深海水下滑翔器浮力驅動系統設計

楊　燕，孫秀軍，王延輝

（1.天津城建大學，天津　300384；2.國家海洋技術中心，天津　300112；3.天津大學，天津　300072）

深海水下滑翔器浮力驅動系統設計

楊燕1，孫秀軍2，王延輝3

（1.天津城建大學，天津300384；2.國家海洋技術中心，天津300112；3.天津大學，天津300072）

以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統是1 000 m以深水下滑翔器和剖面浮標優先采用的重要動力單元。文中首先介紹了當前國際上水下滑翔器和剖面浮標兩型剖面運動平臺的浮力驅動系統的種類及應用，然后以1 000 m以深水下滑翔器為例，系統地闡述了其高壓浮力驅動系統的工作原理和設計方法，以及絕對排油量測量、吸油口氣鎖防止和柱塞偶件精密配合等核心問題。設計制作出精密、高效而且可靠的高壓浮力驅動系統，可以為我國剖面觀測平臺的進一步發展起到推進作用。

水下滑翔器；剖面浮標；微型軸向柱塞泵；高壓浮力驅動系統

微型高壓浮力驅動系統是制約國產深海剖面運動平臺發展的瓶頸，研究以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統，以保證其可靠地應用于大深度水下滑翔器樣機，可以為國產剖面運動平臺的進一步發展奠定基礎。典型深海剖面運動平臺主要涉及水下滑翔器以及Argo計劃采用的自持式剖面浮標，其采用浮力驅動系統來實現在海洋表層和1 000～2 000 m左右深度的剖面運動，同時可以記錄海洋水柱的科學數據，因而成為海洋學家的重要的測量工具。

在工程和科學技術迅速發展的今天，我國正在摒棄附加值低、利潤微薄的低端制造，開始專注于微型精密的高附加值設計，而以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統就是一個典型的例子。在海洋儀器的設計與制造方面，研究以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統意義重大。首先，研究深海浮力驅動系統，可以突破國際社會對我國的技術封鎖；其次，深海浮力驅動系統的研究能夠推進深海剖面運動平臺在我國的發展。

1　剖面運動平臺浮力驅動單元的應用

1.1浮力驅動單元在水下滑翔器中的應用

美國研制的典型水下滑翔器因為其設計任務不同，采用不同的浮力驅動系統。Washington大學研制的Seaglider和Scripps研究所研制的Spray均為1 000 m以深高壓作業水下滑翔器，兩者皆采用以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統［1-2］。Slocum Thermal水下滑翔器往返于海水表面和1 200 m深度之間，采用溫差熱機作為浮力驅動系統［3］。Slocum Electric 200水下滑翔器采用滾動膜片式柱塞泵系統，該柱塞泵系統的柱塞缸直徑較大，長度較短，可以完成大排量，大流量的泵油任務，卻不能實現2 MPa以上高壓作業。Slocum Electric 1000水下滑翔器同Spray和Seaglider相同，采用以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅動系統［4-5］。這樣以來，以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統的采用，保證了Slocum滑翔器（1 000 m），Spray滑翔器和Seaglider滑翔器三者均可以實現大深度，大排量的泵油作業。

2006年，Washington University應用物理實驗室研制了一種更大潛深的滑翔器Deepglider，它的設計目標為6 000 m［6］。新西蘭的Otago大學電子研究實驗室正在研制水下滑翔器UnderDOG，其設計工作深度為水下5 000 m。Deepglider和UnderDOG兩種超大深度水下滑翔器同樣采用以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統［7-8］，可見該類高壓浮力驅動系統在大深度水下滑翔器的研發中的重要地位。

1.2浮力驅動單元在剖面浮標中的應用

20世紀 80年代末，Scripps海洋研究所和Webb實驗室的海洋學家合作，成功地研制了ALACE浮標系統；隨后又成功研制了PLACE、APEX浮標。這三款浮標最終發展成為Argo這樣全球性的海洋浮標觀測系統［9-10］。ARGO浮標是指用于建立全球海洋觀測網的一種專用測量設備。然而隨著技術的進步，直到目前，Argo計劃逐漸開始采用以下三種剖面浮標模型，它們分別是法國MARTEC（現在是NKE Instrument）與IFREMER合作研發的剖面浮標PROVOR，美國Webb Research公司生產的APEX剖面浮標和Scripps海洋研究所研制的SOLO剖面浮標［11-13］。

美國Webb Research公司研制的APEX剖面浮標，裝有體積細長的單沖程柱塞泵系統。Scripps海洋研究所與WHOI研究所制造的SOLO剖面浮標與APEX相同，均配置單沖程柱塞泵系統。

法國研制的ROVOR浮標具有較大體積的泵油能力，可以實現浮力自調節以適應不同密度海域下的監測作業，從而免去布放前繁瑣的預配平操作。PROVOR浮標配置的以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統，該泵系統集成安裝在浮標底盤上，結構緊湊，可靠性高。由于安裝了功能強勁的心臟—以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統，PROVOR浮標具有較大的負載能力，可以通過搭載Argo計劃外的科學傳感器，實現浮標的拓展應用。PROVOR每10 d浮出一次水面，記錄和回傳數據。

2　深海水下滑翔器浮力驅動系統設計

2.1深海水下滑翔器的結構組成

圖1所示為天津大學設計的某型深海水下滑翔器，其機體由頭部罩、前艙、負載艙、后艙和尾錐組成［14］。大升阻比飛行翼對稱安裝在魚雷型機體兩側，并可在與主艙固定連接的機翼固定槽內前后調整位置。機體內部由前到后依次設置有浮力驅動系統、俯仰調節系統、橫滾調節系統、射流推進系統等。該型深海水下滑翔器的液壓泵系統位于平臺的前端，這樣可以減小起俯仰姿態調節作用的電池包的位移，從而降低能耗。

圖1　深海水下滑翔器的內部結構

2.2浮力驅動系統油路基本框架

根據深海水下滑翔器的工作原理及設計經驗，液壓泵系統的液壓回路可以簡單描述成圖2所示的基本框架。出油回路：電機帶動微型軸向柱塞泵工作，將風箱式蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中，同時在微型軸向柱塞泵之前設置過濾器，在微型軸向柱塞泵之后設置單向閥，以免航空液壓油從外皮囊回流至風箱式蓄油池中；回油回路：電池閥打開，外皮囊中的航空液壓油在外界大氣壓和殼體內部的負壓共同作用之下由外皮囊流回到風箱式蓄油池當中。

圖2　以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統工作流程

針對以上所述的液壓回路基本框架，存在兩個需要解決的問題：（1）微型軸向柱塞泵的吸油能力不足。即微型軸向柱塞泵將置于負壓（1/3～1/2真空）環境下的風箱式蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中時，在微型軸向柱塞泵的進油端容易離析出微小真空氣泡，進而造成氣鎖現象的發生，難以將液壓油泵出到外皮囊中；（2）準確測量外皮囊中的液壓油的體積。微型軸向柱塞泵將蓄油池中的航空液壓油泵出到外皮囊中，外皮囊中的液壓油的體積是控制和測試水下滑翔器的重要參數，該參數決定了水下滑翔器的航行速度和俯仰姿態角的大小，如何準確可靠地取得該數據就是非常重要的問題。

2.3液壓油路系統基本部件選型及試驗

浮力驅動系統采用不銹鋼高壓油管連接。如圖3（右）所示，大扭矩電機通過微型聯軸器直接與高壓微型軸向柱塞泵的輸入軸結合，這樣可以減少減速機機構，大大節省了空間和減小了質量。同時電磁閥、過濾器和單向閥也采用精密器件，保證系統的工作可靠性和整體結構的緊湊。如圖3（左）所示為與深海水下滑翔器完美集成的最終設計裝配模型，該模型深海水下滑翔器提供浮力驅動動力。

圖3　以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅動系統裝配模塊

3　高壓浮力驅動系統的關鍵技術

3.1微型軸向柱塞泵設計

Teledyne Webb Research公司和Rutgers大學COOL實驗室的Slocum Electric 1 000 m水下滑翔器均采用先進的微型軸向柱塞泵作為高壓浮力驅動系統的核心部件。鑒于上述研究機構的成熟經驗，本課題組打算通過國外采購和自行設計相結合的方式來研制以微型軸向柱塞泵為核心的浮力驅動系統。就微型軸向柱塞泵而言，可通過學習國外先進的微型軸向柱塞泵設計方法，與國內專業設計生產單位合作設計加工微型軸向柱塞泵。

按照當前流行微型軸向柱塞定量泵的設計指標，一般要求泵工作壓力在20 MPa以上，每轉排量為0.04～0.10 mL/rev，工作轉速在4 000～5 000 r/min。由于設計的水下滑翔器工作深度要達到1 000 m，故扭矩的選取參照1 200 m深時所承受的壓力，再考慮到大氣壓的影響，該水泵所承受的壓力達到121 bar。按照Slocum Electric 1 000 m工作液體的體積改變量為0.55 L計算得出泵的工作時間。

如圖4所示，微型軸向柱塞泵的工作原理并不復雜，它是利用與傳動軸平行的柱塞在柱塞孔內往復運動所產生的容積變化進行工作的。由于柱塞與柱塞孔都是圓柱形零件，加工時可以達到很高的配合精度，故而容積效率高，運轉平穩，流量均勻性高，噪音低，工作壓力高。柱塞泵的泵油機構包括兩套精密偶件：柱塞與柱塞套構成的柱塞偶件以及出油閥與出油閥座構成的出油偶件。

圖4　微型軸向柱塞泵結構原理（摘自網絡［15］）

柱塞與柱塞套是一對精密偶件，經配對研磨后不可以互換，要求有較高的加工精度和表面光潔度以及極好的耐磨性，其徑向間隙為0.002～0.003 mm。柱塞頭部圓柱面上加工有斜槽，并通過徑向孔、軸向孔與頂部相連通，其目的是改變循環供油量；柱塞套上設計有進、回油孔，均與泵上體內低壓油腔相通，柱塞套裝入泵上體后，應用定位螺釘定位。柱塞頭部斜槽的位置不同，改變供油量的方法也不同。

出油閥和出油閥座也是一對精密偶件，配對研磨后不能互換，其配合間隙為0.01 mm。出油閥是一個單向閥，在彈簧壓力作用下，閥上部圓錐面與閥座嚴密配合，其作用是在停止供油時，將高壓油管與柱塞上端空腔隔絕，防止高壓油管內的油倒流入噴油泵內。出油閥的下部呈十字斷面，既能導向，又能通過柴油。出油閥的錐面下有一個小的圓柱面，成為減壓環帶，其作用是在供油終了時，使高壓油管內的油壓迅速下降，避免噴孔處產生滴油現象。當環帶落入閥座內時，則使上方容積很快增大，壓力迅速減小，迅速停噴。柱塞往復運動總行程是不變的，由凸輪的升程決定。柱塞每個循環的供油量大小取決于供油行程。供油行程不受凸輪的限制是可變的。供油開始時刻不隨供油行程的變化而變化。轉動柱塞可改變供油終了時刻，從而改變供油量。

3.2外皮囊液壓油體積測量系統設計

就如何實現外皮囊的液壓油體積測量的問題，一般有兩種方案：（1）增量式體積測量。即在風箱式蓄油池的出油端增加微型渦輪流量計，然而流量計是一種增量式計量工具，排油和回油次數多了，會出現排油總量的積累誤差，難以保證正確的排油量測量；（2）絕對式體積測量。由于液壓管路充滿體積固定的液壓油，外皮囊的液壓油體積與蓄油池內液壓油體積總量固定，所以知道蓄油池內液壓油體積便可以知道外皮囊內液壓油的體積，同時蓄油池設計成風箱形狀，可以通過測量其長度來確定其內部液壓油體積。這里可以通過非接觸式直線位移傳感器和接觸式直線位移傳感器來測量蓄油池的長度。蓄油池的設計如圖5所示為風箱式設計，可以簡單實現長度測量，進而完成外皮囊液壓油體積的準確估算。

圖5　風箱式蓄油池結構設計與外觀

3.3軸向柱塞泵氣鎖現象分析與避免

為避免氣鎖現象發生，我們對水下滑翔器浮力驅動系統基本框架做以下修改，即在微型軸向柱塞泵前端增加初級增壓泵系統，保證高壓微型軸向柱塞泵正常工作。初級增壓泵具有良好的吸油能力，可以彌補微型軸向柱塞泵的吸油能力不足的問題。然而由于初級增壓泵的泵油流量大于微型軸向柱塞泵的泵油流量，所以在初級增壓泵與微型軸向柱塞泵之間添加具有固定開啟壓力的單向閥，既確保初級增壓泵不會超負荷工作，也確保微型軸向柱塞泵有穩定的進油口壓力。根據微型軸向柱塞泵的工作要求，設置固定開啟壓力單向閥的開啟壓力為0.1～0.2 MPa。該種改造方案需要增加一個初級增壓泵，一個單向閥，一個電機，一個聯軸器等，整個結構的質量和體積將增加許多（如圖6）。

如圖6所示，浮動系統由兩個液壓油路組成，分別對應了排油和回油過程：（1）排油時，液壓油在初級增壓泵的作用下，經過過濾器到達主泵的進油口，保證主泵的液壓油的供給。主泵是定量泵PB32.5，該泵在進油口為負壓的情況下，容易因氣泡而產生自鎖。初級增壓泵的排量大于定量泵排量，所以在主泵進油口處設置溢流閥，將部分過剩的液壓油返回到蓄油池當中。盤式電機帶動主泵將液壓油經由單向閥打到外皮囊中。該過程中，電磁閥是關閉的。（2）回油時，主泵和初級增壓泵均停止工作，電池閥打開，外皮囊中的液壓油在大氣壓強，表層海水壓力和蓄油池內部的負壓的作用下，經由電磁閥流回蓄油池。

圖6　以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統增加初級增壓泵后的工作流程

避免氣鎖的另外一種方案是在浮力驅動系統的基本框架的風箱式蓄油池處增加真空泵系統，即利用真空泵將殼體內部的部分空氣打到封閉的風箱式蓄油池外面，壓迫蓄油池收縮，從而將蓄油池中的液壓油驅趕到微型軸向柱塞泵的前端。真空泵可以打出大約0.1～0.2 MPa，有能力替代初級增壓泵來解決氣鎖問題。真空泵系統是水下滑翔器的必備部件，所以不會增加許多機構，只是增加了單個氣動閥。

4　總結

綜上所述，以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統具有結構緊湊、動力強勁、易于實現大排量等優點。美國的多種大深度水下滑翔器及法國的PROVOR剖面浮標均采用該系統作為動力源，從而提高了水下滑翔器和剖面浮標的負載能力，提高了水下滑翔器和剖面浮標的運動速度，進而實現了水下滑翔器的拓展應用，實現了自適應中性浮力調節，免去了繁瑣的配平操作，補償了水下滑翔器和剖面浮標因為生物腐蝕造成的浮力損失，延長了水下觀測時間。

本文以天津大學某型深海水下滑翔器的設計為例，詳細講解了以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅動系統的設計原理，以及其設計過程的注意事項，并針對其設計過程中的防止氣鎖、測量排油量和設計微型軸向柱塞泵等關鍵技術問題列寫了解決方案。

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Design of a Buoyancy Engine for Deep Sea Gliders

YANG Yan1，SUN Xiu-jun2，WANG Yan-hui3
1.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；
2.National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China；
3.Tianjin University，Tianjin 300072，China

The high-pressure buoyancy engine with the micro axial piston pump as its core functions as a key driving system for underwater gliders and profiling floats operating in a depth of over 1 000 m.This paper firstly introduces the prototypes of the buoyancy driving systems applied in the profiling platforms and their applications，before taking the 1 000-m rated underwater glider for instance to systematically illustrate the working principles and design approaches of its high-pressure buoyancy engine，as well as the critical technologies such as measuring pumping oil volume，avoiding pump inlet air lock and keeping pump piston clearance fit.The design and fabrication of a high-precision，high-efficiency and reliable buoyancy engine can greatly press ahead with the development of the profiling platforms for marine monitoring in China.

underwater glider；profiling float；micro axial piston pump；high-pressure buoyancy engine

P715.5

A

1003-2029（2016）02-0009-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.002

2015-07-24

天津市自然科學基金資助項目（11JCYBJC06200）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2014AA09A507，2012AA091001）

楊燕（1983-），女，博士，講師，主要研究方向為海洋環境監測移動平臺系統控制理論與技術。

孫秀軍（1981-），男，博士，副研究員，主要研究方向為基于移動平臺的海洋環境監測技術。E-mail:sunxiujun@yahoo.com