深海集成油壓源測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

曹學鵬 ，焦生杰 ，顧海榮，榮一轔

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064;2.四川海洋特種技術(shù)研究所，四川 成都 610041）

目前，國內(nèi)深海油壓源的設(shè)計和開發(fā)主要基于對已有陸用油壓源深海適應(yīng)性改造的方法[1-2]，潛在對深海環(huán)境因素的影響考慮不周的問題。為了驗證樣機的適應(yīng)性并發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的不足，需進行反復的海試。海試具有試驗周期長、測試項目有限、測試設(shè)備要求高、試驗成本昂貴等特點，搭載遠洋試驗船又易受臺風、海浪、洋流等不確定因素的影響，故多用于樣機正式投入使用前的驗證測試[3]。為此，大氣下模擬深海環(huán)境的測試技術(shù)和平臺搭建就顯得尤為重要。本文開展模擬深海高壓的集成油壓動力源測試平臺的設(shè)計并進行相應(yīng)的試驗研究，以提高測試效率，縮減試驗周期和成本，為深海油壓源產(chǎn)品化提供急需的測試平臺和硬件支撐。

1 測試平臺技術(shù)指標

被測深海油壓源最大工作水深為4 500 m，在這一海層，海水溫度保持恒溫，約在3℃左右，海水密度基本保持1.028 g/cm3，鹽度在3.3%～3.7%之間，因上層海水自重的存在，油壓源受到海水環(huán)境壓力的作用[4-5]。對于內(nèi)浸式壓力補償結(jié)構(gòu)，海水高鹽度僅對儲油箱外壁產(chǎn)生腐蝕作用，而對油壓源系統(tǒng)本身并無影響。因此，深海環(huán)境的模擬包括環(huán)境溫度、環(huán)境壓力的兩大環(huán)境因素，另外，測試系統(tǒng)還需考慮油壓源液壓量調(diào)節(jié)及負載作用，設(shè)計的測試平臺主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）環(huán)境壓力：0～50 MPa；

（2）環(huán)境溫度：20～40℃；

（3）壓力、流量輸入可動、靜態(tài)調(diào)節(jié)；

（4）負載模擬可實現(xiàn)動、靜態(tài)加載。

2 測試平臺的方案設(shè)計

圖1 耐壓艙下溢流閥直接加載方案原理圖

深海油壓源測試平臺設(shè)計時，既要較真實地模擬深海極端環(huán)境條件及工況特點，還需兼顧大氣環(huán)境下實際條件的影響和限制。為此，根據(jù)加載方式的不同，提出下述兩種測試設(shè)計方案。

2.1 耐壓艙下溢流閥直接加載方案

設(shè)計的耐壓艙下溢流閥直接加載方案的系統(tǒng)組成如圖1所示，由兩個液壓子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)組成。

（1）深海環(huán)境高壓模擬系統(tǒng)，由高壓泵21和電機22組成的液壓動力源，配合開關(guān)閥19.1、19.2及溢流閥20，實現(xiàn)耐壓實驗艙17.1、17.2內(nèi)環(huán)境壓力在0～50 MPa范圍的調(diào)定，以達到深海環(huán)境壓力的模擬。

（2）溢流閥直接加載的油壓源測試系統(tǒng)。由電機、被測泵及電氣檢控裝置、加載閥組成，測試原理為：電機3驅(qū)動被測泵運轉(zhuǎn)，泵出口壓力和耐壓艙17.1內(nèi)的環(huán)境壓力比較后，與壓力控制信號Pin形成的差信號經(jīng)閉環(huán)放大器處理，驅(qū)動閥10開口變化，實現(xiàn)泵1的壓力調(diào)定，此時流量輸入Qin保持恒值，反之亦然。溢流閥25信號if實現(xiàn)泵的加載功能。閥25的進出油口分別與艙17.1內(nèi)泵出油口和內(nèi)腔連通，使兩子系統(tǒng)內(nèi)油液循環(huán)流動，使艙內(nèi)液體始終充滿，保證環(huán)境壓力的相對穩(wěn)定。

（3）數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)則由壓力、流量傳感器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等組成，圖1中11、16、26所示。

該方案的優(yōu)點在于油路圖相對簡單，實驗裝置和負載加載元件也較少，溢流閥直接加載便捷，測試結(jié)果能較直接地反映油壓源自身的響應(yīng)特性，存在不足是，在節(jié)流加載的密閉式油路中，因節(jié)流作用產(chǎn)生的熱量將隨油液一起流回密閉油箱（模擬艙）中，難于進行有效散熱，導致油溫升高，無法對恒深海環(huán)境溫度形成有效模擬。

2.2 大氣下液壓泵-溢流閥加載方案

制定的大氣下液壓泵-溢流閥加載方案，其系統(tǒng)組成如圖2所示，由3個液壓子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)組成。深海環(huán)境高壓模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)和第一種方案完全相同，而加載系統(tǒng)則由溢流閥直接加載變?yōu)橄冉?jīng)耐壓艙17.2內(nèi)液壓馬達25輸出扭矩，通過聯(lián)軸器傳遞給液壓泵24，最后再利用溢流閥25實現(xiàn)大氣下的加載。故測試平臺加載系統(tǒng)由高壓艙內(nèi)被測泵和液壓馬達組成液壓能傳遞單元和大氣下液壓泵和溢流閥組成的加載裝置兩個子系統(tǒng)構(gòu)成。泵的調(diào)節(jié)和測試過程和方案一基本相同，所不同是，閥25的加載調(diào)定壓力低于其直接加載時。

圖2 大氣下液壓泵-溢流閥加載方案原理圖

圖3 深海油壓源測試平臺裝置圖

該方案采用大氣下間接加載的方式，其優(yōu)點是執(zhí)行元件液壓馬達本身效率高，能量損耗小，主要能量消耗在大氣加載系統(tǒng)中的加載溢流閥上，其節(jié)流產(chǎn)生的熱量帶回大氣下的油箱，故耐壓艙內(nèi)的液壓子系統(tǒng)發(fā)熱少，油溫較穩(wěn)定，在長時間運行后測試結(jié)果也相對準確，前后波動小。該油路圖結(jié)構(gòu)復雜，實驗裝置多，調(diào)試過程也較繁瑣，同時當深海電機輸出驅(qū)動功率較小時，經(jīng)自身攪油損耗、馬達損耗和聯(lián)軸器機械損失后，傳遞到加載溢流閥的功率較小，加載溢流閥負載壓力的調(diào)定范圍較小，此外，馬達與聯(lián)軸器間需采用高壓旋轉(zhuǎn)密封，技術(shù)成本要求高。

綜合考慮被測油壓泵的測試項目和數(shù)據(jù)多，連續(xù)實驗時間長，負載特性要求不高，采用第二套方案作為本測試平臺的設(shè)計方案，搭建的油壓泵測試平臺的裝置如圖3所示。

3 平臺的測試與分析

在測試平臺對深海油壓源樣機進行試驗，以檢驗測試平臺的合理性和實效性，同時驗證平臺設(shè)計方案的可行性。

3.1 靜態(tài)性能檢測

通過高壓泵分別給兩個耐壓試驗艙依次加壓至15 MPa、30 MPa、50 MPa，各保壓6 h。試驗結(jié)果表明，在各加壓過程中，兩艙內(nèi)壓力均平穩(wěn)緩慢增加，無異常響動，動靜密封部位無泄漏。保壓階段模擬環(huán)境參數(shù)及泄露情況如表1所示，可知，平臺測試系統(tǒng)可實現(xiàn)變環(huán)境壓力的模擬，靜態(tài)時維持環(huán)境溫度不變，在歷經(jīng)較長的保壓過程后，環(huán)境壓力仍保持基本不變，說明耐壓艙強度及密封裝置可靠，滿足預(yù)設(shè)的目標。

表1 模擬環(huán)境參數(shù)變化表

3.2 平臺上油壓源性能測試

3.2.1 流量、壓力調(diào)節(jié)性能測試

將平臺下油壓源性能裝置（如圖3所示），分別緩慢調(diào)節(jié)圖2中控制輸入Pin、Qin，同時分別保持負載輸入if為最大或為零，從而完成不同環(huán)境壓力下油壓源壓力和流量的穩(wěn)態(tài)控制特性的測試（圖4、圖5）。動態(tài)測試時控制輸入為階躍信號，不再贅述。

圖4 電壓-壓力控制特性測試曲線

圖5 電壓-流量控制特性測試曲線

從測試結(jié)果不難看出，無論壓力還是流量控制特性，在環(huán)境壓力30 MPa下，測試系統(tǒng)均可以實現(xiàn)與大氣壓下一樣的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，表明測試平臺在模擬深海環(huán)境工況的同時，又避免了環(huán)境參數(shù)對油壓泵控制性能的不利影響，實現(xiàn)對油壓源的靜態(tài)壓力和流量的合理調(diào)節(jié)。另外，實時監(jiān)測結(jié)果表明，在整個測試過程中艙內(nèi)環(huán)境壓力波動小于0.3 MPa，連續(xù)運行時溫度增加未超過15℃，達到了測試平臺的技術(shù)指標，說明采用大氣下液壓泵-溢流閥加載方式可有效緩減環(huán)境溫度的增加，驗證了該方案的合理性。

3.2.2 負載加-卸載性能測試

將控制輸入Pin、Qin分別調(diào)定為最大設(shè)定壓力和流量的20%和100%，使加載輸入if依次從零增加到最大再減小為零時，進行負載的加-卸載性能測試（圖6）。

圖6 調(diào)定壓力20%、流量100%時不同環(huán)境壓力下油壓源的加、卸載性能測試曲線

由圖6可知，環(huán)境壓力30 MPa和大氣壓時，油壓源系統(tǒng)的負載模擬均可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)整，滿足平臺變負載調(diào)節(jié)的要求，表明大氣下液壓泵-溢流閥加載方式是有效的，可以滿足測試要求。圖中卸載階段兩曲線存在較大區(qū)別，這與環(huán)境壓力增大使油液粘度增加而導致粘性阻尼和摩擦損耗增加有關(guān)，而與測試系統(tǒng)加載設(shè)置無關(guān)，說明變環(huán)境壓力下負載模擬是可行的。

4 結(jié)論

通過搭建的深海集成油壓源平臺測試，表明采用大氣下液壓泵-溢流閥加載方式的平臺設(shè)計方案可有效地減少耐壓艙內(nèi)溫度的增加，同時避免了環(huán)境因素對油壓泵控制性能的不利影響。測試平臺可進行深海環(huán)境壓力0～50 MPa、環(huán)境溫度20～40℃范圍的深海工況模擬，亦可實現(xiàn)在變環(huán)境壓力下油壓源壓力、流量、負載等參數(shù)與大氣壓下一樣便捷的動靜態(tài)性能測試，經(jīng)試驗驗證，該測試平臺的設(shè)計和搭建是成功的。

[1]陳建平.水下機器人液壓泵站設(shè)計研究[J].液壓與氣動，1997(2):10-12.

[2]曹學鵬,王曉娟,鄧斌,等.深海液壓動力源研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].海洋通報,2010，29(4):466-471.

[3]李碩,燕奎臣,李一平,等.6000 mAUV深海試驗研究[J].海洋工程,2007(11):1-6.

[4]Peter Albers.Motion Control in Offshore and Dredging[M].Delft:Springer Press,2010.

[5]瀧澤美奈子.深海の不思議[M].東京：日本実業(yè)出版社,2008.