壓力補償式液壓浮力驅動技術研究

楊友勝， 王海衛， 穆為磊， 邢世琦， 楊翊坤， 齊鴻裕

(1.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

隨著陸地上不可再生資源的日益減少，人們對海洋資源的重視和開發逐步加快。潛水器是進行海洋開發所必須的高技術裝備之一，用于運載人員或設備到達各種海洋環境[1]。浮力驅動系統是潛水器至關重要的組成部分，主要用來實現潛水器的自動升沉、定深以及姿態等的控制[2]。

浮力驅動系統的主要應用場合包括作業型水下機器人(autonomous underwater vehicle，AUV)、剖面探測浮標、水下滑翔機等。在作業型AUV上的主要功能是輔助載體配平和姿態調整，補償因重量變化，海水密度變化，或耐壓艙體彈性變形引起的浮力變化，保證AUV處于最優的浮力狀況和航行姿態[3-5]。在浮標上的主要功能是改變其凈浮力，實現浮標的下潛和上浮[6]。相比于利用推進裝置實現沉浮，浮力驅動方式耗能較小，特別適用于對能耗要求高的中小型潛水器[7-8]。因此，研究浮力驅動系統具有十分重要的意義和應用價值。

當前，潛水器浮力驅動主要有2種方案：第1種方案為可變重量式，在體積不變的情況下，通過改變自身重量來調節浮力的大小，實現凈浮力的調節，一般采用海水液壓泵吸排海水來實現[9]。典型的應用包括美國的“Alvin”號、日本的“Shinkai6500”號以及中國的“蛟龍號”號搭載的海水液壓浮力驅動系統[10-12]。這種浮力調控方案需要多個換向閥配合工作，實現浮力雙向調節，同時需高壓泵(不小于水深壓力)和水箱壓力補償系統，能耗較大，且海水液壓實現高壓化困難。第2種方案為可變體積式，即在重量不變的情況下，通過改變自身體積來調節浮力的大小，實現凈浮力的調節，一般采用可變體積的油囊、油液壓泵來實現[13]。最典型的代表為日本研制的長航程“URASHIMA”號AUV，其浮力驅動裝置直徑440 mm，長750 mm，采用直流電機驅動，最大調節能力50 L，最大工作深度3 500 m[14]。此種方案的浮力調控系統復雜、浮力調控能力有限、油液壓泵工作壓力高(≥水深壓力)。總之，隨著作業水深的增加，艙體所承受的環境壓力相應增大，現有的浮力驅動方法均需超高壓設備，電機功率、艙體壁厚大。

針對上述情況，本文提出一種壓力補償式液壓浮力驅動方案，在傳統可變體積式基礎上，對艙體內壓力進行主動調控，使其自主適應水深壓力變化，達到降低液壓泵工作壓力及艙體內外壓力差，減小電機功率、艙體壁厚等目的。分析了系統的特性參數，研究了初始參數(預充壓強和預留空腔體積)對浮力調節過程中艙體內外壓力變化規律及調節次數的影響。

1 液壓浮力驅動系統

1.1 液壓浮力驅動系統組成

液壓浮力驅動系統主要由雙向齒輪泵、直流電機、自保持電動閥、耐壓艙體、壓力傳感器、內油囊和外油囊等組成。電機驅動齒輪泵工作，實現內外油囊之間的油傳遞。自保持電動閥用來控制油路通斷，保證齒輪泵不工作時，內外油囊彼此間互不相通，實現開啟和關閉狀態的自動保持，有效節省能量[15]。在內外油囊中充一定量液壓油，耐壓艙體內預充一定壓強pg0的惰性氣體，壓力傳感器用來測量耐壓艙體內惰性氣體壓強pg。

浮力驅動系統工作分為下潛和上浮2個過程。下潛時，電機驅動齒輪泵旋轉，將油液從外油囊壓入內油囊，主動減小裝置體積，實現下潛。內油囊體積增大，惰性氣體壓強pg升高，實現水深壓力補償。當下潛至水深壓強pw大于艙體內氣體壓強pg后，油液在壓差作用下，從外油囊流入內油囊，裝置體積減小，實現被動無能耗下潛。

上浮時，電機驅動齒輪泵反向旋轉，將油液從內油囊壓入外油囊，主動增大裝置體積，實現上浮。內油囊體積減小，惰性氣體壓強pg降低，實現水深壓力補償。當上浮至艙體內氣體壓強pg大于水深壓強pw后，油液在壓差作用下，從內油囊流入外油囊，裝置體積增大，實現被動無能耗上浮。浮力調節過程采用多次調節的方式，使齒輪泵工作壓力及艙體內外壓差始終小于齒輪泵最大壓力(如圖2)。

圖2 艙體內外壓力變化Fig.2 The change of the inner and outer pressure of the cabin

1.2 結構設計

本文研發的液壓浮力驅動系統最大工作水深為4 km，其相關技術指標主要包括：

1)浮力調節量不小于1 L；

2)浮力調節精度不大于0.5%FS；

3)功耗不大于80 W；

4)體積不大于12 dm3，空氣凈重不大于10 kg(空氣凈重指的是整個壓力補償式液壓浮力驅動裝置樣機在空氣中的質量)；

5)齒輪泵最大壓強不大于10 MPa。

根據以上技術指標，結合標準零部件的選型，設計了一套完整的壓力補償式液壓浮力驅動系統結構，如圖3所示。

圖3 液壓浮力驅動系統結構Fig.3 The structure of hydraulic buoyancy actuation system

測量并計算了浮力驅動裝置的重要參數，樣機直徑為165 mm，長度為420 mm，質量為7.36 kg，排水量為4 L。

2 液壓浮力驅動系統參數

為了簡化分析及計算，本文忽略耐壓艙體內溫度變化及液壓油的可壓縮性，同時假設系統工作過程中深度不變。

下潛過程中，海水密度變化引起的裝置排水體積變化：

(1)

式中：m為裝置質量；ρw(h)為深度h處海水密度；ρw(0)為海平面海水密度。

下潛過程中海水壓力變化引起的裝置排水體積變化：

ΔVp=Vb0-Vb

(2)

式中：Vb0為裝置在海平面排水體積；Vb為裝置在深度h處排水體積。

下潛過程中所需齒輪泵調節量即油囊體積改變量：

ΔVa=ΔVd-ΔVp

(3)

則耐壓艙體內氣體體積：

Vg=Vg0-ΔVa

(4)

式中Vg0為耐壓艙體內預留空腔體積。

耐壓艙體內為一密閉容積，由理想氣體狀態方程pV=nRT，忽略溫度變化，得到耐壓艙體內氣體壓強：

(5)

式中pg0為耐壓艙體內預充氣體壓強。

則齒輪泵工作壓力即艙體內外壓差：

Δp=pw-pg=ρw(h)gh-

(6)

式中：g為重力加速度；h為水深。

上浮過程艙體內氣體壓強pg及艙體內外壓差Δp的表達式與下潛類似，在此不再詳細推導。

為了使浮力驅動裝置在海平面達到浮力中性狀態，需要壓力浮球提供其所需凈浮力。優選德國VITROVEX公司生產的6 700 m深海壓力浮球，根據樣本信息及某海域試驗數據，得到海水壓力引起的裝置體積變化量ΔVp、海水密度ρw(h)與水深關系曲線如圖5所示。

圖5 ΔVp、ρw(h)與水深關系曲線Fig.5 The relation curve between ΔVp、ρw(h)and depth

3 參數分析

3.1 初始參數

為分析初始參數(預充壓強pg0、預留空腔體積Vg0)對調節性能的影響，假設水深h分別取2.5、3、3.5 km時，艙體內外壓差Δp等于艙體內預充壓強pg0，分別取7.5、8、8.5 MPa時，Vg0、Δp如表1所示。

根據表1，取預充壓強pg0為8 MPa，預留空腔體積Vg0分別取1 002.6、1 018.1、1 034.6 mL 3個值，討論3種情況下，浮力調節過程中艙體內外壓強變化規律及調節次數。

表1 不同預充壓強下最大壓差值Table 1 Maximum pressure difference under different pre-charged pressure

3.2 艙體內外壓力變化規律

按照上述初始參數，分別計算出3種情況下，艙體內氣體壓強pg、水深壓強pw及艙體內外壓差Δp，得到pg、pw、Δp與水深關系曲線如圖6所示。

由圖6可知，相同預充壓強pg0，預留空腔體積Vg0越大，下潛至水下4 km位置，艙體內氣體壓強pg越小，艙體內外壓差Δp越大，最大壓差為8.16 MPa。

圖6 pg、pw、Δp與水深關系曲線Fig.6 The relation curves between pg,pw,Δp and depth

在水下4 km位置時，海水壓強大約為40 MPa，即傳統的浮力驅動裝置艙體需承受40 MPa壓強。而本方案采用壓力補償技術，使其最大承壓小于10 MPa。

壁厚計算公式為[16]：

與傳統可變體積式浮力驅動系統相比，本方案有效降低了齒輪泵工作壓力，減小了電機功率，避免了超高壓差下啟動引起的工作電流大、易過載燒毀電器元件的風險；降低了艙體內外壓差，減小了艙體壁厚，理論上艙體壁厚減小75%。

3.3 調節次數

浮力驅動系統工作分為下潛和上浮2個過程，下潛過程需調節2次后自動下潛至4 km位置，上浮過程需調節次數較多，其中3種情況下潛參數變化和上浮調節次數如表2所示。

由表2可知，相同預充壓強pg0，預留空腔體積Vg0不同時，下潛過程所需調節次數相同；預留空腔體積Vg0越大，上浮所需調節次數越多。從總調節次數最少角度考慮，取預充壓強pg0為8 MPa，預留空腔體積Vg0為1 002.6 mL。

此參數條件下，下潛開始時，裝置停留在水面，此時外油囊壓力即水深壓強pw為0.1 MPa，內油囊壓力即艙體內氣體壓強pg0為8 MPa，電機驅動齒輪泵工作，將油液從外油囊壓入內油囊。當內油囊壓強pg達到9.87 MPa時，即艙體內外壓差Δp達到9.77 MPa，齒輪泵停止工作，自保持電動閥將油路關閉，為裝置提供下潛動力。重復上述調節過程1次至2.1 km處，水深壓強pw大于艙體內氣體壓強pg，油液在壓差作用下從外油囊流入內油囊，裝置體積減小，實現被動無能耗下潛。下潛過程油囊體積即艙體內惰性氣體體積改變量為605.2 mL。

浮力調節采用多次調節的方式，通過壓力補償始終保持艙體承壓及液壓元件工作壓強始終保持在10 MPa以下。上浮開始時，裝置停留在水下4 km，此時pw為40.72 MPa，pg為40.84 MPa，電機反向旋轉驅動齒輪泵工作，將油液從內油囊壓入外油囊；當艙體內外壓差Δp達到9.87 MPa，齒輪泵停止工作，為裝置提供上浮動力。重復上述調節過程7次至艙體內氣體壓強pg大于水深壓強pw，油液在壓差作用下從內油囊流入外油囊，裝置體積增大，實現被動無能耗上浮。

4 結論

1)通過預充惰性氣體對艙體內壓強進行主動調控，下潛至水下4 km齒輪泵工作壓力及艙體內外壓差由40 MPa降低為10 MPa以下。理論上艙體壁厚減小75%。

2)從總調節次數最少角度考慮，確定了預充壓強為8 MPa，預留空腔體積為1 002.6 mL時為最佳初始參數。此參數條件下，下潛過程調節2次后，浮力驅動裝置在壓差作用下自動下潛至水下4 km；上浮過程調節8次后，在壓差作用下自動上浮至海平面，實現了海洋壓力能的有效利用。