深海电视抓斗液压系统改进分析与应用

(山东拓普液压气动有限公司，山东 济南 250100)

引言

深海电视抓斗是一种应用在海洋的深层海水中且使用特殊电缆对海底进行采样与可视观测的装置的简称[1-2]。 本研究结合深海作业的环境特点及自身实践经验，根据深海采样的特殊要求，对该装置上的液压系统设备进行了一系列的改进，并应用在了多台此类装置中，取得了巨大成功，且积攒了丰富的与海洋设备相关的液压系统方面的经验，使其成为了一套成熟的现代化海底可视采样液压系统，为我国大洋矿产资源勘察(采样)液压动力方面做出了巨大贡献。

本研究主要介绍电视抓斗的液压系统改进内容，重点是深海采样对液压动力设备的特殊要求，其主要设计理念是设备集成、实用、为整体探测设备减重、节约耗能。

1 液压系统改进

1.1 系统改进说明

液压传动技术广泛应用于深海装备[3-4]。早期的深海电视抓斗研制单位大部分是海洋科学领域的研究所和高等院校，研究的重点和方向是海洋物理、海洋地质等学术领域，液压应用技术方面涉及较少[5-6]，且受当时国产液压系统技术水平和元件质量的限制[7]，早期设备的液压系统的特点是：布局杂乱无章，集成化较低，且体积大、质量大、耗能高，不能实时显示系统压力，无法直观了解到系统的运行是否可靠[8]。为了改进以上不足，特对电视抓斗的液压系统做了以下改进。

以适用于4000 m水深的电视抓斗为例，液压系统改进前与改进后的原理图如图1所示。

1.放油阀 2.吸油滤油器 3.补偿器 4.电动机 5.泵 6.单向阀7.压力传感器 8.电磁换向阀 9.液控单向阀 10.溢流阀11.油液舱 12.补油阀 13.节流阀 14.油缸 15.蓄能器图1 液压系统改进前与改进后的原理图

根据电视抓斗实际采样作业的要求及水下供电对采样的影响[9]，我们在液压系统改进中重新优化调整了液压系统参数，包括液压缸内部结构及参数、系统流量(Q)、电机功率(P)、补偿器补偿容积(ΔV)等。除此之外，液压系统在布局和安装形式上也做了较大的改进。

改进后的液压系统体积大大缩小，质量大大减轻，安装也更加方便快捷，具体参数比较如表1所示。

1.2 补偿容积计算

为了确保深海高压环境下处于密封状态的油液舱11内外压力相平衡，需要特别考虑1个参数，即压力补偿容积。如果不考虑油液舱11的容积补偿，在液压设备动作过程中会使油液舱内形成一定程度上真空，油液舱11内外压力不再平衡。一旦油液舱11内外存在压差，油液舱11会因压差的存在而变形。随着海水深度的增加，油液舱变形量会逐渐加大，最终致使油液舱11被压瘪而无法使用。

补偿器总容积(ΔV)主要包括以下几部分：

(1) 单条液压缸差动体积引起的容积变化(ΔV1)；

(2) 由于海水压力而产生的容积变化(ΔV2)；

(3) 由于水下温度与甲板温度的变化引起的液压油容积变化(ΔV3)。

表1 液压系统改进前与改进后的参数对比

补偿器总的补偿容积为所有容积变化之和，即ΔV=2·ΔV1+ΔV2+ΔV3。油液舱11补偿容积的计算，实质上就是计算维持油液舱11内、外承受的压力，本研究要求内、外承受压力要相等。

1) 单条液压缸差动容积ΔV1[10]：

V1=π·D2/4·s·10-6=1 L

(1)

V2=π·(D2-d2)/4·S·10-6=0.5 L

(2)

ΔV1=V1-V2=0.5 L

(3)

式中，V1为油缸无杆腔容积，L；V2为油缸有杆腔容积，L；D为油缸缸体内径，mm；s为油缸行程，mm；d为油缸活塞杆直径，mm。

2) 液压系统所需原始容积V0计算

系统所需原始容积V0为油液舱11有效容积与油缸有杆腔容积之和。实际应用中，油液舱11有效容积约为78 L，2条油缸有杆腔容积为2×0.5 =1 L，即V0=79 L。

圆整取80 L。

3) 海水压力变化引起液压油的容积变化ΔV2[11]：

ΔV2=0.7·10-3V0·(p2-p1)

(4)

式中，V0为油液舱11原始总容积，L；p1为初始压力(MPa)，为大气中正常大气压下的压力；p2为最终压力(MPa)，设定为水下4000 m压力。

ΔV2=2.2 L

4) 温度变化引起液压油的容积变化ΔV3[12]：

ΔV3=0.7·10-3V0·(t2-t1)

(5)

式中，V0为油液舱11原始容积，L；t1为初始温度(℃)，为甲板温度，取为30 ℃；t2为最终温度(℃)，为4000 m水下温度，取为3 ℃。

ΔV3=1.5 L

5) 油液舱11所需的总补偿器容积ΔV：

ΔV=2·ΔV1+ΔV2+ΔV3=4.7 L

(6)

圆整取5 L。

上述计算结果与试验测量数值基本一致，由以上公式计算确定的补偿器补偿总容积比较合理，既保证了实际使用的需要，也大大的减小了液压系统设备的体积。

1.3 改进后的液压系统分析

每种海洋探测设备在设计过程中都会考虑在满足功能的前提下，尽量减少整体设备质量，减少能耗，增加海底探测时间。改进后的液压抓斗液压系统从以下几个方面做了改进：

从布局和安装形式上，改进前各液压元件之间的连接形式多采用管式螺纹连接，单向阀6、电磁换向阀8、液控单向阀9、溢流阀10等元件之间均需要通过油管和过渡接头进行连接来实现预定功能，整个系统管路数量多、接头种类多、布局乱、集成化低、安装占用空间大。改进后，各液压元件之间较多采用叠加式安装方式，单向阀6、电磁换向阀8、液控单向阀9、溢流阀10按一定顺序叠加安装在自制模块上，压力传感器7、蓄能器15均可直接安装在自制模块上，既能实现预定功能，又大大减少了油液管路和过渡接头的使用数量，布局变得美观，集成化程度较高，液压系统的安装空间变得更小。另外，液压系统因油液管路使用数量减少，也大大减少了因油液管路渗漏引起的系统故障，从而增加了液压系统工作的可靠性。

从体积和重量上，改进前液压系统原始油液舱11总容积为100 L，改进后油液舱11总容积为80 L，既缩小了安装空间，又节约了资源，还为整套电视抓斗设备减少了很多的重量。

从功能上，改进后的液压系统增加了蓄能器15，系统的保压性能更好。液压系统在保压过程中由于液压元件的制造原因导致的系统内部泄漏，可以通过蓄能器自身内部的油液向系统的管路内进行补充，增加了液压系统保压的可靠性，提高了抓斗的工作可靠性。改进后的液压系统在蓄能器的一侧增加了压力变送器7，使得工作人员可以更方便、快捷、直观的监测电视抓斗工作时的实时压力。将改进前的堵头12更改为补油阀，使得油液舱11油液补偿更方便、更快捷，还能有效的进行排气，增加了油液舱11工作的可靠性。

从能耗上，改进后的液压系统电动机4功率比改进前的减小了近50%，能耗节约率超过50%，大大增加了电池的水下供电时间，为水下探测工作赢得了更多的探测时间。

从时间上，改进后的液压系统大大缩短了抓斗在海底合拢时间，提高了工作效率，更为有效的防止了采集样本的丢失，提高了海底探测、采集样本等工作的成功率。

1.4 特别说明

在液压系统的改进方案中，本研究采用集成化设计的理念，将液压系统功能部件(控制元件)做成单元化的模块，且液压元件具备一定通用性和互换性，不仅使液压系统结构变得简单，逻辑动作上变得可靠，使用、维护也更方便，同时其电气控制系统通用性也相对加强，更有利于整个液压抓斗设备上的电气控制，对实际的深海探测作业有非常积极的作用。

2 改进后的应用

在近几年的多个大洋航次中，多次使用了本研究研制的深海电视抓斗液压系统，如图2所示。

图2 深海电视抓斗在大洋航次中的应用

实际应用证明，改进后的电视抓斗其液压系统能耗更低、性能稳定、工作可靠，如图3所示；控制系统操作简便、传输数据与信号稳定、抗干扰能力强，尤其水下控制系统体积小、重量轻、故障率低、性能可靠，具备更好的实用性。

经过改进后，整个液压系统设备的抗冲击性明显提高，能够适应在较差海况下的考察作业需求，为我们国家大洋资源与海洋环境调查提供了重要手段，提高了我们国家大洋资源与海洋环境调查的探测能力。

此外，液压及控制系统的集成化、模块化的设计理念也为深海探测装备的产业化运作打下一个良好的基础，同时电视抓斗的液压及控制技术还可以广泛应用于近海资源环境调查中，具有良好的应用前景。

图3 液压系统改进前、后的相关性能曲线比较

3 结论

随着深海电视抓斗的扩大应用，越来越多的功能要求随之出现。但是，不管怎么变化，液压系统原理上不会出现太大变化，而随之会变的却是探测深度越来越深。随着海底探测技术的发展，对深海探测的需求越来越大，探测难度也越来越大。在深海探测领域里，容积补偿的理论计算必不可少。希望本研究能够给海底探测作业提供一定的理论依据。