， ， 　， 　(.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 上?！?306； .上海海洋大學(xué) 深淵科學(xué)研究中心, 上?！?306)

引言

在深海復(fù)雜海洋環(huán)境下，深海載人潛水器能夠承載科學(xué)工作者與各種監(jiān)測裝置、特種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測考察以及深海搜救捕撈等，是開發(fā)和利用深海資源的重要技術(shù)手段。目前，世界上主要的深海載人潛水器包括：美國的“ALVIN”號、法國的“NAUTILE”號、日本的“SHINKAI 6500”號、俄羅斯的“MirⅠ”和“MirⅡ”等多種[1]。中國的“蛟龍?zhí)枴蹦壳耙涯艿竭_(dá)7000 m的下潛深度。2012年美國人詹姆斯·卡梅隆駕駛“深海挑戰(zhàn)者”號潛水器到達(dá)地球上最深的馬里亞納海溝溝底，創(chuàng)造了海洋深潛記錄，到達(dá)了深海溝底部的“超深淵帶”，揭開各國進(jìn)入深淵科學(xué)(深淵科學(xué)是研究海洋深處的自然現(xiàn)象、性質(zhì)及其變化規(guī)律，以及與開發(fā)利用海洋有關(guān)的知識體系)研究領(lǐng)域的序幕[2]。

深淵科學(xué)的研究對象是垂直深度為6500～11000 m的深部海洋，包括海水、溶解和懸浮于海水中的物質(zhì)、生活于深淵中的生物、海底沉積和海底巖石圈等，該學(xué)科目前正逐漸形成深淵生物學(xué)、深淵生態(tài)學(xué)和深淵地質(zhì)學(xué)等研究領(lǐng)域。鑒于液壓技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)，使得液壓技術(shù)在海洋工程裝備以及海洋開發(fā)機(jī)器上應(yīng)用較為廣泛，同時深海潛水器是深?？茖W(xué)與深淵科學(xué)研究的重要依托設(shè)備，而其組成部分及功能有賴于液壓技術(shù)[3]。基于此，分析總結(jié)了國內(nèi)外深海潛水器液壓技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為我國全海深載人潛水器研究與設(shè)計提供幫助與參考。

1　深海潛水器設(shè)計過程及其功能組成

通過潛水器設(shè)計過程以及其功能組成，能夠總結(jié)出液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用范圍。潛水器設(shè)計過程主要包括[4]：

(1) 設(shè)計時初期考慮的因素包括質(zhì)量特征、部分相對質(zhì)量比的確定，潛水器功能組成，可分為：壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、外部耐壓系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、浮力特征以及常用材料選擇等；

(2) 潛水器方案設(shè)計包括：艇型選擇、能源與動力選擇、推進(jìn)裝置選擇、總布置規(guī)劃、排水量計算以及性能計算等；

(3) 潛水器結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：耐壓結(jié)構(gòu)、輕外殼與機(jī)構(gòu)防腐設(shè)計；

(4) 潛水器操縱與控制設(shè)計包括：操縱性與運(yùn)動控制方法設(shè)計；

(5) 潛水器水下導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計包括：導(dǎo)航傳感器、推算導(dǎo)航設(shè)計等；

(6) 潛水器設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計包括：壓載與浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計、水下機(jī)械手與作業(yè)工具、吊放回收系統(tǒng)以及生命支持系統(tǒng)設(shè)計。

液壓技術(shù)在潛水器的應(yīng)用包括：設(shè)備前進(jìn)和升降液馬達(dá)推進(jìn)器、液壓舵機(jī)、隨動機(jī)械手、載人潛水器艙室的啟閉裝置以及其他裝置[5]。結(jié)合潛水器設(shè)計過程，可以得出潛水器的基本功能組成一般包括：壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、外部耐壓系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及供科研使用的設(shè)備系統(tǒng)。潛水器液壓系統(tǒng)一般裝在耐壓殼體的外面, 處于受外壓和有腐蝕的工作環(huán)境，與其他應(yīng)用相對比深潛器液壓系統(tǒng)有些特定的要求，主要包括：各部件承受工作水深的海水外壓、密封性與液壓油潤滑性、壓力補(bǔ)償裝置、液壓油壓縮率溫度液體系統(tǒng)隨機(jī)動態(tài)變化的影響、耐腐性尺寸小質(zhì)量輕以及易于更換保養(yǎng)[6]。液壓技術(shù)在深潛器的應(yīng)用包括：液壓機(jī)械手、浮力和縱傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)、液壓推進(jìn)、作業(yè)裝置、平衡裝置液壓、應(yīng)急拋載等幾個方面。

2　深海潛水器液壓技術(shù)研究概況

2.1　基于油壓的潛水器液壓技術(shù)研究概況

中國船舶科學(xué)研究中心以深海載人潛水器為研究對象，針對潛水器內(nèi)液壓系統(tǒng)應(yīng)用幾個方面進(jìn)行了介紹，并給出原理圖，探討了液壓密封問題以及液壓補(bǔ)償問題，具有一定的參考價值，并對可調(diào)壓載系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究[7]。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所以ROV為研究對象，給出設(shè)備液壓系統(tǒng)示意圖，并給出了包括油源系統(tǒng)、推進(jìn)器液壓伺服控制系統(tǒng)、水下機(jī)械手液壓系統(tǒng)，以及水下主從液壓機(jī)械手控制系統(tǒng)的原理，具有一定的參考價值[8]。

浙江大學(xué)針對深海液壓系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，為了達(dá)到深海液壓系統(tǒng)使用要求，采用真空注油和高壓注油相結(jié)合的方法，配合過濾、除水、除氣等功能，設(shè)計出一套深海液壓系統(tǒng)專用注油裝置[9]。西南交通大學(xué)針對液壓源動力元件及設(shè)備展開研究，給出了直浸式直流無刷電機(jī)以及相應(yīng)設(shè)備的研究概況，并對深海液壓變量泵用放大器以及深海電液比例液壓源件進(jìn)行了研究[10]。美國(PERRY)公司開發(fā)了深海大于3000 m級別的不同功率油壓液壓泵的油壓驅(qū)動設(shè)備[11]。潛器外置設(shè)備與水下作業(yè)工具液壓系統(tǒng)壓力補(bǔ)償問題各國都展開了研究，國外包括美國的Tecnadyne、mechanical engineering Group、OSEL公司、蘇格蘭Hydrovision Limited和All oceans engineering Ltd公司等都對水下施工設(shè)備與水下機(jī)器人的壓力補(bǔ)償器進(jìn)行了研制[12,13]。

國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)在水下作業(yè)工具用液壓系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償方面做了大量的工作，解決了深水壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的研究。浙江大學(xué)對潛器外置設(shè)備以及水下機(jī)器人液壓系統(tǒng)補(bǔ)償問題進(jìn)行了研究，提出了海水環(huán)境壓力補(bǔ)償器裝置設(shè)計方法[14]。華中科技大學(xué)針對深海模擬環(huán)境中液壓水下機(jī)械手的仿真進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了機(jī)械手的控制方法的有效性[15]。中國石油大學(xué)針對深海水下分離器液控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出總體設(shè)計，并采用仿真的方法對定壓輸出減壓閥和換向閥進(jìn)行了研究，得出減壓閥可以保證液壓油壓力的穩(wěn)定，換向閥換向動作迅速，輸出流量大，能夠及時進(jìn)行換向的結(jié)論[16]。中國船舶科學(xué)研究中心在國家863計劃支撐下，對7000 m深海液壓系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計開發(fā)，系統(tǒng)主要技術(shù)要求為:深海7000 m工作環(huán)境、21 MPa 工作壓力、4.5 L/min 工作流量，直流供電并具有輸入輸出管系自動壓力補(bǔ)償功能，構(gòu)建系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖，并對系統(tǒng)進(jìn)行元件選擇配合進(jìn)行了系統(tǒng)集成以及系統(tǒng)試驗(yàn)，結(jié)果可靠[17]。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和中航工業(yè)南京機(jī)電研究所的國家863計劃——深海潛水器作業(yè)工具、通用部件與作業(yè)技術(shù)7000 m主、從伺服液壓機(jī)械手，該機(jī)械手能夠完成7種功能，并在無錫進(jìn)行了深海7000 m壓力功能試驗(yàn)，整個試驗(yàn)過程機(jī)械手動作平穩(wěn)可靠，能正確完成預(yù)定任務(wù)，填補(bǔ)國內(nèi)空白[18]。海軍潛艇學(xué)院對潛器液壓管路噪聲分析與控制進(jìn)行了研究，分析了潛艇液壓系統(tǒng)管路振動與噪聲產(chǎn)生的原因，并從機(jī)械和流體動力噪聲兩個源頭入手，提出控制管路振動與噪聲的方法，較好地達(dá)到部分減振降噪的目的，但是更好的方法有待進(jìn)一步研究[19]。中海油研究總院與中國石油大學(xué)，針對深水連接器與ROV聯(lián)合作業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，以設(shè)計適用于深水環(huán)境并能滿足水平連接器工作需求的液壓系統(tǒng)為目的，采用雙干路差動式液壓設(shè)計的方法，構(gòu)建液壓系統(tǒng)的控制流程和原理圖，并對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了功能性仿真，驗(yàn)證了該液壓系統(tǒng)應(yīng)用于深水水平連接器的可行性[20]。

借助經(jīng)典液壓技術(shù)，基于油壓的液壓技術(shù)在潛水器中的研究取得了大量成果，而基于水壓的(純水、海水)液壓技術(shù)由于具有獨(dú)特優(yōu)勢，而被得到重視，嘗試研究應(yīng)用于深水工程、海洋工程、船舶工程以及潛水器裝備中。

2.2　基于水壓的潛水器液壓技術(shù)研究概況

以液壓油為工作介質(zhì)的水下液壓系統(tǒng)采用和常規(guī)液壓系統(tǒng)相同的工作介質(zhì)，然而由于液壓系統(tǒng)工作在海水環(huán)境中，因此除了具有與常規(guī)液壓系統(tǒng)相同的優(yōu)勢外，還有其自身的特點(diǎn)。近年來，隨著工程材料、摩擦學(xué)、潤滑理論、計算技術(shù)的發(fā)展，基于水壓的液壓技術(shù)得到了發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了研究，包括水液壓泵、水液壓控制閥等多項(xiàng)技術(shù)都得到了發(fā)展[21,22]。

海水液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用也得到了發(fā)展，國內(nèi)華中科技大學(xué)對海水液壓水下作業(yè)工具展開了研究，并研制一套基于海水液壓的水下作業(yè)工具:鏈鋸、鉆孔器、沖擊鉆以及鋼纜切割器等[23,24]。大功率、大流量高壓海水泵是深海潛水器有待研究的重點(diǎn)設(shè)備，具有性能良好的高壓海水泵對于深海潛水器具有重要作用，不但能減輕重量，而且使?jié)撍骺梢栽谌魏紊疃葘?shí)現(xiàn)均衡。國外一些廠商已有研制的包括：1988 年英國Fenner公司研制出壓力分別為14 MPa的海水液壓泵和馬達(dá)；芬蘭Hytar Oy公司研制的最高輸出壓力可達(dá)21 MPa的Hytar Oy 海水液壓泵；德國研制的Hauhinco 海水液壓泵可達(dá)32 MPa；日本研制的Komatsu 海水液壓泵與Kayaba 海水液壓泵可達(dá)21 MPa；1994 年與丹麥理工大學(xué)(DTU)合作研制Nessie 系列純水液壓泵、馬達(dá)及其他產(chǎn)品[25-28]。但是距離深海潛水器所要求的還有待進(jìn)一步研究與制造。

中國船舶科學(xué)研究中心針對海水液壓技術(shù)在潛水器上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，指出了包括美國的“ALVIN”號、法國的“NAUTILE”號、日本的“SHINKAI 6500”號、俄羅斯的“MirⅠ”和“MirⅡ”等潛水器中海水液壓技術(shù)的應(yīng)用，主要用于實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與海水泵，而我國“蛟龍?zhí)枴辈捎玫暮Ｋ糜啥砹_斯聯(lián)合生產(chǎn)體研制的最高可達(dá)72 MPa下的流量可達(dá)3 L/min[29，30]。華中科技大學(xué)在國家863計劃支撐下，針對4500 m級深潛器的要求，開展了浮力調(diào)節(jié)超高壓海水泵的研究。在48 MPa時為5.7 L/min容積效率為91%，機(jī)械效率為90%，目前海水液壓技術(shù)在深海潛水器中的應(yīng)用主要包括浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水下作業(yè)工具以及高壓海水泵幾個方面[31，32]。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)是深海潛水器的重要功能部分，華中科技大學(xué)進(jìn)一步對潛水器基于海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行研究，完成一種海水液壓浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計與系統(tǒng)核心部件的研制，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，結(jié)果表明符合設(shè)計要求[33]。

基于水壓技術(shù)由于存在大泄漏和摩擦力，因此穩(wěn)態(tài)誤差與超調(diào)整問題是液壓系統(tǒng)控制有待解決的問題。有學(xué)者針對穩(wěn)態(tài)相應(yīng)以及PID控制方法等展開研究，達(dá)到一定效果[34，35]。有學(xué)者采用小波分析振動與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，對水液壓系統(tǒng)及其元件的故障診斷展開研究[36]。有學(xué)者對水液壓系統(tǒng)中的軸承元件與密封性展開研究，表明承載力與供能壓力以及材料彈性模量都有關(guān)系[37]。有學(xué)者針對元件材料耐磨性特點(diǎn)，對包括金屬、高分子以及復(fù)合材料在內(nèi)的元件材料耐磨性展開研究，提出了陶瓷增韌納米材料[38]。

浙江大學(xué)流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對深海水下液壓環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)問題展開研究，介紹了常用結(jié)構(gòu)與工作原理，指出旋轉(zhuǎn)軸動密封和運(yùn)動軟管老化是影響其長期耐久性服役的兩大核心風(fēng)險問題，在此基礎(chǔ)上，介紹了遠(yuǎn)程液壓源、深海靜壓源兩種目前國外回避上述風(fēng)險的方法，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，并認(rèn)為廉價、長壽命的海水液壓系統(tǒng)，仍然是徹底解決深海水下液壓系統(tǒng)的高風(fēng)險問題的最佳途徑，但在技術(shù)成熟度上尚有一段路要走[39，40]。

3　深海潛水器液壓研究的重點(diǎn)問題

通過上述研究現(xiàn)狀的分析，可見深海潛水器液壓技術(shù)的研究取得了大量的成果。深海潛水器液壓系統(tǒng)一般裝在耐壓殼體的外面, 處于受外壓和有腐蝕的工作環(huán)境，因此有其特殊性要求。無論是基于水壓或是油壓都需要實(shí)現(xiàn)深海潛水器中的如下功能：推進(jìn)系統(tǒng)、作業(yè)裝置與工具(機(jī)械手等)、平衡裝置(可調(diào)壓載浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與縱傾平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng))、應(yīng)急拋載液壓系統(tǒng)。以我國成功研制的“蛟龍?zhí)枴鄙詈撍鳛槔簤合到y(tǒng)采用基于油壓的液壓技術(shù)，大部分系統(tǒng)與元件都來自國外協(xié)助完成?；诤Ｋ簤杭夹g(shù)在“蛟龍”號上還沒有應(yīng)用。因此，基于油壓與水壓的深海潛水器液壓技術(shù)的研究還需要一下幾點(diǎn)內(nèi)容的進(jìn)步與提升：

(1) 適用于全海深的大功率、大流量高壓海水泵、閥及其相關(guān)元件的研制；

(2) 適合深海作業(yè)服役環(huán)境的液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件的研究與制造技術(shù)；

(3) 基于海水液壓技術(shù)及其元件，采用相應(yīng)技術(shù)如何提高其耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞特性等性征；

(4) 超深海作業(yè)深度下，液壓系統(tǒng)滲漏問題有待進(jìn)一步解決；

(5) 由于深海潛水器布局規(guī)劃與尺寸有限，因此如何降低液壓系統(tǒng)與元件的重量、減少尺寸與制造維護(hù)成本是需要研究的問題；

(6) 對于載人潛水器來說，在潛器內(nèi)構(gòu)建基于液壓動力源的小巧型廁所，尚不見文獻(xiàn)研究；

(7) 全海深潛水器液壓系統(tǒng)的密封與壓力補(bǔ)償技術(shù)有待加強(qiáng)。

4　結(jié)論

海洋科技發(fā)展至今，深海潛水器越來越體現(xiàn)出其重要性，而液壓技術(shù)在深海潛水器組成中占有重要地位。首先給出了潛水器設(shè)計過程與功能組成，分析了在深海潛水器中需要液壓技術(shù)的功能模塊，在此基礎(chǔ)上，討論基于油壓與水壓的液壓技術(shù)在潛水器中的應(yīng)用研究狀況，分析了包括潛器液壓推進(jìn)系統(tǒng)、水下作業(yè)工具、機(jī)械手、潛器液壓系統(tǒng)、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及元件、壓力補(bǔ)償器、高壓海水泵、泄漏密封、故障診斷與控制技術(shù)以及材料等方面的研究現(xiàn)狀概況，并總結(jié)了深海潛水器液壓技術(shù)有待進(jìn)一步研究解決的重點(diǎn)問題。為全海深載人潛水器液壓系統(tǒng)設(shè)計、液壓元件研制以及深海工程裝備的研究提供幫助與參考。

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