深海液压动力源发展现状及关键技术

2010-09-11曹学鹏王晓娟邓斌柯坚

海洋通报 2010年4期

关键词：动力源液压泵油压

曹学鹏，王晓娟，邓斌，柯坚

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

深海液压动力源发展现状及关键技术

曹学鹏，王晓娟，邓斌，柯坚

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

通过对电力、气压、液压深海动力源进行比较，重点论述了深海液压动力源的两种类型：油压驱动和水压驱动，概括了各自的特点及应用领域。介绍了深海驱动电机的结构形式及一种直浸式深海直流无刷电机的结构实例。液压源是深海动力源的主要部件之一，分别从油压和水压两方面介绍了其国内外发展概况。油压驱动主要以闭式集成液压动力源为例，并介绍了液容、液感两种储存压力能的驱动方式。海水液压驱动由于其节能、不燃烧、无污染等特点，广泛应用于海洋领域。最后，分别就油压和水压驱动两方面总结了深海液压动力源研究的几个关键技术问题。

深海液压动力源；深海电机；油压驱动；水压驱动

Abstract:It lays great emphasis on two types of deep-sea hydraulic power source which are oil hydraulic driving and water hydraulic driving by comparing several deep-sea power sources of electric driving,pressure driving and hydraulic driving.Then it summarizes the characteristics and application of the two types of hydraulic power source.It also introduces the construction of the deep-sea motor and a prototype of Direct Immersion Motor.Hydraulic source is one of the main parts of deep-sea power source.The writer introduces the development situation of oil hydraulic and sea-water hydraulic respectively at home and abroad.For oil hydraulic drive,it takes a closed integration hydraulic power source as an example and introduces the deep-sea liquid-capacity nonstop and deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power source.Sea-water hydraulic drive is used in sea field widely because of the characteristics of energy-saving,non-combustion,on-pollution and so on.In the end,it concludes several key technical matters of deep-sea hydraulic power research in the oil hydraulic drive and the sea-water hydraulic drive.

Keywords:deep-sea hydraulic power source; deep-sea motor; oil hydraulic drive; water hydraulic drive

世界上海洋面积覆盖了地球表面积的三分之二以上，它蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源[1]。随着海洋工程、远海石油开采、深海采矿等技术的不断发展，各种水下机器人、深潜器等深海探测设备得以迅猛发展，海洋探索也逐渐从浅海走向深海。

深海是指海水深度大于3 000 m的海层。在这一海层，盐度很大，在3.3%～3.5%左右，海水温度为1.5℃，每下潜10 m就增加1个大气压[2]，由此推知，深海3 000 m以下，海水周围压力高达30 MPa以上。在这种工况下，高盐度海水对深海液压设备具有很强的腐蚀性；低温高压对液压介质的性能及控制系统均会产生影响。因此，深海探测设备的开发和应用面临很多技术难题。深海动力源作为深海探测设备系统的心脏，对系统性能和可靠性有巨大的影响。

基于上述背景，笔者重点探讨和分析深海液压动力源的国内外发展现状及其关键技术。

1 深海液压动力源概述

动力源采用的驱动方式是决定深海作业工具性能好坏的一个关键因素。通常，深海动力源有三种驱动方式[3]，分别为电力驱动、气压驱动和液压驱动。

电力驱动对系统的绝缘性要求很高，并需要严格的防漏电保护措施。需要配置变速装置来改变电机转速以适应各种作业工况，使其体积庞大、功率质量比小。此外海水进入系统内易引起系统故障，工作可靠性差。基于这些原因，电力驱动在水下作业工具中一般较少使用。

气压驱动是利用压缩空气做功来驱动设备。由于压缩空气做功后直接在水中排放，因而噪音大。海水渗入气动元件会降低气动元件的可靠性，大大缩短使用寿命。应用的水深一般较浅(＜30 m)，加上其效率低、重量大、可靠性差等缺点也逐渐被淘汰。

液压驱动是目前国际上研究和使用的最广泛的方式，也是未来水下作业工具动力源的发展方向。根据不同的分类依据有以下几种类型。

(1)按液压设备工作介质不同分为油压驱动和海水液压驱动，其优缺点及应用范围见表1。

表1 液压驱动按工作介质分类Tab.1 Hydraulic drive classified by work medium

(2)按布置方式不同，又可分为闭式和开式两种[5]。闭式布置是指泵、电机、各种溢流阀、传感器设于泵箱内，结构较紧凑，一般输出功率小于40 kW。开式布置是指泵直接暴露于海水中,与水中的管路、油箱、阀块等相连，结构较宽松。这时，动力源输出功率通常大于 40 kW时,低温的海水便成为发热较快的泵和电机的天然冷却剂，但泵、电机等表面要进行特殊处理,以防海水的腐蚀。

2 深海液压动力源主要部件的研究概况

深海液压动力源的主要部件包括深海电机和深海泵、蓄能器等深海液压源设备。由于海洋低温高压等特殊环境，使得深海动力源部件与陆地使用的设备有很大区别。

2.1 深海驱动电机

2.1.1 深海电机结构概述深海电机用于驱动液压泵动作，通过深海电缆或电池供电，供电电压从几十伏到几千伏，功率从几百瓦到一百多千瓦。

深海电机的形式一般包括：a)封闭承压式。它将交流或直流电机装在一个封闭罩中，在电机的输出轴处加密封装置。虽然这种结构可以直接使用标准规格的电机，但电机输出轴处的动密封属于外高压旋转密封，稍有泄漏都会对电机造成致命损害。另外，外罩还须承受的很高的环境压力，导致电机体重量大大增加。b)压力平衡式。其特征是电机的定子或整个电机置于一个密封体中，电机密封体外有一个在压力下很容易变形的容器(通常是一个橡皮囊，也可以用薄的金属和塑料制成)，称为压力补偿器，通过它把外部压力传递给电机壳内的液体，这样电机动密封圈两侧的内外压差很小(＜0.3 MPa)，比传统的方法更容易密封。

深海电机一般采用无刷直流电机充油改造完成[6,7]。因为普通直流电机因电刷存在，使得换向时易产生火花导致补偿油碳化，造成电机转子短路，进而引起电机损坏,不适合充油，其密封只能采用承压方式。因此体积重量大，系统使用的海水深度有限，密封不可靠，这就使得直流有刷电机难以应用在深海液压系统中。近年来使用较多的直浸式充液直流无刷电机既可以在油液中使用，也可以直接放在海水中使用，不仅具有压力自适应性，同时还具有：无火花、无机械摩擦、寿命长；转速高、速度转矩特性好、起动时间短；在整机中对其它电子元件及电器不产生电干扰；效率高、节能、性能稳定可靠；重量轻，结构紧凑等优点。

2.1.2 一种直浸式深海直流无刷电机结构[8]以西南交通大学负责开发的深海3 000 m级节能型集成液压动力源中的5 kW直浸式充液无刷直流电机为例加以说明。结构图和样机分别见图 1，图 2。其结构组成与工作原理和陆用无刷直流电机相似，主要差异表现为机壳3内充满绝缘油5，电器元件为耐环境高压的霍尔元件 9，并通过水密接插件 4与外部驱动控制器；此外尾部设有一个平衡内外压力的压力补偿器10，旋转轴7处有一的动密封圈8。

图1 直浸式电机结构简图（1.定子2.转子3.机壳4.水密接插件5.绝缘油图2直浸式电机样机6.轴承7.轴8.密封件9.霍尔元件10.压力补偿器）Fig.1 Structure diagram of direct immersion motor

图2 直浸式电机样机Fig.2 Prototype of direct immersion motor

2.2 深海液压源设备

深海液压源设备主要指深海泵、蓄能器等设备。根据其使用的工作介质不同，分为油压驱动和海水液压驱动两种。油压驱动的技术相对比较成熟，应用于很多水下作业工具。海水液压驱动虽然有其独特的优越性，但是由于存在泄漏、摩擦、腐蚀等技术问题，且海水液压元件的价格相对昂贵，还有很大的研究发展空间，是未来液压技术发展的重要方向。

2.2.1 深海油压驱动国内外发展概况

2.2.1.1 利用液压泵的油压驱动设备这种结构是依靠深海电机驱动液压泵工作，并通过溢流阀、各种传感器来控制系统，且带有相应的压力补偿装置。

国外油压源领域的典型代表之一是美国佩里(PERRY)公司。该公司先后开发了深海3 000 m级的不同功率的液压动力源[9]（见图3）。该动力源为油压驱动闭式布置结构，电机1和恒压液压泵采用通轴联接的方式，省去了联轴器部分。一个密闭的圆柱形储油器2将泵、溢流阀、自动液压柔性开启阀、温度传感器、系统压力变送器、储油器容积传感器、液压系统进水检测器等封装其中。外部的压力补偿单元3维持储油器内公称压力高于周围环境压力0.3 bar。电机则独自封装并采用单独的压力补偿装置。

图3 佩里（PERRY）公司深海液压源（1.电机2.圆柱形储油器3.压力补偿单元）Fig.3 Perry hydraulic power pack

国内，四川海洋特种技术研究所开发了6 000 m深海液压工作站[10]，由深海电机、阀门、泵、马达等组成液压动力源系统。该工作站的工作压力达63 MPa，电机动力为 100 W～10 KW，液压流量为0.1～10 L/min。该工作站虽然水深可达6 000 m，但是采用定量泵控制系统，不节能、供油量小、驱动效率也较低。

2006年开始，在国家863项目资助下，西南交通大学、四川海洋特种技术研究所共同研究开发了深海3 000 m节能型集成液压动力源[11]。该动力源在结构上高度集成，解决了已有动力源外形尺寸大的问题，且控制便捷稳定，结构紧凑简单。液压源变量泵采用流量、压力双电液比例闭环控制，可实现按需供能，可有效地实现节能。系统最大输出压力达 21 MPa，最大输出流量 52.5 L/min，结构如图4所示。该结构还针对目前大多数陆用传感器无法承受深海3 000米的环境高压，提出了一种双压力传感器动态差动自适应技术。即将两个型号完全一样的压力传感器置于承压壳中，采用一个压力传感器检测液压源的出口压力，另一个压力传感器来检测海水的环境压力，然后将二者相应的压力电信号通过一个设计开发的差动放大器，经比较零位调节、比较、放大及后级匹配后，输出给闭环放大器，这样即可实现大深度范围的自适应压力控制。

图4 深海集成液压动力源结构图（1.电机压力补偿器；2.储油器；3.无刷直流电机；4.液压接口；5.角度传感器；6.高压密封；7.柱塞泵；8.控制阀；9.储油器补偿单元；10.压力传感器；11.泵差动放大器；12.电机驱动控制器；13.高压舱；14.接插件及电缆）Fig.4 Structure diagram of deep-sea integral hydraulic power source

另外，中国科学院海洋研究所在水密耐压舱体也有一定的研究成果[12]。中国科学院沈阳自动化研究所成功研制一种水下直流无刷充油电机结构[13]，但大多只局限于液压动力源的某一单部件的研究，深海集成液压动力源还需做进一步的深入研究。

2.2.1.2 利用储存压力能的油压驱动设备电机控制的液压设备在失电情况下可能会导致水下作业系统故障，为此，浙江大学于 2002年研制成功液感型[14]和液容型[15]两种深海水下液压系统不间断液压源(分别见图5、图6)。主要优点是在深海水下失去动力源、甚至失去全部供电的情况下仍然可以完成所有必须的液压应急动作。前者液压源起动时，为高速液压马达和飞轮储存应急情况下所需的能量。正常工作时，马达和飞轮可确保供油流量的连续性和平稳性。液压源突然失压时，电磁换向阀切断，由于飞轮的大惯性，马达的流量不能突变，因而仍有相当流量通过液压马达流向负载，供液压系统完成所有必需的液压应急动作。后者主要由1～n个预充压力不等的蓄能器并联构成并接在液压源A上。水深不同，不同预充压力的蓄能器受压程度也不同，释放的流量也不同。因此只要选择合适的预充压力组合，无论水深如何，该液压源总能释放出比较可观的流量，完成所有必需的液压应急动作。

图5 液感型深海水下液压系统不间断液压源图Fig.5 Deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power

图6 液容型深海水下液压系统不间断液压源Fig.6 Deep-sea liquid-capacity nonstop hydraulic power

2.2.2 海水液压驱动国内外发展概况由于海水液压技术在环保、节能等方面表现出的优越性，越来越受到国内外液压技术领域的重视。以下主要介绍一些国家在海水液压技术领域的研究概况。

a)美国：1967年，Vickers公司的J P Ryan发表了有关高压海水泵材料研究情况的报告，这被认为是现代海水液压传动技术领域最早的一篇文献。1980年，美国海军工程实验室研制出海水叶片马达[16,17]。随后在1984年研制出了系统压力为14.0 MPa、流量为 45 L/min的海水液压系统。1988年，美国ISTIDelaware公司与Delaware大学合作成功研制压力为6.2 MPa，流量为19 L/min，容积效率在2 600小时内长期稳定在 92%～95%的阀配流式海水柱塞泵[18]。

b)日本：川崎重工技术研究所于1983年研制成功阀配流轴向柱塞式海水泵，压力达63.0 MPa，流量6～9 L/min，转速2 000～3 000 r/min，重量40 kg。1987年，日本在改进上述泵的基础上，研制出用在6 500 m深潜调查船上的海水柱塞泵，工作压力达68.5 MPa，流量5 L/min，工作寿命200 hrs，重量51.5 kg[19]。小松(Komatsu)制作所于1991年研制出端面配流轴向柱塞式海水液压泵[20,21]。该泵采用球面配流盘，前、后滑动轴承均开有螺旋槽，以实现动压润滑，配流盘和滑靴均采用静压支承，而且主轴可以承受轴向力的作用。小松海水液压泵结构紧凑，单位重量功率(比功率)大，效率高，反映出了目前国际海水液压泵的研究水平。日本萱场(kayaba)工业(株)1989年与法国 BronzaviaAir-equipment公司合作，研制出阀配流轴向柱塞式海水液压泵。该泵的最大工作压力达21 MPa，容积效率超过85%，机械效率超过90%[22]。

c)国外另有许多国家在海水泵研发方面取得成果。例如1988年Fenner公司研制出压力分别为14 MPa和10 MPa的海水液压泵和马达，并用于海洋水下作业工具系统和海底石油天然气井口启闭自给控制系统[23]。德国Hauhinco公司在1995年研制出了压力可达32 MPa、流量从20～700 L/min共5个系列的海水液压泵。并用于海底管道铺设及维护系统等海洋开发机械设备[24]。芬兰HytarOy公司和Tamper理工大学等在 1994年参与欧洲尤里卡(EUREKA)计划，合作研究开发海水液压传动系统，主要用于驱动海洋水下作业工具。HytarOy海水液压泵有7个柱塞，更换两个零件即可获得不同的排量,而且结构简单、噪声低、压力脉动小，并可以作为马达使用，容积效率超过92%。已用于海洋水下作业工具便携式动力源[25]。

d)中国：华中科技大学（原华中理工大学）从1990年开始，率先在国内开展海水液压传动技术的研究，于1992年开发研制出工作压力3.5 MPa的单柱塞海水液压泵，1996年研制出工作压力3.5 MPa、最高压力6.3 MPa、流量100 L/min的轴向柱塞式海水液压泵，并交付海军使用[26,27]。2002年初研制出工作压力10 MPa，转速1 000 r/min、流量40 L/min、容积效率85%、总效率达71%的油水分离式中高压海水液压柱塞泵。2003年 9月又研制出工作压力14 MPa、流量40 L/min的轴向柱塞式海(淡)水液压泵，并通过教育部科技司和有关主管部门的鉴定。

西南交通大学于 2000年研制出了压力16 MPa、效率高达94%的淡/海水两用轴向柱塞泵，并获得了国家专利[28]。此外，浙江大学、昆明工学院等院校也开展了水压传动元件与技术的研究[29]。

3 深海液压动力源的关键技术

深海层具有盐度高、温度低、压力大等特点，且海底能见度极低，环境非常恶劣。基于以上的工况，液压设备都必需采取相应的措施来克服以上难题。

3.1 油压源需攻克的问题[30]

a)液压设备内部必须有能够平衡外部深水压力的机构。为了防止海水浸入,用弹簧使内部压力略高于深水压力。

b)宜采用变量泵控制系统，动力源可根据负载需求控制变量泵，这样即可提高系统效率，又可满足负载变化的要求，并且达到节能的目的。

c)为了保证泵低温高压下有足够的自吸能力，宜选用低粘度工作介质，但须充分考虑泄漏和润滑功能。

d)为减小液压源的外形尺寸，减轻重量，可将泵和电机、各种液压阀、传感器等集成装配，使结构更加紧凑。

e)耐腐蚀性强，并且互换性、通用性强，便于安装、检修。

3.2 海水液压源需攻克的问题[31-33]

a)摩擦学问题由于海水的黏度低、润滑性能差，摩擦副对偶面难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易产生干摩擦，加剧磨损。另外受海水强烈的腐蚀作用，摩擦副表面材料会脆化，材料的疲劳强度会降低，在摩擦的作用下脆化层会很快剥落，从而加速磨损。因此，海水液压元件将面临严重的摩擦磨损问题。

b)泄漏问题在同等压力、间隙量的条件下，海水的泄漏量是油的10～20倍。根据流体力学理论，环形缝隙在层流条件下的流量与间隙量的立方成正比。因此减少配合偶件间的间隙量可以大大减少泄漏量，提高工作效率，但过小的配合间隙势必大大增加加工成本；另一方面海水的润滑性能很差，过小的间隙会使偶件间的摩擦力增加，降低了工作效率，因此需要确定液压元件合理的配合间隙以减小泄漏和摩擦。现今对液压泵对偶摩擦副材料选择要求也比油压泵高，主要选用陶瓷/陶瓷、陶瓷/高分子复合材料或特种耐蚀合金/高分子复合材料组合，可以有效解决腐蚀、磨损、气蚀和润滑等关键技术问题。

c)气蚀问题由于海水的饱和蒸气压比油的高，从理论上讲，海水液压系统容易产生气蚀，将使深海液压系统面临严重的气蚀破坏，并引起振动和噪声。所有一般采用限制系统温度以降低介质中的气体溶解度、提高液压泵的吸入压力等措施来减小和消除气蚀现象。

d)杂质污染、材料腐蚀老化问题海水极易引发液压元件锈蚀老化，如：化学、电化学及微生物腐蚀等。腐蚀不仅会降低材料强度，还会与摩擦磨损相互作用，加剧元件摩擦副表面的摩擦与磨损，导致元件的性能和寿命降低。因此，需着力于材料学、微生物学等多门学科的综合来解决此类技术难题。

4 结语

我国海洋开发起步较晚，与世界发达国家相比，海洋开发的整体技术水平较为落后，特别是深海技术和设备开发方面力量薄弱。为充分开发领海内的资源，同时利用国际公海的资源，应积极地将陆用成熟的油压技术应用于深海油压驱动设备中，主动探索深海极端环境（如：压力、温度、盐度等）下的相关液压技术和理论，开展油压动力源产品开发；同时重视水压驱动的发展，探讨大深度下水压动力源的成熟技术，为水下作业、海洋资源调查、海洋油气开采、水下救援、海底采矿等海洋工程的实施所需的工具和设备提供必需动力支撑。

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