一種深海水下機器人補償器的設(shè)計與仿真分析

0壓力適應(yīng)型補償技術(shù)現(xiàn)在，隨著人類對海洋資源的進一步探索和中國海上調(diào)查和監(jiān)測，從淺海到深海，對海洋機器人的應(yīng)用深度和可靠性的要求也越來越高?？紤]到作業(yè)環(huán)境惡劣和水下能源供給有限,深海水下機器人一般都采用液壓為動力源,而對電液控制系統(tǒng)來說,如果不采用壓力補償技術(shù)會帶來一系列的問題:一方面對密封有很高的要求,一點海水的滲漏都有可能導(dǎo)致執(zhí)行部件甚至整個系統(tǒng)的毀滅,而且隨著工作水深的提高,各元件將逐步承受由內(nèi)壓到外壓的變化,這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計將變得復(fù)雜;另一方面,對于傳統(tǒng)的用耐壓殼體包裹電液驅(qū)動裝備和控制系統(tǒng)后再驅(qū)動執(zhí)行器件的方式,其笨重的耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計也直接影響到系統(tǒng)本體重量,進而影響到能源動力、工作效率、系統(tǒng)可維護性和可靠性等一系列問題。因此,對深海水下機器人來說,采用壓力適應(yīng)型補償技術(shù),不僅可以使執(zhí)行系統(tǒng)避免特殊的抗壓設(shè)計和笨重的耐壓殼體,而且能很好地隔絕外界水環(huán)境對電液系統(tǒng)的滲漏污染。水下工作的電液系統(tǒng)采用補償器,不僅可以用于補償系統(tǒng)工作時執(zhí)行器所需流量和油液因本身的彈性變形、溫度等引起的流量變化,還可以對系統(tǒng)進行自動環(huán)境壓力補償,從而防止水對系統(tǒng)的內(nèi)侵及保證執(zhí)行器的可靠、安全工作。常用的補償器有皮囊式、金屬薄膜式和波紋管式等類型。這幾種補償器的共同特點是具有一個彈性外殼,當外界水壓力作用于補償器時,外殼會產(chǎn)生一定的彈性變形,并將該壓力傳遞給內(nèi)部充滿的補償油液,基于液壓油的不可壓縮性,則內(nèi)部的補償壓力將等于外界的環(huán)境壓力。因此,針對深海水下機器人需要解決的兩個主要問題是:①密封問題;②隨著工作水深的不同,系統(tǒng)所承受的外界環(huán)境壓力也會不斷變換的問題。本研究提出一種可以應(yīng)用于水下6000m的深海壓力適應(yīng)型水下機器人的彈簧活塞式壓力補償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。1壓力補償器的設(shè)計深海水下機器人使用的補償器不僅需要根據(jù)系統(tǒng)不同下潛深度來自動平衡內(nèi)外壓力,實時補償因不同外界環(huán)境壓力引起的內(nèi)部補償油液體積變化,而且考慮到執(zhí)行系統(tǒng)的安全可靠性,還需要始終保持系統(tǒng)內(nèi)壓略高于外部工作水深壓力。因此本研究提出一種彈簧活塞式的壓力補償器設(shè)計結(jié)構(gòu),該補償器采用非彈性外殼,其內(nèi)部由一個帶有彈簧的活塞分為兩腔,如圖1所示。一腔內(nèi)為壓力補償油,另一腔則直接通向外界海水環(huán)境。因此,外界環(huán)境的水壓力可以通過活塞直接傳遞給另一腔的壓力補償油,而活塞運動后帶動安裝在活塞軸上的彈簧產(chǎn)生一個反力,則可以實現(xiàn)內(nèi)部的補償油液壓力始終比外界環(huán)境壓力略高,防止外部水的滲入或元件泄漏。該補償器結(jié)構(gòu)比較簡單可靠,而且內(nèi)部補償壓力與外界環(huán)境水壓僅相差一個不大的彈簧反力,所以對補償器自身的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求可以大大降低并簡化。加裝了補償器后,再把電機、泵等都集成在油箱里,而電液控制閥組等則浸入與閥箱相連通的回油腔中(如圖2所示)。由此可見,一方面泵的輸出壓力可以完全用于執(zhí)行器的驅(qū)動,而不必浪費在抵消外界水壓上,實現(xiàn)了節(jié)能;另一方面,對于供油管路和各電液執(zhí)行器件,其工作壓力也始終高于外界環(huán)境壓力,只需考慮內(nèi)部油液的外泄漏,而不必擔心外界水的內(nèi)滲,于是不僅保證了油液和執(zhí)行器的安全性和可靠性,也大大降低了對抗壓密封的設(shè)計要求。綜上所述,該補償器的設(shè)計需要在確保壓力補償器儲存油液流量足夠的前提下進行,保證在不同水深工作條件下系統(tǒng)內(nèi)壓始終略高于外界環(huán)境壓力;同時,當執(zhí)行系統(tǒng)工作時,如果補償器不能及時補油,則有可能會產(chǎn)生短時的系統(tǒng)內(nèi)壓小于環(huán)境水壓的情況,從而會產(chǎn)生外界環(huán)境水內(nèi)侵系統(tǒng)的嚴重情況,并將可能導(dǎo)致整個電液系統(tǒng)的毀壞。因此,該補償器還要有較好的動態(tài)工作特性。2補償器工作腔未來設(shè)計的思路相對于陸上的一般補償系統(tǒng),用于深海壓力適應(yīng)型水下機器人的補償器容積的確定,還需要額外考慮油液隨壓力變化而產(chǎn)生的純工作液體的體積變化:ΔVY(Y)=βVYPJ=a+2bPJ1+aPJ+bP2JVYPJ(1)ΔVY(Y)=βVYΡJ=a+2bΡJ1+aΡJ+bΡJ2VYΡJ(1)式中β—相對體積壓縮系數(shù);a,b—經(jīng)驗常數(shù),對礦物油,a=6.13×10-4,b=1115×10-9;VY—液體系統(tǒng)的體積,m3;PJ—系統(tǒng)最大工作靜水壓力,MPa。另外,當下潛深度很大時,隨壓力變化而產(chǎn)生的氣體體積變化基本可以忽略。因此,補償器的工作容積應(yīng)滿足:VB≥ΔVY(Y)+ΔVY(W)+ΔVQ(W)+ΔVL+ΔVG+ΔVBG(2)式中VB—補償器工作容積,m3;ΔVY(W)—隨溫度變化而產(chǎn)生的純工作液體的體積變化,m3;ΔVY(W)=αΔtVY,其中:Δt—溫度變化,℃;α—體膨脹溫度系數(shù),對一般油,α=5.8×10-4～9.5×10-4;ΔVQ(W)—隨溫度變化而產(chǎn)生的氣體體積變化,m3;ΔVQ(W)=VYKX,其中:KX—氣液系數(shù),一般取3～6%;ΔVL—48小時內(nèi)液體系統(tǒng)的泄漏,m3;ΔVG—系統(tǒng)工作時所需補償?shù)捏w積(如單出桿油缸的體積變化),m3;ΔVBG—隨壓力與溫度變化而產(chǎn)生的補償器工作容積的變化,m3;在補償器與液體系統(tǒng)中為均勻液體條件下,此變化值為:ΔVBG=VBC=VB∑ΔV/VY(3)式中C—補償體積變化系數(shù);∑ΔV—系統(tǒng)中被補償?shù)墓ぷ饕后w的體積,∑ΔV=βVYPJ+αΔtVY+ΔVQ(W)+ΔVL+ΔVG。如果液體系統(tǒng)總體積為35L,工作時最大靜水壓力60MPa,執(zhí)行器工作時所需補償?shù)捏w積為0.5L,則可以計算得到系統(tǒng)所需的補償容積為5L。因此,設(shè)計補償器工作腔內(nèi)徑為200mm;彈簧剛度為50N/mm,考慮到彈簧工作時的穩(wěn)定性,工作行程不宜過大,設(shè)計其最大工作行程為100mm;則單個補償器的補償容積為3L,可以使用兩個補償器同時工作,以滿足該系統(tǒng)所需的補償容積要求。3賠償維修技術(shù)的性能分析和模擬研究3.1系統(tǒng)壓力補償補償器工作時,其內(nèi)部靜態(tài)力平衡方程為:PC·A=PE·A+Fk(4)式中PC—補償器補償腔的壓力,由于補償器直接用于補償系統(tǒng)液壓源,可以認為該壓力即液壓系統(tǒng)油箱壓力;PE—外界環(huán)境水壓;Fk—彈簧產(chǎn)生的反力,Fk=k·x;A—補償器工作腔面積。由式(4)可得,當系統(tǒng)在水下工作時,通過補償器產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)、外壓差為:ΔP=PC?PE=k?xA(5)ΔΡ=ΡC-ΡE=k?xA(5)由此可見,在不同深度工作時,盡管外界環(huán)境壓力會產(chǎn)生變化,但系統(tǒng)內(nèi)補償壓力始終比外界環(huán)境壓力略高一個彈簧反力,而與工作的外界環(huán)境水深無關(guān)。系統(tǒng)內(nèi)外壓差ΔP與彈簧工作行程x的關(guān)系曲線,如圖3所示。3.2動態(tài)響應(yīng)性能仿真曲線如圖1所示,補償器工作時的動態(tài)平衡方程如下:(PE?PC)?A+k(x0?x)?f?dxdt=m?d2xdt2(6)(ΡE-ΡC)?A+k(x0-x)-f?dxdt=m?d2xdt2(6)與此同時,在液壓系統(tǒng)油箱內(nèi),由于體積變化引起的壓力變化為:dPCdt=βe?ΔQVY=βe?2A?dx/dt?QTVY(7)dΡCdt=βe?ΔQVY=βe?2A?dx/dt-QΤVY(7)式中x0—彈簧預(yù)壓縮量;x—彈簧行程;f—動態(tài)阻尼系數(shù);m—活塞,活塞桿和彈簧的質(zhì)量;βe—油液體積彈性模量;ΔQ—油箱內(nèi)流量的變化,即補償流量與實際流出油箱絕對流量之差;QT—執(zhí)行器運動時,供油流量與回油流量之差。假設(shè)系統(tǒng)工作在水下6000m,而補償器的彈簧預(yù)壓縮量為100mm,并假設(shè)系統(tǒng)執(zhí)行器在某段工作時間3s內(nèi)所需的流量為7.5L/min。則補償器的動態(tài)響應(yīng)性能仿真曲線,如圖4、圖5、圖6所示。仿真結(jié)果表明該補償器具有較好的動態(tài)性能:在很短的時間內(nèi)(<0.02s),系統(tǒng)內(nèi)通過補償器產(chǎn)生的壓力能很快跟蹤上由于執(zhí)行器動作所需的補償流量而引起的變化,并且在動作完成的3s內(nèi),保持系統(tǒng)內(nèi)壓基本呈線形變化略微下降約0.01MPa,并始終使系統(tǒng)內(nèi)壓略高于環(huán)境工作水壓,從而實現(xiàn)了對環(huán)境壓力的自動平衡補償,保證外界水對系統(tǒng)的不內(nèi)侵和執(zhí)行器元件的安全工作。4仿真結(jié)果分析本研究對適用于壓力適應(yīng)型深海水下機器人的壓力補償技術(shù)進行了研究,提出了一種可以適應(yīng)不同水深工