一种多级缸结构的浮力调节装置及其精度分析

宋满存 李国强 朱熠 田冠枝 张令程 王智慧

(北京精密机电控制设备研究所 北京 100076∥航天伺服驱动与传动技术实验室，北京 100076)

水下无人系统通过无人潜航器、水下预置平台等实现情报、侦查、作战、支援等功能[1]，是现代海军装备发展的重要方向。近年来，美国国防部门陆续通过路线图或规划纲要等形式阐述了水下无人系统的发展方略，对维持美国水下军事优势提出了重要建议[2- 3]。无人潜航器是水下无人系统最重要的发展方向之一，目前世界上的无人潜航器已达数百种，如美国的REMUS系列和Knifefish系列潜航器、挪威的HUGIN潜航器等，它们不仅在商用上比较成功，而且已经形成了比较著名的军用系列产品[4]。

无人潜航器的发展涉及多项关键技术研究，如能源技术、动力技术、传感技术、通信导航技术等[5- 6]。浮力调节装置是无人潜航器重要的组成部分，可用于潜航器的浮力变化补偿或姿态调整，使其节能地实现上浮、下潜或悬停等功能[7]。浮力调节装置按照调节方式可分为可调压载式和可变体积式两种[8]，其中可调压载式浮力调节装置通过改变自重来调节净浮力的大小，调节范围大，精度相对较低，多用于大型深水装备，如美国的新一代“ALVIN”号潜水器、日本的Shinkai 6500深潜器等[9- 10]。可变体积式浮力调节装置通过改变自身体积来调节浮力的大小，一般采用可变形油囊、活塞或气囊来实现，调节范围相对较小，但精度较高，多用于中小型无人潜航器[11]。日本研制的“URASHIMA”水下机器人采用油囊式体积调节，最大调节能力为60 L[12- 13]；浙江大学研制的水下滑翔机用油囊式浮力调节系统的体积调节范围为±200 mL，精度可达1 mL[14]；华中科技大学研制的油囊式浮力调节系统可调范围为15 L，最大深度为300 m[15]。

油囊式体积调节浮力系统通常存在大容积与高精度之间的矛盾，而且，如何对油箱内的液压油进行合理可靠的增压以便于油泵吸油，也是一个普遍存在的难题，需要开展深入细致的研究与设计。文中针对以上问题展开研究，以期获得一种容积大、精度高、可靠性好的体积式浮力调节装置。

1 设计方案

本研究的目的是为水下潜航器设计一款大容积、高精度的液压油容积式浮力调节装置，要求实现0～80 L浮力连续可调，最小调节步长为1 L，综合调节精度不低于0.5%FS(即最大误差不超过0.4 L)。

该浮力调节装置的整体设计方案如图1所示，图中省略了实际方案中的过滤器、安全阀、减压阀、控制驱动器、传感器等必要元件，仅保留了与文中研究内容密切相关的系统组成部分，以便于进行介绍。

图1 浮力调节装置示意图

如图1所示，通过电机带动双向齿轮泵转动，可以实现液压油在油箱和油囊之间的转移(工作期间需打开电磁开关阀)。整个装置的质量保持不变，但由于油囊为软体结构，当囊内液压油容积增加时体积变大，导致整个装置在水下的排水量增大，故而浮力增加，反之则浮力减小。因此在实际控制中以油囊中液压油的容积作为浮力控制值，油囊内的液压油容积从0 L连续变化到80 L，即记录浮力调节值从0 L连续变化到80 L。

齿轮泵在入口端需要具有一定的压力才有利于吸油，油囊侧在水下可接受外部水压提供的压力，但油箱侧需要装置结构本身对液压油提供持续的预增压力。同时考虑到本研究中浮力调节装置的大容积、高精度要求，油箱设计中采用了多级缸活塞式结构，具体如图2所示。油箱为圆柱形并内置活塞，在活塞中部穿过一个空心中心杆，既用于支撑活塞，也用于安装位移传感器以提供高精度的活塞位置信号[16]；中心杆外依次可展开(如图2(a)所示)或收缩(如图2(b)所示)5级截面积不同的缸筒，即多级缸，每级多级缸内与中心杆外圆之间可承载部分液压油，此部分液压油用于为活塞前端的油箱内的液压油增压；结构具有可靠的密封设计，确保活塞前后各腔体之间的密封隔绝。

(a)多级缸展开时

(b)多级缸收缩时

从图1和图2可知，通过位移传感器可实时监控活塞的位置，同时通过调节油箱内径参数，即可精确地求得从油箱中流出(或流入)的液压油的容积。从油箱中流出(或流入)的液压油大部分流入(或流出)油囊用于浮力调节，另有小部分流入(或流出)多级缸内用于自增压，且由于文中装置采用静压方案，管路中为真空满油状态，不会引进容积误差，故解算浮力调节过程中多级缸内液压油的容积，并与油箱内液压油的容积求差值，即可得到该装置的容积浮力变化值。另外，分析多级缸液压油解算可能引起的误差，即可实现对该装置精度的分析。

2 精度分析

2.1 计算模型

设油箱内径的截面积为S0，活塞的总行程为l0，则总的容积浮力调节范围满足式(1)：

S0l0≥0.08 m3

(1)

同时，将缸径由大到小的5级缸筒分别命名为缸1，2，…，5，对应的内径截面积分别为S1，S2，…，S5，伸缩行程分别为l1，l2，…，l5，则有

S1>S2>S3>S4>S5

(2)

l1+l2+l3+l4+l5=l0

(3)

为了满足多级缸筒之间的结构密封设计，实际上从l1至l5，长度会略有减小。在图2中，将活塞位于油箱最后端的位置点设为点A，此时液压油全部在油箱中，容积浮力为0；同时将完整行程为l0即容积浮力为(或超过)80 L时的位置点设为B，此时液压油大部分在油囊中，少部分在多级缸中。假定浮力增加时多级缸筒的伸出顺序依次为粗缸筒先伸出直至全部伸出，然后是次粗缸筒，以此类推直至最细缸筒，而浮力减少时缸筒的缩回顺序为由细到粗；这样整个行程过程中，多级缸内的液压油容积将可以通过分段函数的关系得到唯一确定值，便于整个浮力调节装置的控制计算。这样的假设是有一定合理性的——在忽略多级缸筒及密封结构之间的加工松紧误差的情况下，浮力增加时，粗缸筒在同等液压压强下可提供更大的增压压力，进而推动活塞，故易于伸出；浮力减少时，细缸筒在同等液压压强下用于抵抗活塞前端液压油压力的能力更弱，故易于缩回。

在上述假设与分析的前提下，将活塞从A到B的总行程l0以点C、D、E、F依次分为5段(如图2所示)，则行程满足式(4)：

(4)

综上所述，基于本模型结构及假设得到的容积浮力V与行程l之间的分段函数表达式为

(5)

2.2 参数代入与精度分析

文中所设计的浮力调节装置的油箱结构参数如表1所示。

基于式(5)和表1中的参数值，可以绘制出文中浮力调节装置在任意行程l处的容积浮力V的曲线。同时可以简单分析得知，若多级缸筒在实际使用过程中不按照假设的方式进行伸缩，则按此曲线求解得到的浮力值将引起精度误差，且当多级缸筒恰与假设方式完全相反地进行伸缩时，在行程中某点处将会引起最大的误差。因此，将此两种完全相反的多级缸筒伸缩形式分别解算并绘制曲线，可找到最大可能的误差点与误差值，并可依此拟合出精度更高的浮力调节控制曲线及其公式。

表1 油箱结构参数

图3为将参数分别代入后绘制出的浮力调节曲线(为方便描述，容积单位换算为L)，其中“按假设”的浮力变化曲线和“反假设”的浮力变化曲线的起点和终点分别为0 L和80.07 L，两条曲线的差异即体现了此浮力调节装置的最大精度误差。从2条曲线的特征来看：“按假设”的浮力变化曲线在全行程中的浮力解算值均小于“反假设”的浮力变化曲线；“按假设”的5段直线的斜率是由小到大，而“反假设”的5段直线的斜率是由大到小。因此，当浮力解算差值最大范围处于图3中的点D和点D′之间，即行程在0.449～0.602 m之间时，可求得此时两者差值为2.58 L，此即为此浮力调节装置在最大可能误差区间DD′段的最大可能误差范围，且这一误差的产生只有当活塞运动到此区间，浮力解算方法与实际伸缩特性完全按两种极端情况发生时才可能出现。

图3 浮力调节曲线图

3 模型优化与试验验证

实际上，根据前文的分析，多级缸的伸缩特性大概率趋向于“按假设”的规律。为了进一步优化浮力解算方法以提高浮力调节装置的精度，文中在设计开发的浮力调节装置样机上开展了试验研究。图5为试验原理图，将浮力调节装置样机吊装并悬置于水槽中(确保全部没入水中)，吊带上安装吊秤(精度为0.1 kg)来监控样机在水中的质量，液压油可以通过双向齿轮泵在油箱和油囊之间调节。由于油囊的体积变化会引起样机浮力的变化，进而改变吊秤的数值，吊秤数值变化与油囊容积变化的比例为1 kg：1 L，因此后文仍以容积(单位为L)作为浮力变化的评价指标。图6为浮力试验的实物图，可通过此试验验证浮力调节装置的精度。

图5 浮力试验原理示意图

图6 样机浮力试验照片

通过试验发现，文中浮力调节装置可以轻松满足0～80 L的连续可调要求和1 L的最小调节步长要求，在多级缸充分磨合后，对精度进行多次试验得到的典型试验结果如表2所示。

从表2中可知，随着多级缸的反复磨合，浮力精度特性(即多级缸伸缩特性)的确是趋向于“按假设”的规律，且平均值的精度误差也已经满足0.4 L的要求。但由于“按假设”分段模型是全行程浮力变化曲线的下限(从图3可知)，因此实际浮力变化的误差全为负值(如表2所示)。为了更好地利用精度范围并继续提升浮力调节装置的精度，进一步将浮力解算分段曲线在交界点C、D、E、F处进行了优化调整，调整的原则是浮力模型值上升最大量不超过0.4 L(即不会引进超出精度要求的误差)，最终调整的方法为在此4点处分别求解“按假设”和“反假设”的误差值，并取此误差值的15%增加给原“按假设”解算得到的浮力值，即可近似认为在85%的置信度下多级缸是“按假设”进行伸缩的。15%的浮力加成使得即使在最大可能误差2.58 L处，引进的偏差也仅为0.39 L(不超过0.4 L)，因此，浮力调节装置的精度容错度也大幅提高。

表2 典型试验结果

(6)

将式(6)代入表2中的行程点，可知浮力调节装置的平均误差从-0.17 L减小到0.05 L，精度水平进一步提高，完全满足综合调节精度0.5%FS的要求。

4 结语

文中基于5级缸结构设计了一款大容积、高精度的水下潜航器用液压油容积式浮力调节装置，并进行了精度分析。该多级缸活塞结构既便于安装位移传感器以提供高精度的活塞位置信号，又可为油箱提供自增压，在液压原理与结构上适合作为大容积浮力调节装置的方案，所设计的样机可实现0～80 L浮力连续可调，最小调节步长为1 L。

文中分析并建立了多级缸“粗缸筒先伸，细缸筒先缩”的伸缩特性假设，并基于此建立容积浮力分段解算模型，通过“反假设”的情况分析装置的误差范围，最大可能误差为2.58 L。

通过浮力调节样机的研制与试验，验证了多级缸在磨合后趋于“粗缸筒先伸，细缸筒先缩”的伸缩特性假设。基于试验结果和精度要求进一步对浮力解算方法进行了优化，在提高精度的基础上提升了精度容错度，综合调节精度完全满足0.5%FS的要求。