楊 翊，朱興華，胡志強(qiáng)，林 揚(yáng)

(中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016)

水下機(jī)器人柴電動(dòng)力系統(tǒng)可靠性研究

楊 翊，朱興華，胡志強(qiáng)，林 揚(yáng)

(中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016)

大型化是未來水下機(jī)器人發(fā)展的重要趨勢(shì)，大排水量水下機(jī)器人多采用柴油機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力源。本研究面向水下機(jī)器人柴電動(dòng)力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中選用單套或雙套柴油機(jī)組技術(shù)方案的問題，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析，對(duì)比單套柴油機(jī)組與雙套柴油機(jī)組在不同工況下的系統(tǒng)可靠度。結(jié)果表明：巡航狀態(tài)下雙套柴油機(jī)組可靠度較單套柴油機(jī)組提高25%以上；高速航行狀態(tài)下雙套柴油機(jī)組可靠度較單套柴油機(jī)組降低最大可達(dá)31.2%；巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半時(shí)，雙套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度與單套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度相同。

水下機(jī)器人；動(dòng)力系統(tǒng)；柴電；柴油機(jī)；可靠性

0 引言

水下機(jī)器人(Unmanned Underwater Vehicles，UUV)是人類認(rèn)識(shí)和開發(fā)海洋不可缺少的工具之一[1]。近年來，水下機(jī)器人的發(fā)展呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢(shì)，大排水量水下機(jī)器人(Large Displacement Unmanned Underwater Vehicle，LDUUV)成為世界水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。為了支撐新型水下機(jī)器人的長期作業(yè)能力，多采用具有較高能量密度和功率密度的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。然而，由于水下機(jī)器人需要在無人干預(yù)的條件下長期工作，且工作環(huán)境比較惡劣，所以對(duì)于其動(dòng)力系統(tǒng)可靠度具有較高要求。本研究結(jié)合水下機(jī)器人柴電動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用中積累的經(jīng)驗(yàn)，面向水下機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中選用單套或雙套柴油機(jī)組技術(shù)方案的問題，針對(duì)水下機(jī)器人使用過程中可能存在的各種工況，對(duì)柴電動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。通過分析得到水下機(jī)器人柴電動(dòng)力系統(tǒng)在各種工況下的可靠度，并通過比較為新型水下機(jī)器人技術(shù)方案的論證提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 發(fā)展趨勢(shì)與問題

美國將超過36 in(0.914 4 m)的大直徑水下機(jī)器人或排水量超過20 000 lb(9.0718 t)的大排水量水下機(jī)器人統(tǒng)稱為LDUUV[2]。大排水量水下機(jī)器人的代表是波音公司正在研制的Echo系列水下機(jī)器人。為了支持大排水量水下機(jī)器人的研究，波音公司分別于2001年和2015年開發(fā)了長約6 m的Echo Ranger和長約10 m的Echo Seeker。2016年，波音公司研發(fā)的Echo Voyager(圖1)完成樣機(jī)試制，該系統(tǒng)長約15 m，重達(dá)50 t，采用柴電混合動(dòng)力，設(shè)計(jì)續(xù)航力達(dá)6個(gè)月或12 000 km[3]。

為支撐新型水下機(jī)器人的長航時(shí)作業(yè)能力，涌現(xiàn)出了燃料電池、半燃料電池、熱機(jī)、斯特林機(jī)等動(dòng)力源技術(shù)[4]。其中，柴油機(jī)能夠以相當(dāng)高的熱效率將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是很有發(fā)展前途的水下機(jī)器人動(dòng)力源[5]，適合應(yīng)用于大排水量水下機(jī)器人。波音公司研發(fā)的Echo Voyager即采用柴油機(jī)作為其動(dòng)力源。

圖1 Echo Voyager大排水量水下機(jī)器人Fig.1 Echo Voyager LDUUV

然而，由于水下機(jī)器人的工作環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度高，時(shí)間長，因此具有較高的可靠度要求[6]。動(dòng)力系統(tǒng)是水下機(jī)器人的重要組成部分，因此具有更加嚴(yán)格的可靠度要求。普通的船用柴油機(jī)對(duì)于日常養(yǎng)護(hù)和維修都有非常具體而細(xì)致的要求，應(yīng)用于大排水量水下機(jī)器人需要應(yīng)對(duì)在無人維護(hù)狀態(tài)下長期工作的問題。并且由于水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)非常緊湊，柴油機(jī)的發(fā)熱和振動(dòng)不僅會(huì)影響動(dòng)力系統(tǒng)的可靠度，還會(huì)降低水下機(jī)器人其他零部件的可靠度[7]。在設(shè)計(jì)過程中，通常采用雙機(jī)并聯(lián)的冗余系統(tǒng)方式(以2套功率為0.5 PkW的柴油機(jī)組并聯(lián)代替1套功率為PkW的柴油機(jī)組)提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠度。然而，由于水下機(jī)器人工作于復(fù)雜惡劣工況之下，環(huán)境等因素對(duì)柴油機(jī)組也會(huì)產(chǎn)生影響；在這種狀況下，并聯(lián)系統(tǒng)會(huì)增加水下機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜度，并進(jìn)一步惡化工作環(huán)境，導(dǎo)致冗余系統(tǒng)可靠度的降低。此外，在高速航行狀態(tài)下，系統(tǒng)要求雙機(jī)全部以最高功率運(yùn)行，2套機(jī)組之間為串聯(lián)關(guān)系，反而會(huì)降低水下機(jī)器人的可靠性。因此，為了對(duì)比單套柴油機(jī)組和雙套柴油機(jī)組的可行性和優(yōu)劣性，需要對(duì)兩種技術(shù)方案進(jìn)行可靠性的分析和對(duì)比。

2 柴電動(dòng)力系統(tǒng)可靠度建模

2.1 系統(tǒng)組成

采用柴油機(jī)組的水下機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、柴油機(jī)組及其控制系統(tǒng)、機(jī)油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)5部分，單套柴油機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成如圖2a所示。巡航狀態(tài)下，可將雙套柴油機(jī)組視為并聯(lián)系統(tǒng)。此時(shí)，單套柴油機(jī)組和雙套柴油機(jī)組所涉及的區(qū)別主要在于機(jī)組及其控制系統(tǒng)、機(jī)油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)3個(gè)方面。在進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)方面，單套柴油機(jī)組和雙套柴油機(jī)組兩套方案并不會(huì)改變相關(guān)分系統(tǒng)的組成。雙套柴油機(jī)組并聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成如圖2b所示。

圖2 單機(jī)和雙機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.2 Single engine and double engine system

機(jī)組及其控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3a所示，將柴油機(jī)視為一個(gè)整體組件，與柴油機(jī)控制器共同構(gòu)成柴油機(jī)部分；電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)控制器共同構(gòu)成一個(gè)部分。機(jī)油供給系統(tǒng)包括機(jī)油預(yù)供泵和管路(圖3b)。柴油機(jī)組的冷卻系統(tǒng)組成如圖3c所示，包括泵、流量計(jì)、球閥、溫度計(jì)和管路。由于進(jìn)排氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)并不會(huì)因單套和雙套柴油機(jī)組而發(fā)生變化，因此在分析過程中將二者各視為一個(gè)整體。

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 System diagram

將各分系統(tǒng)的組成帶入單套和雙套柴油機(jī)組系統(tǒng)中。單套柴油機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)的詳細(xì)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。巡航狀態(tài)下雙套柴油機(jī)組并聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)如圖5a所示；在高速航行狀態(tài)下，由于雙柴油機(jī)組滿功率工作，要求2套柴油機(jī)組必須同時(shí)可靠工作，則2套柴油機(jī)組由并聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)換為串聯(lián)關(guān)系，如圖5b所示。

圖4 單機(jī)系統(tǒng)模型Fig.4 Single engine system model

2.2 可靠性建模

根據(jù)圖中柴油機(jī)組的系統(tǒng)構(gòu)成模型，建立柴電動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性模型。設(shè)進(jìn)排氣系統(tǒng)可靠度為R1，機(jī)組及其控制系統(tǒng)可靠度為R2，機(jī)油供給系統(tǒng)可靠度為R3，冷卻系統(tǒng)可靠度為R4，燃油系統(tǒng)可靠度為R5。

設(shè)柴油機(jī)可靠度為R21，柴油機(jī)控制器可靠度為R22，發(fā)電機(jī)可靠度為R23，發(fā)電機(jī)控制器可靠度為R24。設(shè)機(jī)油預(yù)供泵管路為R31，機(jī)油管路為R32。設(shè)泵可靠度為R41，流量計(jì)可靠度為R42，球閥可靠度為R43，溫度計(jì)可靠度為R44，管路可靠度R45。則單套柴油機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖6a所示，巡航狀態(tài)下雙套柴油機(jī)組并聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖6b所示。

在工程應(yīng)用中，通?？梢詫⑾到y(tǒng)可靠度與各單元可靠度的關(guān)系保守地考慮為極端載荷下的可靠度(即可能出現(xiàn)的最惡劣載荷代替載荷隨機(jī)變量，這時(shí)組件之間沒有失效相關(guān)性)[8]。此時(shí)，單機(jī)系統(tǒng)和雙機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度可通過式(1)、式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

然而，雙套柴油機(jī)組可能會(huì)造成進(jìn)排氣量、載體內(nèi)部振動(dòng)和溫度發(fā)生變化，進(jìn)而造成系統(tǒng)的環(huán)境發(fā)生變化。進(jìn)排氣量增加會(huì)造成進(jìn)排氣系統(tǒng)可

圖5 雙機(jī)系統(tǒng)模型Fig.5 Double engine system model

圖6 系統(tǒng)模型Fig.6 System model

靠度降低，振動(dòng)加大會(huì)造成系統(tǒng)連接處更容易松動(dòng)、結(jié)構(gòu)件更容易發(fā)生疲勞失效，溫度升高會(huì)降低電子元器件、密封件等零部件的壽命[9-10]。在計(jì)算時(shí)通過加乘系數(shù)來表述此類影響。設(shè)進(jìn)氣量變化對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)造成的影響因子為β1，振動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響因子為β2，溫度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響因子為β3。則雙柴油機(jī)組并聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)可靠度為

(3)

雙套柴油機(jī)組還可能有另一種交替運(yùn)行的使用方法，既先開啟一套柴油機(jī)組，另一套機(jī)組作為備份。例如一套柴油機(jī)組出現(xiàn)故障，則可開啟備用柴油機(jī)組，以此達(dá)到提高系統(tǒng)可靠度的目的。但是，備用柴油機(jī)組很可能會(huì)受到另一臺(tái)柴油機(jī)組運(yùn)行的影響，導(dǎo)致其自身可靠度下降。設(shè)在交替運(yùn)行狀態(tài)下一套柴油機(jī)組對(duì)另一套柴油機(jī)組的影響為γ，則在這種狀況下雙套柴油機(jī)組并聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)可靠度可表達(dá)為

(4)

最后，根據(jù)圖5b可建立高速航行狀態(tài)下雙柴油機(jī)組串聯(lián)的動(dòng)力系統(tǒng)可靠性模型，如圖7所示。此時(shí)的系統(tǒng)可靠度、考慮環(huán)境影響的動(dòng)力系統(tǒng)可靠度分別為

(5)

(6)

3 可靠度計(jì)算

3.1 可靠度數(shù)據(jù)估計(jì)

由于缺乏柴電動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)組部件的可靠性數(shù)據(jù)，同時(shí)因?yàn)楸狙芯康姆治鲋貙?duì)單套和雙套柴油機(jī)組可靠性的對(duì)比，而不強(qiáng)調(diào)計(jì)算出每套柴油機(jī)組可靠度的準(zhǔn)確性，因此，通過初步的估計(jì)給出各組部件的可靠度，同時(shí)假設(shè)組部件的可靠度不會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行功率的改變而改變。通過將組部件按照產(chǎn)品類型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及使用經(jīng)驗(yàn)等因素劃分為3類，即可靠度高、可靠度較高、可靠度一般，并分別賦予對(duì)應(yīng)的可靠度數(shù)值，如表1所示。

圖7 高速狀態(tài)下雙機(jī)系統(tǒng)模型Fig.7 Double engine system model under high speed表1 柴油機(jī)組組部件可靠度估計(jì)Table 1 Reliability evaluation

DescriptionsReliabilityPartsIndicatorsHighreliability0．99PumpsR41FlowmetersR42ThermometersR44Relativelyhighreliability0．97ElectricgeneratorsR23BallvalvesR43PipelinesR45EngineoilpumpsR31EngineoilpipelinesR32Regularreliability0．95FuelsystemR1DieselenginesR21EnginecontrollersR22GeneratorcontrollersR24AirsupplysystemR5

3.2 可靠度計(jì)算

將表1中數(shù)值帶入式(1)中可得單柴油機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)可靠度為Rs1=0.64。

將以上數(shù)值帶入式(2)中可得巡航狀態(tài)下雙柴油機(jī)機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)可靠度Rs2=0.83。

在雙套柴油機(jī)組交替運(yùn)行情況下，設(shè)一臺(tái)柴油機(jī)組對(duì)另一套柴油機(jī)組的可靠度影響因子為γ=0.95。將以上數(shù)據(jù)帶入式(4)中可得動(dòng)力系統(tǒng)可靠度為Rs3=0.82。

經(jīng)初步分析，單柴油機(jī)組和雙柴油機(jī)組的可靠度數(shù)值及其對(duì)比如表2所示。通過分析可知，在水下機(jī)器人巡航狀態(tài)下，雙柴油機(jī)組確實(shí)可以顯著提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠度，至少可以提高25%以上的可靠度。然而，如果要求系統(tǒng)高速航行，必須實(shí)現(xiàn)滿功率運(yùn)行，則由于雙柴油機(jī)組增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，會(huì)大幅降低系統(tǒng)的可靠度，最大可能會(huì)使系統(tǒng)的可靠度下降31.2%。

表2 單雙柴油機(jī)組可靠度對(duì)比

4 混合工況下雙機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)可靠度分析

通過以上分析可得到單套柴油機(jī)組的可靠度、雙套柴油機(jī)組在巡航和高速航行等工況下的系統(tǒng)可靠度。為了進(jìn)一步了解雙套柴油機(jī)組在包括高速航行狀態(tài)和巡航狀態(tài)的混合工況下對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響，需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

4.1 可靠度模型

對(duì)于雙套柴油機(jī)組，在混合工況下，巡航狀態(tài)下兩套機(jī)組可視為并聯(lián)關(guān)系，此時(shí)系統(tǒng)可靠度為Rs2；高速航行狀態(tài)下兩套機(jī)組可視為串聯(lián)關(guān)系，此時(shí)系統(tǒng)可靠度為Rs4。設(shè)大排水量水下機(jī)器人的航行總時(shí)長為t0，在巡航狀態(tài)下航行時(shí)間為t1，則在高速航行狀態(tài)下航行時(shí)間為t2=t0-t1。

為了簡化分析過程，設(shè)機(jī)組的故障率為常數(shù)，既故障率不會(huì)隨工作時(shí)間而變化，機(jī)組的條件可靠度也與時(shí)間t無關(guān)。設(shè)雙機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)的故障概率函數(shù)fs1(t)和雙機(jī)組串聯(lián)系統(tǒng)的故障概率函數(shù)fs2(t)，則在混合工況航行條件下，水下機(jī)器人柴電動(dòng)力系統(tǒng)的故障率為

(7)

則柴電動(dòng)力系統(tǒng)在混合工況下的系統(tǒng)可靠度R0(t)為

(8)

由于系統(tǒng)的故障概率函數(shù)未知，在工程應(yīng)用中可通過簡化計(jì)算得到柴電動(dòng)力系統(tǒng)可靠度。

(9)

通過式(9)可以在工程中比較簡單地估計(jì)混合工況下雙柴油機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)可靠度。

4.2 可靠度計(jì)算

不考慮環(huán)境對(duì)雙套機(jī)組的影響，將Rs2=0.83、Rs4=0.46帶入式(9)中，取t1為0～t0范圍內(nèi)的一個(gè)數(shù)，則系統(tǒng)可靠度Rs0的數(shù)值范圍如圖8所示。水下機(jī)器人巡航狀態(tài)占整個(gè)工作流程的百分比對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可靠度Rs0數(shù)值如表3所示。

表3 系統(tǒng)可靠度Rs0

表4 系統(tǒng)可靠度

圖8 系統(tǒng)可靠度變化曲線Fig.8 System Reliability Variety

通過以上分析可知，在理想狀況下，巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半(t1/t0=50%)時(shí)，雙套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度與單套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度相同(Rs0=Rs1)。當(dāng)巡航狀態(tài)大于全部工作流程50%時(shí)，雙套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度Rs0大于單套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度Rs1。

5 結(jié)論

1)在巡航狀態(tài)下，雙柴油機(jī)組確實(shí)可以顯著提高動(dòng)力系統(tǒng)的可靠度，至少可以提高25%以上的可靠度。然而，如果要求高速航行，則由于雙柴油機(jī)組增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，會(huì)大幅降低系統(tǒng)的可靠度，最大可能會(huì)使動(dòng)力系統(tǒng)的可靠度下降31.2%。

2)若雙套柴油機(jī)組需要在巡航狀態(tài)和高速航行狀態(tài)下交替運(yùn)行，則巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半(t1/t0=50%)時(shí)，雙套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度與單套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度相同。當(dāng)巡航狀態(tài)大于全部工作流程50%時(shí)，雙套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度大于單套機(jī)組的系統(tǒng)可靠度。

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Reliability Studies for Diesel-Electric Dynamic System ofUnmanned Underwater Vehicles

YANG Yi，ZHU Xing-hua，HU Zhi-qiang，LIN Yang

(StateKeyLaboratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China)

Unmanned underwater vehicles will develop towards large displacement. And large-displacement unmanned underwater vehicles (LDUUV) usually use diesel engines for power supply. In order to solve the problem of choice between single and double diesel engines in the design process, the system reliabilities under different working conditions were analyzed and compared in this paper. The following conclusions were drawn: 1) the reliability of double diesel engine systems is 25% higher than single engine systems under the cruising speed; 2) the reliability of double diesel engine systems can be 31.2% lower than single engine systems under the highest speed; 3) when the states of the cruising speed and the highest speed take the same time in the working process, the reliability of double diesel engine systems equals the single engine systems.

unmanned underwater vehicle; dynamic system; diesel-electric; diesel engine; reliability

2017年1月16日

2017年3月28日

中國科學(xué)院科技創(chuàng)新重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KGFZD-125-014)

楊翊(1987年-)，男，碩士，主要從事水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水下機(jī)器人總體技術(shù)等方面的研究。

TP202.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.004

1673-6214(2017)02-0087-07