水下驻留航行器液压式驻留机构设计.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 水下驻留航行器液压式驻留机构设计 宋保维 ， 成鹏飞 ， 王 鹏 ， 张 斌 西北工业大学 航海学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 摘要 为解决传统水下 自主航行器工作时间短的局限 ， 学术界提出了驻 留航行器的概念 。该文在分析 了驻留航行器总体构 成和工作 方式 的前提下 ， 针对航行器的液压支撑式驻 留机构进 行了工况分析 、 系统设计 、 重要部件设计 、 液压元件选择 、 三维造型和总体组装。 该 机构实现 了航行器长时间海底驻 留的功能 ， 对驻 留航行器 的工程应用发挥了重要作用 。 关键词 水下驻 留航行器 A U L V ； 驻 留机构 ； 液压支撑 系统 ； 机构设计 ； 三维造型 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 1 8 0 4 De s i g n o f Hy d r a u l i c Lu r k M a c h i ne f o r Au t o n o m o u s Und e r wa t e r Lu r k Ve h i c l e S O NG B a o - w e i ， C H E N G P e n g - f e i ， WA NG ， Z H AN G B i n C o l l e g e o f Ma r i n e E n g i n e e r i n g ，N o r t h - We s t e r n P o l y t e c h n i q u e U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e p r o b l e m t h a t w o r k i n g h o u r s o f c o n v e n t i o n a l AUV i s l i mi d ， a c a d e mi a b rin g f o r wa r d a c o n c e p t i o n of Au t o n o mo u s U n d e r w a t e r L u r k V e h i c l e A U L V ．I n t h i s p a p e r ,w e i n t r o d u c e d t h e c o n s t r u c t i o n a n d t h e w o r k i n g w a y o f A U L V f i r s ，a n d p r e s e n t e d t h e a n a l y s i s o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n ， s y s t e m d e s i g n ， c o mp o n e n t s d e s i g n ， s e l e c t i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ， t h r e e - d i me n s i o n a l s h a p e a n d a s s e mb l y o f c o ll e c t i v i t y o f l u r k ma c h i n e ．T h i s ma c h i n e r e ali z e d of l o n g - t i me wo r k o f AUL V wi t h l u r k i n g s e a b e d ，i t p l a y a n i mp o r t a n t r o l e i n e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n s o f AUL V． Ke y wo r d s AU L V； l u r k ma c h i n e ； h y d r a u l i c s u p p o rt s y s t e m ； d e s i g n of ma c h i n e； t h r e e d i me n s i o n a l s h a p e O 引言 A U V A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e 是一种水下 无缆 机器人 ， 没有 载人 的高风险 ， 而且脱 离了 R O V的 缆绳 。 运用更加灵活方便 ， 已经成功应用于许多 民用和 军用领域。民用方面包括海洋探测 、 海底打捞 、 水下管 线铺设与检查维修 、 水下考古等 ， 军用方面包括海底情 报收集 、 布雷及反雷 、 反潜等『 1 1 。尽管 AU V在外形尺寸 、 续航力及工作深度上差异很大 ， 但受携带能源的限制 ， 通常 A U V的最长工作时间仅为几天 。 有 的甚至只能工 作几个小时 ， 不能满足其长时间 如两三个月或半年 进行海洋环境探测与监测的任务需求[ 2 1 。驻留航行器执 行任务时停驻海底 ，主推进器关闭，从而节省大量能 源， 成功解决了工作时间短这一难题。驻留航行器将成 为水下 自主航行器发展 的一个重要方向。 1 9 9 2年 美 国海 军 研 究 生 院 N a v y P o s t g r a d u a t e S c h o o 1 首先提 出了驻留航行器的概念 ， 即航行器到 目 标水域后 ，通过改变重浮力使航行器驻 留在海洋底部 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 3 0 作者简介 宋保维 1 9 6 3 一 ， 男， 辽宁葫芦岛人， 教授， 主要研究领域为水下航 行 体设计技术 、 减阻降噪技术 、 可靠性优化设计 、 评定技术 、 多学科设计 优化技术等 。 1 8 进行 长 时 间测 量 ， 同时关 闭 主推进 系 统 以节省 能 源 ， 并 研 制成 功 了 N P S A U V t3 。1 9 9 8年美 国佛 罗里 达 亚特 兰 大大学开发研制的 A N S A U V进行了海试 。2 0 0 8年天 津 大学 提 出 了一 种小 型 的驻 留航 行 器 A U V V B S ， 通过 压载水舱进水增大航行器重力停驻在海底 ，完成任务 后丢弃水舱返 回嘲 。 2 0 1 0年西北工业大学提出了两种新 的海底 停驻 策 略 ， 液压 支撑式 和锚链 式驻 留方 案[6 1 。 文献[ 6 】 仅对液压支撑式驻 留方案作 了简单介绍 ， 本文在此基础上对液压支撑式驻留方案进行了详细分 析和机构设计 ， 特别对关键部件液压缸 、 油箱 、 安装 支 架等部件进行了细致设计 ， 选用了相应的液压器件 。并 利用 U G S N X 7 ． 0软件对各部件进行了三维造型和结 构装配 ． 给出了整个液压驻 留机构的三维装配图。为驻 留航行器的工程化实现奠定了基础。 1 驻留航行器的总体构成及工作方式 驻 留航行器的主要由探测传感器段 、前液压支撑 段 、 前辅推段 、 控制导航段 、 重力调节段 、 电池舱段 、 后 俯推段 、 后液压支撑段和主推进器段组成 ， 构成如 图 1 所示。其 中前后辅推装置在航行器垂直上升和下落的 时候提供升力 ，液压支撑机构负责支撑整个航行器使 航行器平稳驻 留海底 ，重力调节装置通过压载水舱的 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 9 ． 2 0 1 2 进出水调节航行器的负浮力 。保证航行器海底驻留时 的稳 定性 。 后辅推段主推进器段 f 、 控制导 航段 俯声纳 I _ ． 前液压支撑段 后液压支撑段 图 1 驻 留航 行 器 组成 示 意 图 驻 留航 行器 离开 母船 后 ， 自主 到达 着 陆 目标 海 域 ， 利用俯声纳在 目标区域寻找一块较为平坦的着陆地点 预备着陆 ， 航行 到距海底 5 m左右的高度 ， 航行器关 闭 主推进器 。在前后两个辅推进器的作用下处于悬停状 态 ， 同时系统控制 4个支撑腿从航行器内部伸出。此时 通过重力调节装置使压载水舱开始进水 ．航行器负浮 力增大并开始缓慢下降 ， 驻 留海底后 ， 关 闭俯 推 ， 利用 负浮力保持稳定。航行器开始长时间执行观测环境 、 搜 集情报等任务 。等航行器完成任务后 ， 首先压载水舱排 水 ， 排完水后辅推进器工作 ， 航行器上浮至离海底 5 m 高度 ， 液压支撑腿收 回， 之后主推进器启动 ， 驻 留航行 器 自主返 航 。 2 液压驻 留机构设计 1 工 况分 析 航行器驻留的工作深度 5 - 4 0 0 m。每次液压腿伸出 后将长期保持伸 出状态 ， 等航行器完成任务后 ， 再收 回 液压腿 ， 整个工况为 伸出一 保持一 收回三步。 伸出和收回 过程中航行器处于悬停状态 ， 驻留机构只承受海水的静 压 力。 停驻海底时航行器驻留机构要承受航行器 的负浮 力 、 海水的静压力和海流的冲力。海流的冲力为航行器 停驻在海底时海流施加在航行器壳体上的合力f 7 】 。 2 液压 系统设 计 由于前后两个液压驻 留机构完全相 同，设计时只 考虑一套系统。液压驻 留机构在整个伸 出收回过程 中 主要承受海水 的静压力 ， 计算得 p 5 ． 0 5 MP a ， 安全系数 取 1 ． 2 ， 工作压力定为 6 ． 3 MP a 嗍 。 为节省空间两个液压缸 可共用一个液压泵和油箱『 9 1 ， 利用溢流阀和节 流阀控制 两个液压缸 的油压 ， 方向则 由两个 电磁换 向阀控制 ， 电 磁换 向阀和电机开启关闭都由导航控制段的单 片机控 制器控制 。设计驻 留液压系统图如图 2所示。 3 液 压 缸设计 液压缸是液压系统 中最常用的执行元件 ，通常分 为单作用液压缸 、双作用液压缸和复合作用液压缸㈣。 李静明【 】 】介绍 了一般液压缸设计要点 。 于贵文【 2 1 介绍了 双作用 多级液压缸 的设计方法。本文驻 留液压系统要 求液压缸伸出壳体外长度为 8 0 0 ～ 1 O 0 0 m m． 而驻留航行 器的内径只有 5 0 0 ra m， 固采用三级液压缸 同时考虑到 液压缸 的伸出收回都是通过压力油推动 ，故要求液压 缸为双作用式。综合考虑， 液压缸采用双作用活塞式三 级液压缸， 法兰盘式安装 ， 0形密封圈密封 。 各级液压缸 的 内 、外 径 从 内 向 外 分 别 为 2 8 m m； 3 3 mm， 4 3 m m； 4 8 mm， 5 8 m m； 6 3 m m， 7 0 mm； 计算最小缸径为 8 m m， 设计 完全满足强度要求 。液压缸安装两液压支撑腿伸出时， 液压油从 A经 B进人缸体 ， 活塞另一侧液压油经 C、 D、 E、 F和 G回到油箱 ； 液压支撑腿收 回时。 液压油的流向 正好相反， 液压缸及油路示意图如图 3所示 。 图 2驻留液压系统组成 图 图 3三 级 i 酲压 缸 不 意 图 4 液压 泵选 择 液压泵为液压系统能量转换装置 。负责将机械能 转换 为液压 能 ， 是整个 液 压系统 的动 力元 件 。液压 泵主 要有齿轮泵 、 螺杆泵 、 叶片泵 、 轴向柱塞泵和径 向柱塞 泵等几种类型。其 中叶片泵具有结构 紧凑 、 体积小 、 重 量轻 、 噪声小 、 寿命长等优点 ， 广泛使用于机床 、 塑料机 械 、 工程机械等液压系统 中。根据系统要求选用 Y BI 一 2 ． 5型叶片泵 ， 公 称排量 2 ． 5 mL ／ r ， 公称转速 l 4 5 0 r ／ mi n ， 容积效率 7 0 ％， 总效率 4 5 ％， 额定驱动功率 0 ． 6 6 k W， 重 量 5 ． 3 k g 【 l 3 ] 。 5 油箱设计 油箱在液压系统中除了储油外 ， 还起着散热 、 分离 油液 中的气泡、 沉杂等作用 。液压系统中常用油箱分为 开式 ， 闭式两种类型。开式油箱液面与大气相通 ， 在油 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 箱盖上装有空气过滤器。闭式油箱一般用于压力油箱 ， 内充一定压力的惰性气体。 考虑到航行器的特殊工作方式 ，油箱采用闭式油 箱 ，可以有效防止驻 留航行器航行过程 中由于横滚导 致油箱里的油泄漏到航行器的壳体 中。根据系统的工 况 ， 计算得油箱的有效容积 V 1 2 L 。为充分利用航行器 内部空间， 增大油箱的容积 ， 油箱外形采用圆罐式和矩 式相结合的方法 ， 如图 4所示。 1 ． 泵的吸油管 2 ． 液压缸的回油管 3 ． 溢流 阀的回油管 4 ． 注油 口 5 ． 放油螺塞 6 ． 安装孔 7 ． 油箱盖 8 ． 油箱主体 9 ． 油箱隔板 图 4油 箱 设 计 示 意 图 6 支架设 计 驻 留液压系统的支架主要起固定安装作用 ，用来 合理布置液压系统的所有部件 ，支架的合理与否将直 接影响整个支撑系统所 占空间的大小 。支架的四周与 航行器壳体 的肋骨采取螺钉联结的形式 ．这样可以保 证支架的稳定性， 减少振动等现象的产生。两支撑腿呈 对称形式布置 ， 夹角为 7 O 。 ， 油箱安装在支架最底部 ， 油 箱上部为电机和液压泵。电磁换 向阀与液压缸平行安 装。其他部件安装位置如图 5所示。 1 ． 液压泵安装处 2 ． 电机安装处 3 ． 溢流阀安装处 4 ． 电磁换向阀安装 处 5 ． 液压缸后盖安装处 6 ． 油箱安装处 图 5安 装 支 架设 计 示 意 图 7 液压油、 电机及各种阀件的选择 正确选用液压油对于液压系统达到设计要求 ， 提 高工作可靠性 ，准确 、灵敏地传递动力都有重要的影 响，同时保证液压元件正常润滑 ，延长各部件使用寿 命 ，防止发生意外事故等。根据系统要求 ，选用 L ～ HL 4 6型号液压油。运动黏度 4 5 ． 6 1 m m2 ／ s 4 0 ℃ ， 闪点 2 3 6 ℃， 倾点一 1 l ℃。此种液压油有适宜的粘度和良好 的 粘温性能， 具有 良好 的防锈性 、 抗氧化安定性【 1 3 1 。 驻 留液压 系统中的电机主要 是为液压泵 提供动 力 ，电机的选择原则是在保证液压泵正常运行 的条件 下 ， 体积和质量尽量小 ， 这样可以少 占用 内部空间并节 2 r 省能源 ， 最终选用 2 4 5 S N --0 1电机 ， 功率 1 0 0 0 W， 额定 转速 3 0 0 0 r ／ mi n t Ⅷ 。 电磁换 向阀是利用 电磁铁吸力的吸力推动阀芯来 改变阀的工作位置的阀类 ， 借助于开关 、 继电器等发出 的信号进行控制， 易于实现转换的自动化。驻留液压系 统 选 用 4 WE 6 E 3 0 ／ A 型 号 电 磁 换 向 阀 ，最 大 压 力 3 1 ． 5 MP a ． 最大流量 6 0 L ／ mi n 。溢流阀选用 D B D A 6 P 1 0 ／ 1 0 ／ 2 ／ V型号 ， 节流阀选用 MK 6 G1 ． 2 ／ 2 V型号 。 分流阀选 用 V X I 1 4 6 ． 1 5型号㈣。 8 油管及管接头选用 油管用来连接液压系统各个部件 ， 输送液压油 。油 管种类有无缝钢管 、 有缝钢管 、 橡胶软管 、 紫铜 、 尼龙管 等。钢管承受压力较大 、 价格低廉 、 安装方便 ， 驻留液压 系统选用有缝钢管和螺纹式管接头。油管的内径和壁 厚计算结果为 d 4 ． 8 mm， 3 0 ． 1 9 mm。 3 驻 留结构整体建模与装配 通过前面的设计 ，整个液压驻留机构基本设计完 毕 ． 利用 U G S N X 7 ． 0软件对各部件三维造型， 并进行装 配， 以检查是否付会出现干涉等现象 。整体装配结果如 图 6所 示 图 6驻 留 机 构 工 作 时装 配 不 惫 图 4 总结 本文针对水下驻 留航行器的特点 ，对液压驻留机 构并进行了详细的设计 首先对整个系统分析 ． 给 出了 整个 系统的液压系统图。在此基础上对液压缸 、 油箱 、 支架 、 油液管道进行了详细的计算和设计 。 给出了具体 的数据和相关参数 。并根据计算结果选择 了合适的液 压泵 ， 电磁换向阀 ， 溢流阀 ， 节流阀等 阀门和相应的电 机 。最后基于 U G软件 ， 根据每个部件的几何参数对整 个系统进行 C A D建模 ， 并完成 了整个驻 留液压 系统的 三维装配， 分析了其干涉特性。文章 的工作极大地推进 了驻 留航 行器 的工 程应用 。 参 考 文 献 【 1 】 李 开生， 王文友 ． 军用无人潜 器的发展 及其关键技术 [ J ] ． 鱼雷 技术， 2 0 0 4 ． 1 2 ， 1 ． Hv d r a u l i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 9． 2 01 2 高压伺服控制脉冲试验台液压系统设计 王 双 ， 邓 乾坤 ， 张 斌 浙江大学 流体动力与机电系统 国家重点实验室 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘 要 液压 系统在工作 的时候承受的压力脉冲严 重影 响着液压元件 的寿命。 该文设计 了一种压力脉冲试验台模 拟飞机液压系统液压 缸所承受 的 T型压力脉 冲， 采用伺服 阀对液压缸进油腔压力直接进行 控制 ， 以确保试验 曲线 的准确性。 建立 了 A ME S i m仿真模 型， 并通 过仿真分析影响脉 冲曲线的因素 ， 验证了系统的正确性 ， 为试验台的合理搭建提供支持 。 分析和仿真表 明 压力脉 冲的上升速率与伺服 阀的瞬时通流能力直接相关。 关键词 压力脉冲； 液压试验台 ； T型波 ； 仿 真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 2 1 0 4 Th e Hy d r a u l i c S y s t e m De s i g n o f Hi g h Pr e s s u r e S e r v o c o n t r o l Pu l s e Te s t Be d W AN G s h u a n g ， D E NG Q 一 k u n ， Z H AN G B i n T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 Ab s t r a c t P r e s s u r e p u l s e o f h y d r a u l i c s y s t e m h a s g r e a t i n fl u e n c e o n t h e l i f e o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ． I n t h i s p a p e r , a p r e s s u r e p u l s e t e s t s t a n d i s d e s i g n e d t o s i mu l a t e t h e t r a p e z i u m p r e s s u r e p u l s e i n a i r c r a f t h y d r a u l i c c y l i n d e r wh e n a t wo r k ．A s e r v o v a l v e i s u s e d d i r e c t l y t o c o n t r o l t h e p r e s s u r e t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f t e s t c u r v e ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l i s b u i l t b y u s i n g AME S i m t o v e ri f y t h e r e l i a b l e o f d e s i g n e d h y d r a u l i c s y s t e m． T h e e ff e c t s o f i mp o r t a n t p a r a me t e r s we r e d i s c u s s e d wh i c h c a n p r o v i d e g u i d a n c e t o t h e p r e s s u r e p u l s e t e s t b e d ． I t s h o ws tha t t h e r i s e r a t e o f t h e p r e s s u r e p u l s e c u r v e h a s c l o s e r e l a t e d t o t h e i n s t a n t a n e o u s fl o w c a p a c i t y of t h e s e r v o v a l v e ． Ke y wo r d s p r e s s u r e p u l s e ； h y d r a u l i c t e s t b e d； t r a p e z i u m wa v e ； s i mu l a t i o n O 引言 液压系统在工作的时候 ， 由于液压阀的开关 、 液压 泵的起停 、 负载的变化而产生严重的液压 冲击 ， 其强度 往往数倍高于系统工作压力 ， 轻则影响元件寿命 ， 重则 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 0 0 5 2 0 0 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者 简介 王双 1 9 8 8 一 ， 男 ， 陕西西安人 ， 在读博士生 ， 研 究方 向为电液 控制 、 液压元件 。 一 一 导致管路断裂 、 元件失效等等 。所以对于一些重要的元 件国家标准规定在使用前必须完成脉冲试验。我国的 压力脉冲试验还处在起步阶段 ， 直至 1 9 9 9年才颁布相 应的标准。 液压缸作为液压传动系统 中的重要元件 ．其元件 性能和寿命直接影响着整体系统 的可靠性。现今国内 存在 的液压缸 高压力脉 冲试验 台多为采用增压 缸方 案 ， 这种系统虽然能够在压力上达到要求 ． 但是其脉冲 【 2 】 刘芙蓉， 陈辉． 自主式 水下潜 器研究开发 综述【 J ] ． 舰船科 学技 术， 2 0 0 8 ， 5 ． 【 3 ] H e a l e y A J ， G o o d M R ．T h e N P S A U V I I A u t o n o m o u s Un d e r w a t e r Ve h i c l e T e s t b e d De s i g n a n d E x p e rime n t al V e ri fi c a t i o n [ J ] ．N a v a l E n g i n e e r s J o u r n a l ，1 9 9 2 ， 3 ． [ 4 ] G l e g g S A L ， O l i v i e r i M P ， C o u l s o n R K ，e t ， a1 ．A P a s s i v e S o n a r S y s t e m B a s e d o n a n A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e [ J ] ． I E E E J o u r n a l o f O c e a n i c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 1 ， 4 ． 【 5 ] 王晓 鸣， 王树新． A U V水下着陆策 略研 究[ J ] ． 机器人， 2 0 0 8 ， 4 ． [ 6 ] 宋保维， 朱信尧． U U V海底停驻策 略及 其关键技术[ J ] ． 鱼雷技 术， 2 0 1 0 ， 6 ． 【 7 】 张宇文． 鱼雷 外形设计【 M 】 ． 西安 西北 工业 大学 出版社， 1 9 9 8． 一‘- 【 8 】 杨曙东， 何存 兴． 液压传动与气压传动【 M】 ． 武汉 华中科技 大学 出版社． 2 0 0 8 ． 【 9 ] 丁意， 赵克定， 于金盈． 双缸 同步控制系统 的研究[ J 】 ． 流体传动 与控制． 2 0 0 7 ， 2 ． 【 1 0 ] 臧克江． 液压缸[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ]李 静 明， 邓 海顺 ． 液 压 缸结 构及 设 计 【 J J ． 煤 矿机 械， 2 0 0 9 ， 9 ． [ 1 2 ]于贵文， 臧克 江， 林晶． 双 作用多级液压缸 的设计 【 J 1 ． 中国工程 机械学报 ， 2 0 0 7 ， 4 】 ． [ 1 3 】 周恩涛． 液压系统设计元器 件造型手册[ M】 ． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 7 ． [ 1 4 】国家机械工业 局西安微 电机所． 实用微 电机手册[ M I ． 沈阳 i ／ 宁科学技术出版社 ． 2 0 0 0 ． 21