海水水下液壓裝置的發展前景

宜昌測試技術研究所　任　奕

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海水水下液壓裝置的發展前景

宜昌測試技術研究所任奕

【摘要】水下液壓執行系統具有諸多優勢，因此廣泛應用于載人或無人水下技術領域。淡水工業液壓系統發展最為迅速，然而海水作為受壓液體發展前景良好、清潔環保，因此必將成為液壓裝置的主要發展方向。本文對海水水下液壓裝置的原理基礎以及原型機綜合試驗設計作了闡述，并提出改進方法。

【關鍵詞】海水液壓系統；受壓液體；水下技術

0　引言

液壓執行系統廣泛應用于載人或無人水下技術領域。水下液壓執行系統的優勢如下：

（1）高效調節、無減速模式下速度區間大、極限負載限制簡便；

（2）輕松實現組件液壓卸載，對抗外部水壓作用；

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

液壓系統在水下技術中應用的問題之一是可靠性保障。潛航器多年的運營經驗表明，大部分的故障是海水滲入液壓系統造成的。工作型遙控無人潛航器及載人潛航器都裝有大量液壓執行機械裝置，每一個液壓組件對于液壓系統的密封性都是潛在威脅。海水侵入液壓系統會造成礦物質受壓液體分解、液壓裝置內部結構不可逆的腐蝕損壞，并大大降低強電與弱電電路中的絕緣電阻。

提高液壓系統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的前提條件。海水液壓執行系統的應用不僅可以提高可靠性，還能夠降低運營成本、消除火災風險、改善環保指標，更加可以提高人員安全水平。

1　含水受壓液體液壓系統的現代應用領域

含水液壓系統的工業化生產始于19世紀初。首批系統的運營試驗幾乎都失敗了。因此后來實際上技術領域應用的只有傳統的礦物質受壓液體。含45%水的液體都應用在對防止火災及爆炸風險要求較高的領域。一些特殊情況下會應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（包括工業用水）受壓液體液壓系統的高速發展開始于上世紀90年代。自那時起含水液壓成為一個獨立的發展方向。得益于自身的一系列優勢，這種液壓系統在諸多領域得到廣泛應用。

淡水工業液壓系統發展最為迅速。可以肯定，在地面技術領域已經積累了大量利用淡水作為低壓及高壓（液壓傳動裝置）液壓系統的受壓液體的工作經驗。世界市場上存在一系列淡水液壓系統產品。生產廠家包括：Danfoss（丹麥）、Water Hydraulics（英國）、Cat Pumps（美國）和HL Hydraulic GmbH（德國）。這些企業的產品目錄足以構建各種地面用工業液壓系統。

地面含水液壓的主要科研和試驗設計的方向如下：

（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象；

（3）降低在低潤滑條件下液壓系統內部可移動組件之間的摩擦；

（4）降低水的容積損失來保障液壓系統的動力特性。

水下技術領域中海水液壓系統的發展異常緩慢。盡管海水作為受壓液體發展前景良好、清潔環保，但目前僅有一例應用實例。上世紀80年代美國提出制造新型潛水用具計劃，在海軍土木工程實驗室（Navy Civil Engineering Laboratory）進行了有關海水液壓系統的首次嘗試，但目前仍沒有實質進展。

水下技術領域已知的僅有一次使用海水液壓系統的實例。文獻表明本次活動與遙控無人潛航器原型的研制有關，潛航器的推進器要利用到液壓系統。推進系統包括水泵站和3個同型液壓傳動裝置。液壓系統由Danfoss公司生產的一系列組件構成。有關液壓系統結構方面的細節信息文獻中沒有提及。

2　構建海水水下液壓執行系統的原理基礎

作為能量的直接載體，受壓液體是液壓系統的主要組件，負責系統內的立體聯系。評估傳統液壓系統中受壓液體質量的主要指標為：粘性、化學及物理穩定性、耐腐蝕性、對彈性密封材料的侵蝕度、潤滑性、熱物理性、耐火性以及冰點。此外，液壓系統成功運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，否則可能影響液壓系統的工作效率。

對淡水受壓液體的研究已經相當完備。盡管其潤滑性和工作效率較低，引起結構材料發生腐蝕，但與礦物質液體相較，淡水受壓液體擁有以下幾點優勢：

（1）環保可操作性與安全性；

（2）不燃性與防爆性；

（3）低粘性，可減少能量遠程傳輸過程中的損耗；

（4）高熱容與導熱性；

（5）低壓縮性。

海水與淡水受壓液體的區別很大，正是利用這些區別來制造新型液壓系統。海水的含鹽度和生物活性將對液壓系統的技術及運營參數產生較大影響。

海水中高濃度的溶解鹽對液壓傳動裝置的結構提出了較高要求。密閉條件下，由于海水的蒸發在液壓部件外表出現溶解物沉積現象，可能導致可移動組件的卡滯。利用海水作為受壓液體的主要原因是海水的高導電性。由各種結構材料制成的電偶在海水中出現明顯的電化學腐蝕現象。此外還存在結構材料的局部腐蝕現象。為了達到指定特性，通常在液壓組件中使用各類材料：結構鋼、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組件。設計液壓系統的組件如控制電路或信息線路時，必須考慮到海水的導電性。這些組件的結構中應該包括對抗海水的電路保護裝置。

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植物生命活動的產物。從使用角度看，微生物可視為非溶解成分，并會影響受壓液體的清潔性。微生物的數量取決于水體的地理特點、深度和季節因素。0~6000m深度區間內微生物的大小在0.1μm（細菌浮游生物）到200μm（浮游植物、微型浮游動物）之間。因此為了保障液壓系統的正常運行，應該確保受壓液體的滲透清潔度達到10~20μm水平，在制造海水過濾裝置時應該考慮到微生物的影響。

3　海水液壓系統原型機綜合試驗設計

為了進行海水條件下的實物試驗制造了1個試驗臺，其中包括液壓系統原型機、備用測量計、控制和數據收集裝置。試驗臺的所有組件在水下安裝完成。

借助試驗臺首先進行的是原型機系統試驗，包括壽命試驗。由于受壓液體選用的是自來水，因此水下液壓系統原型機的特性沒有評估。因此計劃在進行海試時啟用液壓系統原型機和海水過濾系統。實物試驗的結果可以作為后續開發海水水下液壓系統的理論依據。

4　結論

制造新型液壓系統的關鍵在于水下技術新材料、覆層以及密封技術的選擇。材料領域中前景突出的是陶瓷與非金屬，這些材料的研發技術屬于獨立學科。盡管水處理的方法和裝置還需要長期試驗，但可以肯定，海水質量達標的問題必將被解決。