠性保障。潛航器多年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，大部分的故障是海水滲入液壓系統(tǒng)造成的。工作型遙控?zé)o人潛航器及載人潛航器都裝有大量液壓執(zhí)行機(jī)械裝置，每一個(gè)液壓組件對(duì)于液壓系統(tǒng)的密封性都是潛在威脅。海水侵入液壓系統(tǒng)會(huì)造成礦物質(zhì)受壓液體分解、液壓裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可逆的腐蝕損壞，并大大降低強(qiáng)電與弱電電路中的絕緣電阻。

提高液壓系統(tǒng)可靠性的基本方法是使用海水作為受壓液體，這是建立新型水下液壓系統(tǒng)的前提條件。海水液壓執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以提高可靠性，還能夠降低運(yùn)營成本、消除火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、改善環(huán)保指標(biāo)，更加可以提高人員安全水平。

1　含水受壓液體液壓系統(tǒng)的現(xiàn)代應(yīng)用領(lǐng)域

含水液壓系統(tǒng)的工業(yè)化生產(chǎn)始于19世紀(jì)初。首批系統(tǒng)的運(yùn)營試驗(yàn)幾乎都失敗了。因此后來實(shí)際上技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的只有傳統(tǒng)的礦物質(zhì)受壓液體。含45%水的液體都應(yīng)用在對(duì)防止火災(zāi)及爆炸風(fēng)險(xiǎn)要求較高的領(lǐng)域。一些特殊情況下會(huì)應(yīng)用到礦物油與水的分散混合劑：油水乳化液（60%油和40%水）和水油乳化液，后者含水比例為98%。

含水（包括工業(yè)用水）受壓液體液壓系統(tǒng)的高速發(fā)展開始于上世紀(jì)90年代。自那時(shí)起含水液壓成為一個(gè)獨(dú)立的發(fā)展方向。得益于自身的一系列優(yōu)勢(shì)，這種液壓系統(tǒng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

淡水工業(yè)液壓系統(tǒng)發(fā)展最為迅速?？梢钥隙?，在地面技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)積累了大量利用淡水作為低壓及高壓（液壓傳動(dòng)裝置）液壓系統(tǒng)的受壓液體的工作經(jīng)驗(yàn)。世界市場上存在一系列淡水液壓系統(tǒng)產(chǎn)品。生產(chǎn)廠家包括：Danfoss（丹麥）、Water Hydraulics（英國）、Cat Pumps（美國）和HL Hydraulic GmbH（德國）。這些企業(yè)的產(chǎn)品目錄足以構(gòu)建各種地面用工業(yè)液壓系統(tǒng)。

地面含水液壓的主要科研和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方向如下：

（1）利用新型材料和覆蓋物提高液壓組件的耐腐蝕性；

（2）消除由紊流作用造成的材料表面侵蝕現(xiàn)象；

（3）降低在低潤滑條件下液壓系統(tǒng)內(nèi)部可移動(dòng)組件之間的摩擦；

（4）降低水的容積損失來保障液壓系統(tǒng)的動(dòng)力特性。

水下技術(shù)領(lǐng)域中海水液壓系統(tǒng)的發(fā)展異常緩慢。盡管海水作為受壓液體發(fā)展前景良好、清潔環(huán)保，但目前僅有一例應(yīng)用實(shí)例。上世紀(jì)80年代美國提出制造新型潛水用具計(jì)劃，在海軍土木工程實(shí)驗(yàn)室（Navy Civil Engineering Laboratory）進(jìn)行了有關(guān)海水液壓系統(tǒng)的首次嘗試，但目前仍沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

水下技術(shù)領(lǐng)域已知的僅有一次使用海水液壓系統(tǒng)的實(shí)例。文獻(xiàn)表明本次活動(dòng)與遙控?zé)o人潛航器原型的研制有關(guān)，潛航器的推進(jìn)器要利用到液壓系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)包括水泵站和3個(gè)同型液壓傳動(dòng)裝置。液壓系統(tǒng)由Danfoss公司生產(chǎn)的一系列組件構(gòu)成。有關(guān)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的細(xì)節(jié)信息文獻(xiàn)中沒有提及。

2　構(gòu)建海水水下液壓執(zhí)行系統(tǒng)的原理基礎(chǔ)

作為能量的直接載體，受壓液體是液壓系統(tǒng)的主要組件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)的立體聯(lián)系。評(píng)估傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中受壓液體質(zhì)量的主要指標(biāo)為：粘性、化學(xué)及物理穩(wěn)定性、耐腐蝕性、對(duì)彈性密封材料的侵蝕度、潤滑性、熱物理性、耐火性以及冰點(diǎn)。此外，液壓系統(tǒng)成功運(yùn)行的必要條件之一是受壓液體的清潔性，即其中不能存在雜質(zhì)，否則可能影響液壓系統(tǒng)的工作效率。

對(duì)淡水受壓液體的研究已經(jīng)相當(dāng)完備。盡管其潤滑性和工作效率較低，引起結(jié)構(gòu)材料發(fā)生腐蝕，但與礦物質(zhì)液體相較，淡水受壓液體擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）環(huán)?？刹僮餍耘c安全性；

（2）不燃性與防爆性；

（3）低粘性，可減少能量遠(yuǎn)程傳輸過程中的損耗；

（4）高熱容與導(dǎo)熱性；

（5）低壓縮性。

海水與淡水受壓液體的區(qū)別很大，正是利用這些區(qū)別來制造新型液壓系統(tǒng)。海水的含鹽度和生物活性將對(duì)液壓系統(tǒng)的技術(shù)及運(yùn)營參數(shù)產(chǎn)生較大影響。

海水中高濃度的溶解鹽對(duì)液壓傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)提出了較高要求。密閉條件下，由于海水的蒸發(fā)在液壓部件外表出現(xiàn)溶解物沉積現(xiàn)象，可能導(dǎo)致可移動(dòng)組件的卡滯。利用海水作為受壓液體的主要原因是海水的高導(dǎo)電性。由各種結(jié)構(gòu)材料制成的電偶在海水中出現(xiàn)明顯的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。此外還存在結(jié)構(gòu)材料的局部腐蝕現(xiàn)象。為了達(dá)到指定特性，通常在液壓組件中使用各類材料：結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼、青銅以及鋁合金。顯然這些材料不適于制造海水液壓系統(tǒng)組件。設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的組件如控制電路或信息線路時(shí)，必須考慮到海水的導(dǎo)電性。這些組件的結(jié)構(gòu)中應(yīng)該包括對(duì)抗海水的電路保護(hù)裝置。

海洋是各種生物棲息的場所，因此海水中包含各類微生物和海洋動(dòng)植物生命活動(dòng)的產(chǎn)物。從使用角度看，微生物可視為非溶解成分，并會(huì)影響受壓液體的清潔性。微生物的數(shù)量取決于水體的地理特點(diǎn)、深度和季節(jié)因素。0~6000m深度區(qū)間內(nèi)微生物的大小在0.1μm（細(xì)菌浮游生物）到200μm（浮游植物、微型浮游動(dòng)物）之間。因此為了保障液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)該確保受壓液體的滲透清潔度達(dá)到10~20μm水平，在制造海水過濾裝置時(shí)應(yīng)該考慮到微生物的影響。

3　海水液壓系統(tǒng)原型機(jī)綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行海水條件下的實(shí)物試驗(yàn)制造了1個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，其中包括液壓系統(tǒng)原型機(jī)、備用測(cè)量計(jì)、控制和數(shù)據(jù)收集裝置。試驗(yàn)臺(tái)的所有組件在水下安裝完成。

借助試驗(yàn)臺(tái)首先進(jìn)行的是原型機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)，包括壽命試驗(yàn)。由于受壓液體選用的是自來水，因此水下液壓系統(tǒng)原型機(jī)的特性沒有評(píng)估。因此計(jì)劃在進(jìn)行海試時(shí)啟用液壓系統(tǒng)原型機(jī)和海水過濾系統(tǒng)。實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果可以作為后續(xù)開發(fā)海水水下液壓系統(tǒng)的理論依據(jù)。

4　結(jié)論

制造新型液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵在于水下技術(shù)新材料、覆層以及密封技術(shù)的選擇。材料領(lǐng)域中前景突出的是陶瓷與非金屬，這些材料的研發(fā)技術(shù)屬于獨(dú)立學(xué)科。盡管水處理的方法和裝置還需要長期試驗(yàn)，但可以肯定，海水質(zhì)量達(dá)標(biāo)的問題必將被解決。