一種多級缸結構的浮力調節裝置及其精度分析

宋滿存 李國強 朱熠 田冠枝 張令程 王智慧

(北京精密機電控制設備研究所 北京 100076∥航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京 100076)

水下無人系統通過無人潛航器、水下預置平臺等實現情報、偵查、作戰、支援等功能[1]，是現代海軍裝備發展的重要方向。近年來，美國國防部門陸續通過路線圖或規劃綱要等形式闡述了水下無人系統的發展方略，對維持美國水下軍事優勢提出了重要建議[2- 3]。無人潛航器是水下無人系統最重要的發展方向之一，目前世界上的無人潛航器已達數百種，如美國的REMUS系列和Knifefish系列潛航器、挪威的HUGIN潛航器等，它們不僅在商用上比較成功，而且已經形成了比較著名的軍用系列產品[4]。

無人潛航器的發展涉及多項關鍵技術研究，如能源技術、動力技術、傳感技術、通信導航技術等[5- 6]。浮力調節裝置是無人潛航器重要的組成部分，可用于潛航器的浮力變化補償或姿態調整，使其節能地實現上浮、下潛或懸停等功能[7]。浮力調節裝置按照調節方式可分為可調壓載式和可變體積式兩種[8]，其中可調壓載式浮力調節裝置通過改變自重來調節凈浮力的大小，調節范圍大，精度相對較低，多用于大型深水裝備，如美國的新一代“ALVIN”號潛水器、日本的Shinkai 6500深潛器等[9- 10]。可變體積式浮力調節裝置通過改變自身體積來調節浮力的大小，一般采用可變形油囊、活塞或氣囊來實現，調節范圍相對較小，但精度較高，多用于中小型無人潛航器[11]。日本研制的“URASHIMA”水下機器人采用油囊式體積調節，最大調節能力為60 L[12- 13]；浙江大學研制的水下滑翔機用油囊式浮力調節系統的體積調節范圍為±200 mL，精度可達1 mL[14]；華中科技大學研制的油囊式浮力調節系統可調范圍為15 L，最大深度為300 m[15]。

油囊式體積調節浮力系統通常存在大容積與高精度之間的矛盾，而且，如何對油箱內的液壓油進行合理可靠的增壓以便于油泵吸油，也是一個普遍存在的難題，需要開展深入細致的研究與設計。文中針對以上問題展開研究，以期獲得一種容積大、精度高、可靠性好的體積式浮力調節裝置。

1 設計方案

本研究的目的是為水下潛航器設計一款大容積、高精度的液壓油容積式浮力調節裝置，要求實現0～80 L浮力連續可調，最小調節步長為1 L，綜合調節精度不低于0.5%FS(即最大誤差不超過0.4 L)。

該浮力調節裝置的整體設計方案如圖1所示，圖中省略了實際方案中的過濾器、安全閥、減壓閥、控制驅動器、傳感器等必要元件，僅保留了與文中研究內容密切相關的系統組成部分，以便于進行介紹。

圖1 浮力調節裝置示意圖

如圖1所示，通過電機帶動雙向齒輪泵轉動，可以實現液壓油在油箱和油囊之間的轉移(工作期間需打開電磁開關閥)。整個裝置的質量保持不變，但由于油囊為軟體結構，當囊內液壓油容積增加時體積變大，導致整個裝置在水下的排水量增大，故而浮力增加，反之則浮力減小。因此在實際控制中以油囊中液壓油的容積作為浮力控制值，油囊內的液壓油容積從0 L連續變化到80 L，即記錄浮力調節值從0 L連續變化到80 L。

齒輪泵在入口端需要具有一定的壓力才有利于吸油，油囊側在水下可接受外部水壓提供的壓力，但油箱側需要裝置結構本身對液壓油提供持續的預增壓力。同時考慮到本研究中浮力調節裝置的大容積、高精度要求，油箱設計中采用了多級缸活塞式結構，具體如圖2所示。油箱為圓柱形并內置活塞，在活塞中部穿過一個空心中心桿，既用于支撐活塞，也用于安裝位移傳感器以提供高精度的活塞位置信號[16]；中心桿外依次可展開(如圖2(a)所示)或收縮(如圖2(b)所示)5級截面積不同的缸筒，即多級缸，每級多級缸內與中心桿外圓之間可承載部分液壓油，此部分液壓油用于為活塞前端的油箱內的液壓油增壓；結構具有可靠的密封設計，確?；钊昂蟾髑惑w之間的密封隔絕。

(a)多級缸展開時

(b)多級缸收縮時

從圖1和圖2可知，通過位移傳感器可實時監控活塞的位置，同時通過調節油箱內徑參數，即可精確地求得從油箱中流出(或流入)的液壓油的容積。從油箱中流出(或流入)的液壓油大部分流入(或流出)油囊用于浮力調節，另有小部分流入(或流出)多級缸內用于自增壓，且由于文中裝置采用靜壓方案，管路中為真空滿油狀態，不會引進容積誤差，故解算浮力調節過程中多級缸內液壓油的容積，并與油箱內液壓油的容積求差值，即可得到該裝置的容積浮力變化值。另外，分析多級缸液壓油解算可能引起的誤差，即可實現對該裝置精度的分析。

2 精度分析

2.1 計算模型

設油箱內徑的截面積為S0，活塞的總行程為l0，則總的容積浮力調節范圍滿足式(1)：

S0l0≥0.08 m3

(1)

同時，將缸徑由大到小的5級缸筒分別命名為缸1，2，…，5，對應的內徑截面積分別為S1，S2，…，S5，伸縮行程分別為l1，l2，…，l5，則有

S1>S2>S3>S4>S5

(2)

l1+l2+l3+l4+l5=l0

(3)

為了滿足多級缸筒之間的結構密封設計，實際上從l1至l5，長度會略有減小。在圖2中，將活塞位于油箱最后端的位置點設為點A，此時液壓油全部在油箱中，容積浮力為0；同時將完整行程為l0即容積浮力為(或超過)80 L時的位置點設為B，此時液壓油大部分在油囊中，少部分在多級缸中。假定浮力增加時多級缸筒的伸出順序依次為粗缸筒先伸出直至全部伸出，然后是次粗缸筒，以此類推直至最細缸筒，而浮力減少時缸筒的縮回順序為由細到粗；這樣整個行程過程中，多級缸內的液壓油容積將可以通過分段函數的關系得到唯一確定值，便于整個浮力調節裝置的控制計算。這樣的假設是有一定合理性的——在忽略多級缸筒及密封結構之間的加工松緊誤差的情況下，浮力增加時，粗缸筒在同等液壓壓強下可提供更大的增壓壓力，進而推動活塞，故易于伸出；浮力減少時，細缸筒在同等液壓壓強下用于抵抗活塞前端液壓油壓力的能力更弱，故易于縮回。

在上述假設與分析的前提下，將活塞從A到B的總行程l0以點C、D、E、F依次分為5段(如圖2所示)，則行程滿足式(4)：

(4)

綜上所述，基于本模型結構及假設得到的容積浮力V與行程l之間的分段函數表達式為

(5)

2.2 參數代入與精度分析

文中所設計的浮力調節裝置的油箱結構參數如表1所示。

基于式(5)和表1中的參數值，可以繪制出文中浮力調節裝置在任意行程l處的容積浮力V的曲線。同時可以簡單分析得知，若多級缸筒在實際使用過程中不按照假設的方式進行伸縮，則按此曲線求解得到的浮力值將引起精度誤差，且當多級缸筒恰與假設方式完全相反地進行伸縮時，在行程中某點處將會引起最大的誤差。因此，將此兩種完全相反的多級缸筒伸縮形式分別解算并繪制曲線，可找到最大可能的誤差點與誤差值，并可依此擬合出精度更高的浮力調節控制曲線及其公式。

表1 油箱結構參數

圖3為將參數分別代入后繪制出的浮力調節曲線(為方便描述，容積單位換算為L)，其中“按假設”的浮力變化曲線和“反假設”的浮力變化曲線的起點和終點分別為0 L和80.07 L，兩條曲線的差異即體現了此浮力調節裝置的最大精度誤差。從2條曲線的特征來看：“按假設”的浮力變化曲線在全行程中的浮力解算值均小于“反假設”的浮力變化曲線；“按假設”的5段直線的斜率是由小到大，而“反假設”的5段直線的斜率是由大到小。因此，當浮力解算差值最大范圍處于圖3中的點D和點D′之間，即行程在0.449～0.602 m之間時，可求得此時兩者差值為2.58 L，此即為此浮力調節裝置在最大可能誤差區間DD′段的最大可能誤差范圍，且這一誤差的產生只有當活塞運動到此區間，浮力解算方法與實際伸縮特性完全按兩種極端情況發生時才可能出現。

圖3 浮力調節曲線圖

3 模型優化與試驗驗證

實際上，根據前文的分析，多級缸的伸縮特性大概率趨向于“按假設”的規律。為了進一步優化浮力解算方法以提高浮力調節裝置的精度，文中在設計開發的浮力調節裝置樣機上開展了試驗研究。圖5為試驗原理圖，將浮力調節裝置樣機吊裝并懸置于水槽中(確保全部沒入水中)，吊帶上安裝吊秤(精度為0.1 kg)來監控樣機在水中的質量，液壓油可以通過雙向齒輪泵在油箱和油囊之間調節。由于油囊的體積變化會引起樣機浮力的變化，進而改變吊秤的數值，吊秤數值變化與油囊容積變化的比例為1 kg：1 L，因此后文仍以容積(單位為L)作為浮力變化的評價指標。圖6為浮力試驗的實物圖，可通過此試驗驗證浮力調節裝置的精度。

圖5 浮力試驗原理示意圖

圖6 樣機浮力試驗照片

通過試驗發現，文中浮力調節裝置可以輕松滿足0～80 L的連續可調要求和1 L的最小調節步長要求，在多級缸充分磨合后，對精度進行多次試驗得到的典型試驗結果如表2所示。

從表2中可知，隨著多級缸的反復磨合，浮力精度特性(即多級缸伸縮特性)的確是趨向于“按假設”的規律，且平均值的精度誤差也已經滿足0.4 L的要求。但由于“按假設”分段模型是全行程浮力變化曲線的下限(從圖3可知)，因此實際浮力變化的誤差全為負值(如表2所示)。為了更好地利用精度范圍并繼續提升浮力調節裝置的精度，進一步將浮力解算分段曲線在交界點C、D、E、F處進行了優化調整，調整的原則是浮力模型值上升最大量不超過0.4 L(即不會引進超出精度要求的誤差)，最終調整的方法為在此4點處分別求解“按假設”和“反假設”的誤差值，并取此誤差值的15%增加給原“按假設”解算得到的浮力值，即可近似認為在85%的置信度下多級缸是“按假設”進行伸縮的。15%的浮力加成使得即使在最大可能誤差2.58 L處，引進的偏差也僅為0.39 L(不超過0.4 L)，因此，浮力調節裝置的精度容錯度也大幅提高。

表2 典型試驗結果

(6)

將式(6)代入表2中的行程點，可知浮力調節裝置的平均誤差從-0.17 L減小到0.05 L，精度水平進一步提高，完全滿足綜合調節精度0.5%FS的要求。

4 結語

文中基于5級缸結構設計了一款大容積、高精度的水下潛航器用液壓油容積式浮力調節裝置，并進行了精度分析。該多級缸活塞結構既便于安裝位移傳感器以提供高精度的活塞位置信號，又可為油箱提供自增壓，在液壓原理與結構上適合作為大容積浮力調節裝置的方案，所設計的樣機可實現0～80 L浮力連續可調，最小調節步長為1 L。

文中分析并建立了多級缸“粗缸筒先伸，細缸筒先縮”的伸縮特性假設，并基于此建立容積浮力分段解算模型，通過“反假設”的情況分析裝置的誤差范圍，最大可能誤差為2.58 L。

通過浮力調節樣機的研制與試驗，驗證了多級缸在磨合后趨于“粗缸筒先伸，細缸筒先縮”的伸縮特性假設?；谠囼灲Y果和精度要求進一步對浮力解算方法進行了優化，在提高精度的基礎上提升了精度容錯度，綜合調節精度完全滿足0.5%FS的要求。