深潜型海水液压动力系统的研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 O1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 0 2 深潜型海水液压动力系统的研究 蒋卓，刘银水，吴德发，郭志恒，陈经跃，朱玉泉 华 中科技大学机械学院液压气动技术研 究中心，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要以海水直接作为工作介质的海水液压传动在深海应用具有系统简单、维护方便等突出优势。研制一种深潜型海 水液压动力系统，该系统由深潜电机驱动，压力 l 01 4 MP a ，输出流量 3 0 L ／ mi n ，设计工作深度4 0 0 0 m，该动力系统可 用于驱动海水液压水下作业工具。介绍该系统的组成、工作原理、重要参数的选择和确定以及关键元器件的研制、水下漏 电保护、污染控制等关键技术问题。目前，该系统已交付现场使用，试验表明，该系统很好地满足了海水液压水下作业工 具的要求。 关键词海水液压系统 ；动力源；水下作业工具 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 0 1 3 0 0 4 3 Re s e a r c h o n t h e De e p S e a wa t e r Hy d r a u l i c Po we r S y s t e m J I AN G Z h u o ，L I U Yi n s h u i ，WU D e f a，GU 0 Z h i h e n g，C HE N J i n g y u e ，Z HU Yu q u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e s e a w a t e r h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n u t i l i z i n g s e a wa t e r d i r e c t l y a s t h e w o r k i n g me d i u m h a s o u t s t a n d i n g a d v an t a g e s i n - c l u d i n g t h e s i mp l e s y s t e m ，e a s y ma i n t e n an c e a n d S O o n w h e n a p p l i e d i n d e e p s e a ． A d e e p d i v e s e a w a t e r h y d r a u l i c p o w e r s y s t e m f o r u n d e r w a t e r t o o l s w a s d e v e l o p e d ． T h e s y s t e m w a s d r i v e n b y a d e e p d i v e e l e c t r i c mo t o r w i t h p r e s s u r e 1 01 4 MP a ，fl o w 3 0 L ／ mi n，a n d t h e d e s i g n d e p t h 4 0 0 0 m． T h e c o mp o s i t i o n ， w o r k i n g p r i n c i p l e ， i mp o r t a n t p a r a me t e r s o f t h e s y s t e m a n d s o me k e y t e c h n i c a l p r o b l e ms s u c h as r e s e a r c h i n g o n k e y e l e me n t s ， u n d e rw a t e r e l e c t r i c i t y l e a k a g e p r o t e c t i o n a n d po l l u t i o n c o n t r o l we r e i n t r o d u c e d ． T h e s y s t e m h a s b e e n d e l i v e r e d O ff s i t e u s e ． Th e t e s t s s h o w t h a t t h e s y s t e m c a n p e r f e c t l y me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s e a wa t e r h y d r a u l i c u n d e rw a t e r t o o l s ． Ke y wo r d s S e a wa t e r h y d r a u l i c s y s t e m； P o w e r s y s t e m； Un d e rw a t e r t o o l s 海水液压传动直接以海水为工作介质，与传统油 压传动相比，具有系统简单、取材方便、压力损失 小 、与周 围环境友好 等优点 ，广泛地 用于海 洋开发 、 深海探测 、抢险救生及水下军事研究工作中。 传统深潜型液压动力源以液压油为介质，存在以 下缺点 1 以油为介质，泄漏后污染环境； 2 需要压力补偿装 置 、油箱等 ，系统 复杂 ； 3 密 封 要求严格，海水侵入容易引起油液变质 ，工作可靠性 差。 以海水为工作介质 的深潜型液压动力 源有效地克 服油压动力源的不 足 ，同时 ，海 水的黏度小 ，远距离 传输压力损失小，有利于深海作业 。 对于海水液压动力源而言，其下潜深度主要取决 于电气元件，如电机、接头及检测元器件的耐压深 度 。目前国内海水液压动力源所 能到达 的作业深度 为 3 0 0 m，为华中科技大学于 2 0 0 2年研制成功。大深度 特别是 1 0 0 0 m以上 的海水液压 动力源 对电气元 件的水下漏电保护 、系统及元器件 的密封性 、抗 污染 能力及系统的可靠性方面提出了更高的要求，作者在 解决 这 些 问 题 的 基 础 上 研 制 成 功 了 作 业 深 度 为 4 0 0 0 m 的海水液压动力源 ，用 以驱动海 水液压水下 作业工具。 1 工作原理及系统组成 该系统直接投放 于水下工 作 ，主要 由潜 水 电机 、 海水液压泵、溢流阀、流量阀、过滤器及电控制柜等 元器件组成 。系统原理如图 1 所示 海水液压泵 2由 潜水电机 3驱动，直接从周围海洋环境中吸水，经过 滤器 1 过滤后进 入液压泵 ，泵 出口压力 由溢流 阀 7调 定，并由压力表5显示 ，系统回水经单向阀9直接排 入周围海水 中，系统输出的高压水通过快换插头 1 0 与水下作业工具相连 ，流量 阀 6调定通往水下作业工 具 的流量 。 下面阐述系统主要元器件参数的选择。 1 系统额定压力的选择 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 3 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 5 1 0 1 作者简介蒋卓 1 9 8 6 一 ，男，博士研究生，主要研究方向为水液压传动。电话1 5 8 2 7 1 9 2 4 1 7 ，Em a i l j i a n g z h u o 3 3 第 l 3 期 蒋卓 等深潜型海水液压动力系统的研究 5 1 ，4 一过 滤 器 2 一 海 水泵 卜 潜 水 电机 卜 压 力传感 器 6 一 流量 阀 7 一 溢流 阀 8 一 卸荷 阀 单 向阀 1 快换 插头 图 1 海水液压动力系统原理图 该系统用于驱动水下作业工具工作。水下作业工 具分旋转型工具和往复型工具两类 。往复型工具在相 同作业能力 的情况下 ，系统压力和液压缸 的面积成反 比，系统压力越高 ，则液压缸体积越小 ，工具重量越 轻 。结合现有技术水平及工具指标 ，系统额定压力确 定为 1 4 MP a 。 2 系统额 定流量 的选 择 传统液压动力源为闭式系统，可在水下驱动作业 工具进行打磨 、切割 、钻孔 等作业 ，作业完成后 液压 油流 回油箱。在压 力等 级 1 2～1 6 M P a 下 ，额 定流 量 为 2 8 L ／ m i n 。 表 1为美 国 1 9 8 4年 研制 成功 的水下 作业 工具 的 性能指标，其中旋转型工具的流量均为 2 6 ． 5 L ／ m i n 。 表 1 美国研制的水下作业工具性指标 工具类型 摊 钻孔器 在水下结构物上钻孔 5 ． 2 冲击扳手 拧紧或放松螺栓8 ． 4 冲击钻在水下金属及岩石上钻孔 1 0 ． 0 盘形工具完成清刷 、 打磨、 切割等5 ． 5～ 7 ． 0 螺旋浆 清除螺旋浆表面 清洗刷 附生物及污染物等 ⋯ 带锯 水下切割各种材料 2 ． 1 对比油压类深海动力源和国外技术指标，结合已 有技术 ，确实该 系统额定流量 为 3 0 L ／ m i n 。 3 影响系统深度的因素 该系统作业深度设 计指标 为水 下 4 0 0 0 m，要求 液压元件 泵 、阀等 、电气元 件 潜水 电机 、水密 接头等均能正常、稳定工作。 该 系统为开式系统 ，液压泵和液压 阀直接 以海水 为工作介质 ，自动补偿水深压力 ，不受系统工作水深 影响 。 水下作业时，潜水电机的耐压性和密封性、水密 接头的密封性及绝缘程度 ，很大程度上决定了该动力 源 的水下作业深度 。 综上所述 ，确定后的系统主要参数如表 2如示。 表2 系统及主要元器件参数 组成 主要技术 指标 参数 参数值 2关键技术 深潜型海水液压动力源，除必须研制出适应以海 水作为工作介质的高性能液压元件外，必须着重解决 以下两个 问题 1 关键 电气元件及漏 电保护 ； 2 污染控制 。 2 ． 1 关键 电 气元 件及 漏 电保 护 在大深度工 况下 ，潜水电机的关 键技术 是密封 与 耐压。为达到指定设计深度 ，在以往的基础上 ，作了 如下改进 1 电机 的重要零部件均采用新材料 ， 结构简单 ，运行可靠，使用寿命长，维护方便； 2 电机尾部设有橡胶膜 ，电机 内部充有 防冻液 ，用于补 偿水深压力 ； 3 电机轴输 出端 有机 械 密封 ，各止 口为 0形圈密封 ； 4 定子绕组 有 良好 的绝缘 和耐 水性能 。 l ～ 动 力 电缆 2 一 聚 氯 乙烯 粘带 卜自熔 乙丙 橡胶 带 4 1 ． 0 裸铜 线 5 一 丁基橡 胶 自粘 带 6 _ 一电机 引 出电缆 图 2 水密接头 与电机相 连密封原理图 电缆选用承载强度高的绝缘电缆 ，并连接一硫化 的水密接头 。水密接头一端接外部 电源 ，另一端与 电 机相连，为在水中高压环境下达到很好的绝缘效果， 与电机相连一端作 了如 下处理 ，原理如图 2所示 1 将铜芯线氧化物等清除干净 ，预先搪锡处理， 用 4 , 1 ． 0 m m 的裸铜 线包扎紧 ，再进 行搪锡焊接处理 ； 2 底层用丁基橡胶 自粘带半叠包 3层，再用 自熔 乙丙橡胶带半叠包扎 2 层 ，每层逐渐向外延伸； 3 5 ■ 5 5 5 5 5 6 ． ． ． ． ． 2 6 6 6 6 6 v 2 2 2 2 2 9 第 1 3期 姜万录 等基于蚁群优化的神经网络智能 P I D控制策略研究 2 5 最小，即控制器的稳定性最好 ，但综合 比较系统性 能指标的均值项、最大值项 M a x项 ，不难发现 ， A C O - B P - R B F - P I D控制 器下 系统 系统 响应快 ，超调量 小 ，性 能更优 。 期 望输 出设定 为 2 m m，则 基于不 同网络 P I D控 制器 下 的 响应 曲线 如 图 2 、3所 示 ；基 于不 同 网络 P I D控制器下对幅值 2 m m，频率 1 H z 正弦信号的跟 随曲线 如图 4所示 。 ／＼ 雾 D‘_ V 1Il， V ⋯ 图 2 基 于 B P - P I D控制和 B P R B F P I D控制 ／ ， ＼ A ⋯ ⋯ ． ． f ， ⋯ ’ ’ ⋯ 一 ’ 一 一 ／ ⋯一 期望 输 出 ⋯一 基于GA． BP ． RBF． P I D 一 基于ACO． BP． RBI ． P l D t ／ m s 图3 基于 G A B P - R B F - P I D控制和 A C O B P R B F P I D控制 鲁 暑 图 4 1 H z 正弦信号跟随曲线 从图2 、4可以看出，B P R B F P I D网络控制器与 B P ． P I D网络控制器控制效果差别不是太大，系统的 动特性 比较 差 。从 图 3 、4可 以看 出 ，基 于 A C O B P R B F ． P I D网络控制器下 系统 响应快 ，超 调量小 ，跟 随 性好 ，性 能更优 。 期望输出设定为 2 m m，0 ． 5 S 时在控制对象输入 端加入 幅值 为 1的扰 动 ，基 于 A C O B P R B F - P I D控制 器控制下的仿真曲线如图5所示。 从 图 5可 以看 出 ，大扰动下 ，系统可 以很快适应 系统状 态 变化 ，辨识 输 出跟 随输 出，基 于 A C O ． B P ． R B F P I D控制器具有很好 的抗扰动能力 。 暑 昌 图5 扰动下的系统响应曲线 3结 论 1 提出一种 A C O B P ． R B F ． P I D控制器 ，通 过与 B P P I D、B P R B F P I D、G A - B P - R B F P I D 对 比，结 果 表明，采用该控制器控制下的系统具有更好的动态响 应特性 ，响应 快 ，超 调量小 ，跟随性好 。 2 基于A C O ． B P R B F P I D网络控制器控制的系 统具有 很好 的抗 扰动能力。 3 A C O B P R B F - P I D网络 控 制 器学 习效 率 高 ， 算法 收敛速度快 。 参考文献 【 1 】 刘志远， 吕剑虹， 陈来九． 智能 P I D控制器在电厂热工过 程控制中的应用前景[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 2 ， 2 2 8 1 2 81 3 4 ． 【 2 】姜万录， 刘庆平 ， 刘涛． 神经网络学习算法存在的问题及 对策[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 5 2 9 3 2 ． 【 3 】夏长亮， 修杰． 基于 R B F神经网络非线性预测模型的开 关磁阻电机自适应 P I D控制[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 7 ， 2 7 3 5 7 6 1 ． 【 4 】谭冠政， 李文斌． 基于蚁群算法的智能人工腿最优 P I D 控制器设计[ J ] ． 中南大学学报， 2 0 0 4 ， 3 5 1 9 1 9 6 ． 【 5 】王春行． 液压伺服控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版社 社 ， 1 9 8 9 4 0 5 2 ． 【 6 】张庆红 ， 程国建． 基于遗传算法 的神经 网络性能优化 [ J ] ． 计算机技术与发展， 2 0 0 7 ， 1 7 1 2 1 2 51 2 7 ， 1 8 0 ． 上接 第6页 【 2 】贺小峰， 黄国勤 ， 宋碧海， 等． 海水液压动力驱动的水下 作业工具系统[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 8 4 95 1 ． 【 3 】孟庆鑫， 王茁． 深水液压动力源压力补偿器研究[ J ] ． 船 舶工程， 2 0 0 2 2 6 06 1 ． 【 4 】刘志浩， 高世伦． 水下作业工具液压动力源的研制[ J ] ． 海洋技术， 2 0 0 2 2 2 1 2 3 ． 【 5 】刘银水， 杨曙东． 海水液压水下作业工具系统的微生物 污染和腐蚀[ J ] ． 海洋技术， 2 0 0 2 1 4 95 2 ． 【 6 】刘银水， 郭 占 军 ， 朱碧海， 等． 海水液压驱动的水下作业 工具系统[ J ] ． 海洋技术， 2 0 0 6 4 6 56 9 ． 【 7 】白旭华， 张凤阁， 佟宁泽， 等． 潜水电机的结构与设计特 点[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 5 3 2 7 0 2 7 3 ． 【 8 】朱碧海， 李壮云 ， 贺小峰 ， 等． 新型中高压水压溢流阀的 研制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 4 2 l 一 2 2 ， 3 8 ．