深海下儲油器系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償動態(tài)特性研究

曹學(xué)鵬，張翠紅,2，鄧 斌，謝 強(qiáng)，榮一轔

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都，610031;2.四川建設(shè)機(jī)械(集團(tuán))股份有限公司開發(fā)部，四川 成都，610081；3.四川海洋特種技術(shù)研究所，四川 成都，610041）

深海下儲油器系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償動態(tài)特性研究

曹學(xué)鵬1，張翠紅1,2，鄧 斌1，謝 強(qiáng)1，榮一轔3

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都，610031;2.四川建設(shè)機(jī)械(集團(tuán))股份有限公司開發(fā)部，四川 成都，610081；3.四川海洋特種技術(shù)研究所，四川 成都，610041）

對深海3 000 m液壓源儲油器，采用兼具壓力補(bǔ)償和體積補(bǔ)償?shù)哪z囊作為其壓力補(bǔ)償器。針對動態(tài)運(yùn)行時可能存在的補(bǔ)償量不足的問題，提出了儲油器系統(tǒng)不失穩(wěn)時的壓力動態(tài)補(bǔ)償設(shè)計準(zhǔn)則，然后擇選一組優(yōu)化參數(shù)設(shè)計出儲油器系統(tǒng)樣機(jī)，分別完成在模擬執(zhí)行元件和環(huán)境壓力變化時的高壓艙下的實(shí)驗測試，結(jié)果表明在兩種變工況下儲油器內(nèi)壓力均能很好地跟隨環(huán)境壓力的變化，驗證了該結(jié)構(gòu)及其設(shè)計準(zhǔn)則是合理的，為水下液壓源儲油器系統(tǒng)的壓力自平衡設(shè)計及可靠運(yùn)行提供了相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

深海儲油器；壓力補(bǔ)償；動態(tài)特性；設(shè)計準(zhǔn)則；動態(tài)補(bǔ)償域

在海洋資源的探測和開采中，液壓傳動作為水下設(shè)備有效的驅(qū)動方式而得到廣泛應(yīng)用。水下液壓源需要解決的一個技術(shù)難題就是深水壓力問題。若儲油箱采用厚壁的承壓殼結(jié)構(gòu)，將使系統(tǒng)體積和重量成倍地增加，勢必為設(shè)備的下潛和水下的機(jī)動性制造障礙[1]。文獻(xiàn)[2-3]對“300 m水下工具”提出一種用于深水液壓動力源中的壓力補(bǔ)償器，筆者在考慮環(huán)境壓力及溫度、油液的壓縮性、執(zhí)行元件等因素的影響時，對補(bǔ)償器工作容積進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)和確定。由于該補(bǔ)償器采用通徑較大的法蘭作為補(bǔ)償器和油箱間的連接液壓接口，即使執(zhí)行元件產(chǎn)生的體積差較大時仍可滿足系統(tǒng)的補(bǔ)償需求，從而有效地保證了油箱的安全。其缺點(diǎn)是補(bǔ)償膠囊、法蘭等組件專用性強(qiáng)，制造復(fù)雜，需要定做或特制，通用性和互換性較差。筆者結(jié)合國家“863”項目“深海節(jié)能型集成液壓動力源的關(guān)鍵技術(shù)的研究”中儲油箱的設(shè)計，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)且工作在水下3 000 m處的壓力補(bǔ)償儲油器系統(tǒng)，本文主要針對其動態(tài)補(bǔ)償特性展開相應(yīng)理論研究和實(shí)驗分析。

1 深海儲油器的補(bǔ)償原理及結(jié)構(gòu)

1.1 儲油器的壓力補(bǔ)償原理

為了消除水下壓力對液壓系統(tǒng)的影響，深海液壓源系統(tǒng)需對海水壓力進(jìn)行自動補(bǔ)償。典型的壓力補(bǔ)償原理如圖1所示，壓力補(bǔ)償器與儲油器通過特定的液壓接口相連通。壓力補(bǔ)償器為彈性元件或活塞體，并允許有一定的彈性變形或位移量。當(dāng)下潛深度變化時，海水壓力作用于補(bǔ)償器上，使其產(chǎn)生壓縮或移動，并將水壓力傳遞給內(nèi)部的液壓油，根據(jù)液體的不可壓縮性質(zhì)，補(bǔ)償器內(nèi)部壓力應(yīng)與外界海水壓力相等。而儲油器與補(bǔ)償器相連通，根據(jù)帕斯卡原理，儲油器內(nèi)部的壓力也應(yīng)與外部海水壓力相同，從而實(shí)現(xiàn)儲油箱內(nèi)外壓力的自平衡。

圖1 液壓源儲油器壓力補(bǔ)償原理圖

1.2 壓力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償器的形式有多種，常見的有活塞式、皮囊式、金屬薄膜式和波紋管式[3]，這幾種結(jié)構(gòu)中，皮囊式補(bǔ)償器所允許的補(bǔ)償體積變化最大，即可用于壓力補(bǔ)償，又可以用于體積補(bǔ)償，并具有加工簡單，皮囊更換方便，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在本項目研制的深海3 000 m節(jié)能型集成液壓動力源的儲油箱采用了皮囊式補(bǔ)償器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓力補(bǔ)償器由外殼、補(bǔ)償膠囊、連接法蘭等組成，可通過對陸上成熟的蓄能器產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b和完善即可得到。采用標(biāo)準(zhǔn)的液壓接口和油管元件將補(bǔ)償器和儲油器連接。

該結(jié)構(gòu)具有加工制造簡單、成本低、更換方便、互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于日后的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。其補(bǔ)償器的靜態(tài)工作容積的確定方法可參見文獻(xiàn)[2]，在此不再贅述。但該結(jié)構(gòu)采用了管接式的液壓接口，補(bǔ)償器的通流能力較差。當(dāng)流經(jīng)液壓接管的補(bǔ)償流量小于液壓源執(zhí)行元件引起的進(jìn)出儲油器的流量差時，密閉儲油箱會因補(bǔ)償量不足而產(chǎn)生無油空隙，在外海水壓力下導(dǎo)致其壓變形或壓裂，導(dǎo)致水下液壓系統(tǒng)的安全事故。因此，研究此類儲油器系統(tǒng)的動態(tài)壓力補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計準(zhǔn)則及其適用范圍具有重要意義。

圖2 管接式皮囊補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)簡圖

2 儲油器系統(tǒng)的動態(tài)壓力補(bǔ)償模型

基于以下假設(shè)建立儲油器系統(tǒng)的模型：①工作介質(zhì)的密度及體積彈性模量始終保持不變，且為非空蝕流；②不考慮環(huán)境因素對補(bǔ)償皮囊的影響；③忽略油液壓縮性對系統(tǒng)的影響；④忽略液壓系統(tǒng)的泄漏量。

2.1 儲油器模型

液壓源儲油器采用薄壁型圓筒形殼體，壁厚較小 （δe≤5 mm）。由于內(nèi)置泵、電機(jī)等較大部件，儲油器的直徑和長度均較大，筒外徑厚度比 D0/δe≥20,可似為長圓筒[4－5]，由勃萊斯（Bress）公式可得長圓筒在外壓力作用時的臨界壓力為：

式中：Et為長筒材料的彈性模數(shù)（Pa）；v為長筒材料的泊桑比，對鋼制容器 v=0.3；δe為圓筒的有效厚度（mm）；D0為圓筒的直徑（mm）。

由此，可得許用工作外壓力：

式中：m為穩(wěn)定安全系數(shù)[5]，通常取m=3；

在深海工況下，還需滿足臨界壓應(yīng)力小于在環(huán)境溫度下材料的壓縮屈服極限，即：

式中：δk為長筒材料的臨界壓應(yīng)力 （Pa）；δs為長筒材料的壓縮屈服極限（Pa）。

2.2 液壓接管模型

皮囊和儲油器之間通過細(xì)長管相連，再加上皮囊接頭的長度后,使得油管長度與直徑比l/d＞4。于是，油管及其接頭可視為細(xì)長孔，油液流動狀態(tài)視為層流狀態(tài)，則其通油流量為：

式中，qk為通油流量 （m3/s）；dk為連接油管的通流直徑（m）；μ 為液壓油的動力粘度（N·s/m2）；lk為連接油管的長度，含皮囊接頭長度（m）；Δp為油管兩端的壓差，即皮囊內(nèi)壓力和儲油器間的壓差（Pa）。

在深海高壓環(huán)境下，皮囊通過彈性變形，使得其內(nèi)外壓力相等。液壓泵的出油和回油流量間的不相等引起儲油器的進(jìn)出油液的體積差，因此海水壓力與儲油器內(nèi)壓力之差即為式(1)中的壓差Δp，此值應(yīng)不超過式(3)計算的儲油器的許用工作外壓力。

聯(lián)立(1)、(2)、(4)式，并將安全系數(shù)取值代入，可得許用工作外壓力下相應(yīng)的許用工作流量：

式中：qkk為許用工作流量（m3/s）；

2.3 執(zhí)行元件及負(fù)載模型

設(shè)執(zhí)行元件為單桿液壓缸，當(dāng)無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油時，活塞桿運(yùn)行產(chǎn)生的進(jìn)出油流量差為：

式中：Δq為進(jìn)出油流量差 （m3/s）；vg為活塞桿的運(yùn)行速度（m/s）；dg為活塞桿的直徑（m/s）。

為使儲油器穩(wěn)定可靠地工作，進(jìn)出油流量差最大不應(yīng)超過許用工作流量，即滿足：

同時考慮液壓泵的實(shí)際供油能力，流量差Δq還應(yīng)小于變量泵的最大供油流量，即：

式中：Qmax為液壓源的最大供油流量（m3/s）。

2.4 系統(tǒng)模型

聯(lián)立(5)，(6)，(7)式，同時考慮式(3)，(8)，整理后得到此儲油器系統(tǒng)不失穩(wěn)、可靠運(yùn)行的動態(tài)壓力補(bǔ)償設(shè)計準(zhǔn)則：

從上式可以看出，連接油管通徑，儲油器壁厚及直徑對動態(tài)性能影響最大，其次為活塞桿徑，同時，各變參數(shù)設(shè)計和選擇時需滿足不等式組所確定的一定的區(qū)域，在此將它稱為系統(tǒng)的動態(tài)補(bǔ)償域。在該區(qū)域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)儲油器系統(tǒng)的水深壓力下的可靠工作。

3 動態(tài)特性分析

利用上述儲油器動態(tài)補(bǔ)償設(shè)計準(zhǔn)則，再結(jié)合儲油器系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計參數(shù)對其動態(tài)性能進(jìn)行分析，即考慮環(huán)境因素、補(bǔ)償器、液壓接口、儲油器、執(zhí)行元件等相關(guān)參數(shù)變化時對補(bǔ)償性能的影響。主要參數(shù)取值如表1所示。

表1 儲油器系統(tǒng)的主要參數(shù)值

3.1 環(huán)境因素的影響

圖3所示的動態(tài)補(bǔ)償域為在不同水深的環(huán)境溫度、壓力下，油缸運(yùn)行速度的可取值范圍。可知，在常溫、大氣壓下，油缸容許速度為1.6×10-2m/s，而3 000 m水深時（水溫3℃、壓力 30 MPa），則減小為 2.4×10-3m/s，即海水壓力越大、溫度越低，油缸容許的運(yùn)行速度越小，補(bǔ)償器動態(tài)補(bǔ)償性能越差。這是由于低溫、高壓使得液壓介質(zhì)的粘度明顯增加，流動性變差所致。

圖3 油缸速度與環(huán)境因素間的動態(tài)補(bǔ)償域圖

3.2 儲油器尺寸參數(shù)的影響

由圖4可知，隨儲油器壁厚δe的減小、筒徑增大，動態(tài)補(bǔ)償域極大地減小。當(dāng)筒徑在0.2～0.5 m范圍內(nèi)時，壁厚從2 mm變化到0.5 mm時，動態(tài)補(bǔ)償域減小到1/60以下。因此，儲油器設(shè)計時應(yīng)選用厚壁、小直徑的筒。但過大地增大壁厚會影響儲油器的重量，設(shè)計時對壁厚采用折中擇優(yōu)的方法，選用壁厚δe=1 mm,而筒徑及長度需根據(jù)儲油器內(nèi)的液壓源元件實(shí)際尺寸參數(shù)、儲油量等參數(shù)來確定。

3.3 液壓接口參數(shù)的影響

在其余參數(shù)不變時，油缸容許速度隨液壓接口通徑的增大而增大，隨接口長度lk減小而增大；并且通徑對補(bǔ)償域的影響遠(yuǎn)大于長度的影響（圖5）。當(dāng)接口長度為0.2 m，通徑從5 mm增大到25 mm時，容許速度增加600多倍，達(dá)3.67 m/s。因此，在儲油器補(bǔ)償器系統(tǒng)設(shè)計時適當(dāng)?shù)卦黾右簤航涌谕◤剑捎行У馗纳蒲a(bǔ)償器的工作性能。

圖4 油缸速度與儲油器參數(shù)間的動態(tài)補(bǔ)償域圖

圖5 油缸速度與液壓接口間的動態(tài)補(bǔ)償域圖

3.4 液壓介質(zhì)及活塞桿徑的影響

由圖6知，在深海3 000 m環(huán)境下，當(dāng)液壓缸活塞桿徑在（1～10）×10-2m范圍內(nèi)取值時，補(bǔ)償器的動態(tài)補(bǔ)償域隨液壓介質(zhì)的粘度等級增大而明顯減小。對于VG 10#、VG 68#液壓介質(zhì)，在相同桿徑時，油缸容許速度增加至15倍以上。因此，采用低粘度等級的液壓介質(zhì)可提高補(bǔ)償器的工作范圍，從而滿足不同水深條件和執(zhí)行元件的要求。

圖6 油缸速度與桿徑-介質(zhì)間的動態(tài)補(bǔ)償域圖

綜上所述，在進(jìn)行壓力補(bǔ)償深海儲油器系統(tǒng)的設(shè)計時，需要綜合考慮環(huán)境因素、儲油器尺寸參數(shù)、液壓接口參數(shù)等對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，并且宜選用粘度等級低、粘溫系數(shù)高的液壓油作為液壓源的工作介質(zhì)。

4 實(shí)驗測試

4.1 試驗裝置的建立

為了驗證儲油器系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償性能分析的合理性，根據(jù)前述提出設(shè)計準(zhǔn)則，選取了一組數(shù)據(jù)作為儲油器系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，對執(zhí)行元件引起流量差及環(huán)境壓力變化時的動態(tài)補(bǔ)償性能進(jìn)行了試驗測試。圖7為測試試驗原理圖，圖8為相應(yīng)的測試裝置及被測元件。高壓試驗艙模擬深海環(huán)境壓力；充滿油的皮囊和儲油器組成壓力補(bǔ)償系統(tǒng)置于高壓艙內(nèi)；油箱、過濾器、高壓泵、驅(qū)動電機(jī)和溢流閥組成高壓加載系統(tǒng)，截止閥和溢流閥配合可分別完成高壓艙和補(bǔ)償油箱的壓力加載和卸荷；可調(diào)節(jié)流閥和截止閥7.1構(gòu)成單桿液壓缸速度模擬裝置，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)節(jié)流閥的流量模擬執(zhí)行元件速度改變引起的體積差變化；利用數(shù)據(jù)記錄儀和壓力變送器4.1，4.2實(shí)現(xiàn)對環(huán)境壓力和儲油器內(nèi)壓力的檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。

圖7 儲油器系統(tǒng)性能實(shí)驗原理圖

圖8 測試裝置及被測元件

4.2 動態(tài)補(bǔ)償性能測試

實(shí)驗時啟動加載系統(tǒng)，將高壓艙內(nèi)壓力調(diào)定為30 MPa不變，閥7.1開啟、閥7.2關(guān)閉，并調(diào)整節(jié)流閥使有油液速度變化為0.5～2 L/min，記錄此過程補(bǔ)償器內(nèi)的壓力和高壓艙內(nèi)的壓力變化如圖9所示；關(guān)閉閥 7.1、7.2，閥 7.3配合閥7.4、7.5的開合，實(shí)現(xiàn)30 MPa左右的艙3環(huán)境壓力的變化，同樣記錄補(bǔ)償器內(nèi)的壓力和高壓艙內(nèi)的壓力變化如圖10所示。

圖9 模擬執(zhí)行元件流量變化時的壓力跟隨性測試結(jié)果

圖10 環(huán)境壓力變化時的壓力跟隨性測試結(jié)果

由圖9、圖10的壓力響應(yīng)實(shí)驗曲線可知，兩條曲線幾乎完全平行，儲油器內(nèi)的壓力受執(zhí)行元件流量的變化影響很小，而隨環(huán)境壓力變化而實(shí)時變化。表明在儲油器系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則所確定的動態(tài)補(bǔ)償域范圍內(nèi)，無論執(zhí)行元件流量變化還是環(huán)境壓力變化，在高壓艙設(shè)置的壓力環(huán)境下，儲油器內(nèi)壓力都能很好地跟隨環(huán)境壓力變化，均與理論分析結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

對儲油器系統(tǒng)，動態(tài)壓力補(bǔ)償設(shè)計準(zhǔn)則表明，適當(dāng)?shù)卦黾右簤航涌谕◤剑捎行У馗纳蒲a(bǔ)償器的工作性能；儲油器設(shè)計時應(yīng)選用厚壁、小直徑的圓筒，但壁厚的增加會使系統(tǒng)的質(zhì)量增大，應(yīng)采用折中擇優(yōu)的方法選取；宜選用粘度等級低、粘溫系數(shù)高的液壓油作為深海液壓源的工作介質(zhì)。

實(shí)驗測試說明，在設(shè)計準(zhǔn)則確定的參數(shù)下，儲油器內(nèi)壓力均能很好地跟隨環(huán)境壓力的變化，儲油器系統(tǒng)具有良好的動態(tài)補(bǔ)償性能。所以，對該結(jié)構(gòu)的儲油器系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)參數(shù)，即可達(dá)到儲油器內(nèi)外壓力的自平衡功能，實(shí)現(xiàn)水下3 000 m范圍內(nèi)的可靠運(yùn)行，故可作為研制的深海節(jié)能型集成液壓源的油箱裝置。另外標(biāo)準(zhǔn)化的液壓接口和元件的采用，也可移植到其余深海液壓系統(tǒng)的油箱設(shè)計中，進(jìn)而提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)和理論參考，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Abstract：A bladder,which has the function of pressure-compensated and volume-compensated,is used to be the pressurecompensator of oil reservoir of hydraulic power in 3000m deep-sea.The dynamic design criteria of stable oil reservoir system is given for the existing probability of insufficient compensation in dynamic working.A prototype is designed in term of a set of the optimization parameters,which is then tested for its performance under a high pressure hull when simulating the changing of actuators and environment pressure.The result shows that the reservoir internal pressure well follow with environment pressure changing under the two changing work states respectively,which shows the structure and the design criteria are reasonable.It is able to provide related theoretical basis and technical support for pressure self-balance design and reliable operation of subsea hydraulic power reservoir systems.

Key words：deep-sea oil reservoir;pressure-compensated;dynamic property;design criteria;dynamic compensated domain

Research on Pressure-compensated Dynamic Property of Deep-sea Oil Reservoir Systems

CAO Xue-peng1,ZHANG Cui-hong1,2,DENG Bin1,XIE Qiang1,RONG Yi-lin3
（1.School of Mechanical Engineering and Automation,Southwest Jiao Tong University,Chengdu Sichuan 610031,China;2.Development Department of Sichuan Construction Machinery(Group)Limited Company,Chengdu Sichuan 610081,China;3.Institute of Sichuan Ocean Special Technology,Chengdu Sichuan 610041,China)

P751

A

1003-2029（2011）01-0083-05

2010-08-30

國家“863”基金資助項目(2006AA09Z226)

曹學(xué)鵬（1982-）男，博士研究生，研究方向為新型驅(qū)動技術(shù)及電液比例控制系統(tǒng)。E-mail：tiepeng2001@163.com