(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

引言

目前，深海資源開發(fā)對國防科技和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用，這些深海開發(fā)所用設(shè)備的先進(jìn)程度是決定開發(fā)成果的關(guān)鍵因素，而水下電接插件是這些設(shè)備和裝置中最為常見的器件。水下電接插件作為電接插件的一個重要分支，其良好性能是所用設(shè)備正常使用的保障。

水下電接插件包括三大基本性能，即機(jī)械性能、電氣性能和環(huán)境性能[1]。機(jī)械性能，就連接功能而言，插拔力是重要的機(jī)械性能；另一個重要的機(jī)械性能是連接器的機(jī)械壽命。電氣性能， 連接器的主要電氣性能包括接觸電阻、絕緣電阻和抗電強(qiáng)度。環(huán)境性能，常見的環(huán)境性能包括耐壓、耐溫、耐濕、耐鹽霧、振動和沖擊等。對于水下接插件， 隨著水下設(shè)備上浮、下沉、懸浮，外部水壓變化大，要求在壓力劇烈變化的惡劣環(huán)境中密封絕對可靠，并且分離力必須得到保證[2]。

某研究所開發(fā)的水下作業(yè)裝置中有一定制電接插件，設(shè)備檢修時，該接插件需要在深海作業(yè)現(xiàn)場脫開，所以需要對所開發(fā)的電接插件的密封和分離力進(jìn)行測試。如果直接進(jìn)行深海試驗，成本高、周期長， 故一般在實驗室進(jìn)行模擬實際使用工況。在試驗時通常將水下密封裝置安裝在壓力容器中，控制壓力容器容腔內(nèi)的水壓來模擬實際工作環(huán)境中的水壓變化。借鑒文獻(xiàn)[2,3]的思路，開發(fā)了一套模擬水壓環(huán)境的電接插件密封和分離力測試系統(tǒng)。

圖1　測試系統(tǒng)組成

1　測試要求與難點

本研究所提出的密封和分離力測試系統(tǒng)主要是模擬不同水深環(huán)境下，測試該接插件的分離力大小和密封情況。所以，首先被測試件必須被放置在能模擬各種水壓的存水容器中，并且水壓能夠根據(jù)模擬水深來進(jìn)行調(diào)節(jié)；其次測試過程中能夠?qū)υ摻硬寮┘永Π言摻硬寮撻_，并且能夠?qū)崟r測試脫開過程中的分離力。測試的主要難點有：

(1) 測試件必須浸沒在受壓的水環(huán)境中，如何測量接插件的受力是一個難點，并且測試的精度不能受到水壓的影響；

(2) 加載力在水環(huán)境中如何產(chǎn)生，并且不能受到水環(huán)境的影響。采用力傳感器的方式來測試分離力并不可行。因為力傳感器是通過應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來測試，消除水壓對應(yīng)變片的形變影響很難控制，所以文獻(xiàn)[4]中的方案不適合本系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]給出了液壓加載的方式來測試接插件的分離力的方案，但是，其液壓加載裝置和被試件全部放置在水壓模擬裝置中，因此容腔太大，更換測試件時，造成換水周期過長。本研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，減小了水壓模擬裝置的容積，只需放置被測試件，并且提出了通過控制油壓來控制水壓的環(huán)境模擬方式，這樣采用成熟的液壓控制來控制水壓，可以大大提高壓力控制精度。

2　系統(tǒng)組成與測試原理

2.1　系統(tǒng)組成

本研究所提出的測試裝置如圖1所示，該系統(tǒng)包括水壓模擬裝置、油水混合裝置、加載測試系統(tǒng)和水壓控制系統(tǒng)。

水壓模擬裝置主要是一個密封水箱，并有可以安裝接插件的安裝底座，加載油缸伸入到水箱內(nèi)部，油缸活塞桿頭部和接插件用螺紋連接，油缸缸套通過法蘭盤與水箱連接，法蘭盤上裝有O形圈，用于密封。

油水混合裝置是一個4 L皮囊式蓄能器，把原來蓄能器中的氮氣換成水，直接和水箱相連。這個裝置的作用一方面是油水分離，另一方面是在系統(tǒng)中起到壓力傳遞作用。系統(tǒng)中采用該裝置是為了通過控制油壓來對水箱水壓進(jìn)行控制。被控油壓將壓力傳遞給水壓模擬裝置中密封的水，從而達(dá)到控制水壓的目的。當(dāng)該裝置中油壓高于水壓時，皮囊被壓縮，容積減少，水壓升高，直至皮囊中水壓與外部的油壓相等。

水壓控制系統(tǒng)主要是指油壓控制系統(tǒng)，具體原理在2.3部分中介紹，其液壓原理圖如圖2所示。通過控制油壓來實現(xiàn)水壓控制的原因是因為水壓控制系統(tǒng)還不夠成熟，很難保證精度，并且水壓元件對污染極為敏感，容易出現(xiàn)堵塞、卡死等現(xiàn)象[6]。

圖2　水壓控制及拉力加載原理圖

拉力加載系統(tǒng)是由一個對稱液壓缸和接插件用螺紋連接，加載力由液壓系統(tǒng)控制。為了抵消水壓對活塞桿端部D的作用力，在活塞桿的另一頭加裝一個補(bǔ)償罩，補(bǔ)償罩與水箱通過鋼管連接，這樣水壓分別作用在活塞桿的兩端D和D′，從而達(dá)到抵消水壓對活塞桿的作用。

2.2　測試原理

通過液壓泵往活塞桿左腔輸入高壓油，把油缸往右推，通過壓力傳感器G和H(圖1),測試活塞桿兩腔的油液壓力得到油缸對接插件所施加的拉力。需要注意的是，加載時，活塞桿還受到缸筒的摩擦力，黏性阻尼力等，為了保證精度，需要將這一部分去除。

首先測試活塞桿空載摩擦力和阻尼力，如式(1)所示；其次測試油缸對接插件加載時的拉力，如式(2)所示；計算兩者之差即得接插件脫開力，如式(3)所示：

Ff0=(pG0-pH0)S

(1)

式中,pG0為油缸空載時，左腔壓力；pH0為右腔壓力；S為缸筒和活塞桿面積差；Ff0為空載摩擦力。

Ff1=(pG1-pH1)S

(2)

式中,pG1為油缸加載時，左腔壓力；pH1為右腔壓力；Ff1為加載力。

FT=Ff1-Ff0

(3)

式中,FT為所測試的分離力。

2.3　水壓控制

水和油的體積彈性模量都很大，幾乎不可壓縮，其壓力變化和體積變化的關(guān)系如式(4)和式(5)所示：

(4)

式中：Vw為初始狀態(tài)下水體積(包括管路、水箱和補(bǔ)償罩的容積以及油水混合裝置)；ΔVw為水在受壓的狀態(tài)下體積變化量；Δpw為水壓的變化量；Ew為水的體積彈性模量，主要與水所含氣體的量都有關(guān)。

(5)

式中，Vo初始狀態(tài)下油體積(包括管路和油水混合裝置)；ΔVo油在受壓的狀態(tài)下體積變化量；Δpo為油壓的變化量；Eo為油的體積彈性模量，與油中所含氣體的量都有關(guān)。圖1中油和水的初始體積、體積彈性模量都不同，但是壓力變化總是相等，只要控制油水混合裝置中的油量就能控制油壓。

方案所采用的油壓控制原理圖如圖2所示，電機(jī)帶動一雙聯(lián)齒輪泵，左泵向油水混合裝置供液，多余的油液從比例溢流閥A的出口流出至油箱。右泵向加載對稱缸供液，比例溢流閥B用來控制右泵出口壓力。

水壓控制原理圖如圖3所示，PI控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的水壓控制信號pt與壓力容腔內(nèi)的水壓反饋信號pa，經(jīng)PI控制器計算后，得到相應(yīng)的控制電流值I來控制比例溢流閥的預(yù)控制壓力pset，預(yù)控壓力與油水混合裝置中壓差決定了流入該裝置中的油液量，經(jīng)過圖3所示的閉環(huán)控制，最終pset和油壓、水壓達(dá)到平衡，進(jìn)入油水混合裝置中的油液量恒定。

圖3　水壓控制原理圖

水壓控制的關(guān)鍵問題有兩個：

(1) 水箱不能有泄漏，一旦油水混合裝置中的皮囊破裂，油水混合，液壓系統(tǒng)受損。還有水箱不能對外界空氣有泄漏，否則，水會流盡，最后水壓不可控；

(2) 在對接插件施加拉力的時候，活塞桿會向外伸縮，在外伸瞬間，水不再受壓，造成水壓力突然下降較多，然后比例溢流閥重新控制進(jìn)油量而達(dá)到設(shè)定油壓。

雖然水壓能重新穩(wěn)定到設(shè)定壓力，但是在加載瞬間水壓變化很大，這違背了加載測試的試驗條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，提出加載油缸右側(cè)加裝補(bǔ)償罩，并且水箱和補(bǔ)償罩相連，這樣在油缸加載時，活塞桿的動作不會影響水的壓縮量，也不會影響水壓，從而保證試驗條件的準(zhǔn)確性。

3　拉力加載及測試

3.1　測試步驟

(1) 設(shè)備安裝完，首先保證油水混合裝置中和加載油缸中的氣被排出；

(2) 水箱加水，盡量將水箱中的氣排出，否則會影響水的彈性模量，從而影響水壓的飛升速率；

(3) 油泵開啟，控制油壓到設(shè)定壓力，油缸動作，測試左右兩腔壓力得到空載摩擦力；

(4) 卸掉水壓，在水箱中安裝被試件，重新往水箱中注滿水，并排出空氣；

(5) 油泵重新開啟，控制油壓到設(shè)定壓力；

(6) 控制油缸施加拉力，直至被試件脫開，實時記錄數(shù)據(jù)，即得到分離力。

3.2　實驗數(shù)據(jù)

對被試件在10 MPa水壓環(huán)境的分離力和水壓測試數(shù)據(jù)分別如圖4和圖5所示，所測油缸在空載的摩擦力如圖4中實線所示，滑動摩擦力為20 N，剛開始時是靜摩擦力，最大靜摩擦力比滑動摩擦力稍大些。水壓控制曲線在拉力測試之前，先穩(wěn)定到10 MPa，水壓的飛升速率比較快，但是有些超調(diào)。2.8 s開始拉力加載，加載瞬間，拉力增大，如圖4中虛線所示，與此同時，水壓有一點回落，但由于閉環(huán)控制的調(diào)整， 很快重新回升到10 MPa。虛線的峰值去除掉滑動摩擦力，即為所測分離力。

圖4　分離力和摩擦力隨時間的變化

圖5　水壓隨時間的變化

4　結(jié)論

本研究開發(fā)了一套水下大型接插件密封和分離力測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)具有如下特點：

(1) 采用液壓加載和測試，避免拉力傳感器在水下測試的不可行性；

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，將加載液壓缸放置在水箱外面，這樣大大減小了更換被試件的裝放水時間；

(3) 采用控制油壓來控制水壓的方式，提高了水壓力控制精度。通過對被試件在10 MPa水壓情況下分離力測試，試驗數(shù)據(jù)驗證了該水壓模擬和測試方案的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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[6]楊華勇，周華，路甬祥.液壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國機(jī)械工程，2000，11(12)：1430-1433.