宋滿存 李國強(qiáng) 朱熠 田冠枝 張令程 王智慧

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076∥航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

水下無人系統(tǒng)通過無人潛航器、水下預(yù)置平臺等實(shí)現(xiàn)情報(bào)、偵查、作戰(zhàn)、支援等功能[1]，是現(xiàn)代海軍裝備發(fā)展的重要方向。近年來，美國國防部門陸續(xù)通過路線圖或規(guī)劃綱要等形式闡述了水下無人系統(tǒng)的發(fā)展方略，對維持美國水下軍事優(yōu)勢提出了重要建議[2- 3]。無人潛航器是水下無人系統(tǒng)最重要的發(fā)展方向之一，目前世界上的無人潛航器已達(dá)數(shù)百種，如美國的REMUS系列和Knifefish系列潛航器、挪威的HUGIN潛航器等，它們不僅在商用上比較成功，而且已經(jīng)形成了比較著名的軍用系列產(chǎn)品[4]。

無人潛航器的發(fā)展涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，如能源技術(shù)、動力技術(shù)、傳感技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)等[5- 6]。浮力調(diào)節(jié)裝置是無人潛航器重要的組成部分，可用于潛航器的浮力變化補(bǔ)償或姿態(tài)調(diào)整，使其節(jié)能地實(shí)現(xiàn)上浮、下潛或懸停等功能[7]。浮力調(diào)節(jié)裝置按照調(diào)節(jié)方式可分為可調(diào)壓載式和可變體積式兩種[8]，其中可調(diào)壓載式浮力調(diào)節(jié)裝置通過改變自重來調(diào)節(jié)凈浮力的大小，調(diào)節(jié)范圍大，精度相對較低，多用于大型深水裝備，如美國的新一代“ALVIN”號潛水器、日本的Shinkai 6500深潛器等[9- 10]?？勺凅w積式浮力調(diào)節(jié)裝置通過改變自身體積來調(diào)節(jié)浮力的大小，一般采用可變形油囊、活塞或氣囊來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍相對較小，但精度較高，多用于中小型無人潛航器[11]。日本研制的“URASHIMA”水下機(jī)器人采用油囊式體積調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)能力為60 L[12- 13]；浙江大學(xué)研制的水下滑翔機(jī)用油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體積調(diào)節(jié)范圍為±200 mL，精度可達(dá)1 mL[14]；華中科技大學(xué)研制的油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可調(diào)范圍為15 L，最大深度為300 m[15]。

油囊式體積調(diào)節(jié)浮力系統(tǒng)通常存在大容積與高精度之間的矛盾，而且，如何對油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行合理可靠的增壓以便于油泵吸油，也是一個(gè)普遍存在的難題，需要開展深入細(xì)致的研究與設(shè)計(jì)。文中針對以上問題展開研究，以期獲得一種容積大、精度高、可靠性好的體積式浮力調(diào)節(jié)裝置。

1 設(shè)計(jì)方案

本研究的目的是為水下潛航器設(shè)計(jì)一款大容積、高精度的液壓油容積式浮力調(diào)節(jié)裝置，要求實(shí)現(xiàn)0～80 L浮力連續(xù)可調(diào)，最小調(diào)節(jié)步長為1 L，綜合調(diào)節(jié)精度不低于0.5%FS(即最大誤差不超過0.4 L)。

該浮力調(diào)節(jié)裝置的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，圖中省略了實(shí)際方案中的過濾器、安全閥、減壓閥、控制驅(qū)動器、傳感器等必要元件，僅保留了與文中研究內(nèi)容密切相關(guān)的系統(tǒng)組成部分，以便于進(jìn)行介紹。

圖1 浮力調(diào)節(jié)裝置示意圖

如圖1所示，通過電機(jī)帶動雙向齒輪泵轉(zhuǎn)動，可以實(shí)現(xiàn)液壓油在油箱和油囊之間的轉(zhuǎn)移(工作期間需打開電磁開關(guān)閥)。整個(gè)裝置的質(zhì)量保持不變，但由于油囊為軟體結(jié)構(gòu)，當(dāng)囊內(nèi)液壓油容積增加時(shí)體積變大，導(dǎo)致整個(gè)裝置在水下的排水量增大，故而浮力增加，反之則浮力減小。因此在實(shí)際控制中以油囊中液壓油的容積作為浮力控制值，油囊內(nèi)的液壓油容積從0 L連續(xù)變化到80 L，即記錄浮力調(diào)節(jié)值從0 L連續(xù)變化到80 L。

齒輪泵在入口端需要具有一定的壓力才有利于吸油，油囊側(cè)在水下可接受外部水壓提供的壓力，但油箱側(cè)需要裝置結(jié)構(gòu)本身對液壓油提供持續(xù)的預(yù)增壓力。同時(shí)考慮到本研究中浮力調(diào)節(jié)裝置的大容積、高精度要求，油箱設(shè)計(jì)中采用了多級缸活塞式結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。油箱為圓柱形并內(nèi)置活塞，在活塞中部穿過一個(gè)空心中心桿，既用于支撐活塞，也用于安裝位移傳感器以提供高精度的活塞位置信號[16]；中心桿外依次可展開(如圖2(a)所示)或收縮(如圖2(b)所示)5級截面積不同的缸筒，即多級缸，每級多級缸內(nèi)與中心桿外圓之間可承載部分液壓油，此部分液壓油用于為活塞前端的油箱內(nèi)的液壓油增壓；結(jié)構(gòu)具有可靠的密封設(shè)計(jì)，確?；钊昂蟾髑惑w之間的密封隔絕。

(a)多級缸展開時(shí)

(b)多級缸收縮時(shí)

從圖1和圖2可知，通過位移傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控活塞的位置，同時(shí)通過調(diào)節(jié)油箱內(nèi)徑參數(shù)，即可精確地求得從油箱中流出(或流入)的液壓油的容積。從油箱中流出(或流入)的液壓油大部分流入(或流出)油囊用于浮力調(diào)節(jié)，另有小部分流入(或流出)多級缸內(nèi)用于自增壓，且由于文中裝置采用靜壓方案，管路中為真空滿油狀態(tài)，不會引進(jìn)容積誤差，故解算浮力調(diào)節(jié)過程中多級缸內(nèi)液壓油的容積，并與油箱內(nèi)液壓油的容積求差值，即可得到該裝置的容積浮力變化值。另外，分析多級缸液壓油解算可能引起的誤差，即可實(shí)現(xiàn)對該裝置精度的分析。

2 精度分析

2.1 計(jì)算模型

設(shè)油箱內(nèi)徑的截面積為S0，活塞的總行程為l0，則總的容積浮力調(diào)節(jié)范圍滿足式(1)：

S0l0≥0.08 m3

(1)

同時(shí)，將缸徑由大到小的5級缸筒分別命名為缸1，2，…，5，對應(yīng)的內(nèi)徑截面積分別為S1，S2，…，S5，伸縮行程分別為l1，l2，…，l5，則有

S1>S2>S3>S4>S5

(2)

l1+l2+l3+l4+l5=l0

(3)

為了滿足多級缸筒之間的結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)，實(shí)際上從l1至l5，長度會略有減小。在圖2中，將活塞位于油箱最后端的位置點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)A，此時(shí)液壓油全部在油箱中，容積浮力為0；同時(shí)將完整行程為l0即容積浮力為(或超過)80 L時(shí)的位置點(diǎn)設(shè)為B，此時(shí)液壓油大部分在油囊中，少部分在多級缸中。假定浮力增加時(shí)多級缸筒的伸出順序依次為粗缸筒先伸出直至全部伸出，然后是次粗缸筒，以此類推直至最細(xì)缸筒，而浮力減少時(shí)缸筒的縮回順序?yàn)橛杉?xì)到粗；這樣整個(gè)行程過程中，多級缸內(nèi)的液壓油容積將可以通過分段函數(shù)的關(guān)系得到唯一確定值，便于整個(gè)浮力調(diào)節(jié)裝置的控制計(jì)算。這樣的假設(shè)是有一定合理性的——在忽略多級缸筒及密封結(jié)構(gòu)之間的加工松緊誤差的情況下，浮力增加時(shí)，粗缸筒在同等液壓壓強(qiáng)下可提供更大的增壓壓力，進(jìn)而推動活塞，故易于伸出；浮力減少時(shí)，細(xì)缸筒在同等液壓壓強(qiáng)下用于抵抗活塞前端液壓油壓力的能力更弱，故易于縮回。

在上述假設(shè)與分析的前提下，將活塞從A到B的總行程l0以點(diǎn)C、D、E、F依次分為5段(如圖2所示)，則行程滿足式(4)：

(4)

綜上所述，基于本模型結(jié)構(gòu)及假設(shè)得到的容積浮力V與行程l之間的分段函數(shù)表達(dá)式為

(5)

2.2 參數(shù)代入與精度分析

文中所設(shè)計(jì)的浮力調(diào)節(jié)裝置的油箱結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

基于式(5)和表1中的參數(shù)值，可以繪制出文中浮力調(diào)節(jié)裝置在任意行程l處的容積浮力V的曲線。同時(shí)可以簡單分析得知，若多級缸筒在實(shí)際使用過程中不按照假設(shè)的方式進(jìn)行伸縮，則按此曲線求解得到的浮力值將引起精度誤差，且當(dāng)多級缸筒恰與假設(shè)方式完全相反地進(jìn)行伸縮時(shí)，在行程中某點(diǎn)處將會引起最大的誤差。因此，將此兩種完全相反的多級缸筒伸縮形式分別解算并繪制曲線，可找到最大可能的誤差點(diǎn)與誤差值，并可依此擬合出精度更高的浮力調(diào)節(jié)控制曲線及其公式。

表1 油箱結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3為將參數(shù)分別代入后繪制出的浮力調(diào)節(jié)曲線(為方便描述，容積單位換算為L)，其中“按假設(shè)”的浮力變化曲線和“反假設(shè)”的浮力變化曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為0 L和80.07 L，兩條曲線的差異即體現(xiàn)了此浮力調(diào)節(jié)裝置的最大精度誤差。從2條曲線的特征來看：“按假設(shè)”的浮力變化曲線在全行程中的浮力解算值均小于“反假設(shè)”的浮力變化曲線；“按假設(shè)”的5段直線的斜率是由小到大，而“反假設(shè)”的5段直線的斜率是由大到小。因此，當(dāng)浮力解算差值最大范圍處于圖3中的點(diǎn)D和點(diǎn)D′之間，即行程在0.449～0.602 m之間時(shí)，可求得此時(shí)兩者差值為2.58 L，此即為此浮力調(diào)節(jié)裝置在最大可能誤差區(qū)間DD′段的最大可能誤差范圍，且這一誤差的產(chǎn)生只有當(dāng)活塞運(yùn)動到此區(qū)間，浮力解算方法與實(shí)際伸縮特性完全按兩種極端情況發(fā)生時(shí)才可能出現(xiàn)。

圖3 浮力調(diào)節(jié)曲線圖

3 模型優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際上，根據(jù)前文的分析，多級缸的伸縮特性大概率趨向于“按假設(shè)”的規(guī)律。為了進(jìn)一步優(yōu)化浮力解算方法以提高浮力調(diào)節(jié)裝置的精度，文中在設(shè)計(jì)開發(fā)的浮力調(diào)節(jié)裝置樣機(jī)上開展了試驗(yàn)研究。圖5為試驗(yàn)原理圖，將浮力調(diào)節(jié)裝置樣機(jī)吊裝并懸置于水槽中(確保全部沒入水中)，吊帶上安裝吊秤(精度為0.1 kg)來監(jiān)控樣機(jī)在水中的質(zhì)量，液壓油可以通過雙向齒輪泵在油箱和油囊之間調(diào)節(jié)。由于油囊的體積變化會引起樣機(jī)浮力的變化，進(jìn)而改變吊秤的數(shù)值，吊秤數(shù)值變化與油囊容積變化的比例為1 kg：1 L，因此后文仍以容積(單位為L)作為浮力變化的評價(jià)指標(biāo)。圖6為浮力試驗(yàn)的實(shí)物圖，可通過此試驗(yàn)驗(yàn)證浮力調(diào)節(jié)裝置的精度。

圖5 浮力試驗(yàn)原理示意圖

圖6 樣機(jī)浮力試驗(yàn)照片

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，文中浮力調(diào)節(jié)裝置可以輕松滿足0～80 L的連續(xù)可調(diào)要求和1 L的最小調(diào)節(jié)步長要求，在多級缸充分磨合后，對精度進(jìn)行多次試驗(yàn)得到的典型試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2中可知，隨著多級缸的反復(fù)磨合，浮力精度特性(即多級缸伸縮特性)的確是趨向于“按假設(shè)”的規(guī)律，且平均值的精度誤差也已經(jīng)滿足0.4 L的要求。但由于“按假設(shè)”分段模型是全行程浮力變化曲線的下限(從圖3可知)，因此實(shí)際浮力變化的誤差全為負(fù)值(如表2所示)。為了更好地利用精度范圍并繼續(xù)提升浮力調(diào)節(jié)裝置的精度，進(jìn)一步將浮力解算分段曲線在交界點(diǎn)C、D、E、F處進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整的原則是浮力模型值上升最大量不超過0.4 L(即不會引進(jìn)超出精度要求的誤差)，最終調(diào)整的方法為在此4點(diǎn)處分別求解“按假設(shè)”和“反假設(shè)”的誤差值，并取此誤差值的15%增加給原“按假設(shè)”解算得到的浮力值，即可近似認(rèn)為在85%的置信度下多級缸是“按假設(shè)”進(jìn)行伸縮的。15%的浮力加成使得即使在最大可能誤差2.58 L處，引進(jìn)的偏差也僅為0.39 L(不超過0.4 L)，因此，浮力調(diào)節(jié)裝置的精度容錯(cuò)度也大幅提高。

表2 典型試驗(yàn)結(jié)果

(6)

將式(6)代入表2中的行程點(diǎn)，可知浮力調(diào)節(jié)裝置的平均誤差從-0.17 L減小到0.05 L，精度水平進(jìn)一步提高，完全滿足綜合調(diào)節(jié)精度0.5%FS的要求。

4 結(jié)語

文中基于5級缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款大容積、高精度的水下潛航器用液壓油容積式浮力調(diào)節(jié)裝置，并進(jìn)行了精度分析。該多級缸活塞結(jié)構(gòu)既便于安裝位移傳感器以提供高精度的活塞位置信號，又可為油箱提供自增壓，在液壓原理與結(jié)構(gòu)上適合作為大容積浮力調(diào)節(jié)裝置的方案，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)0～80 L浮力連續(xù)可調(diào)，最小調(diào)節(jié)步長為1 L。

文中分析并建立了多級缸“粗缸筒先伸，細(xì)缸筒先縮”的伸縮特性假設(shè)，并基于此建立容積浮力分段解算模型，通過“反假設(shè)”的情況分析裝置的誤差范圍，最大可能誤差為2.58 L。

通過浮力調(diào)節(jié)樣機(jī)的研制與試驗(yàn)，驗(yàn)證了多級缸在磨合后趨于“粗缸筒先伸，細(xì)缸筒先縮”的伸縮特性假設(shè)?；谠囼?yàn)結(jié)果和精度要求進(jìn)一步對浮力解算方法進(jìn)行了優(yōu)化，在提高精度的基礎(chǔ)上提升了精度容錯(cuò)度，綜合調(diào)節(jié)精度完全滿足0.5%FS的要求。