曹學鵬，王曉娟，鄧斌，柯堅

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

深海液壓動力源發(fā)展現狀及關鍵技術

曹學鵬，王曉娟，鄧斌，柯堅

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

通過對電力、氣壓、液壓深海動力源進行比較，重點論述了深海液壓動力源的兩種類型：油壓驅動和水壓驅動，概括了各自的特點及應用領域。介紹了深海驅動電機的結構形式及一種直浸式深海直流無刷電機的結構實例。液壓源是深海動力源的主要部件之一，分別從油壓和水壓兩方面介紹了其國內外發(fā)展概況。油壓驅動主要以閉式集成液壓動力源為例，并介紹了液容、液感兩種儲存壓力能的驅動方式。海水液壓驅動由于其節(jié)能、不燃燒、無污染等特點，廣泛應用于海洋領域。最后，分別就油壓和水壓驅動兩方面總結了深海液壓動力源研究的幾個關鍵技術問題。

深海液壓動力源；深海電機；油壓驅動；水壓驅動

Abstract:It lays great emphasis on two types of deep-sea hydraulic power source which are oil hydraulic driving and water hydraulic driving by comparing several deep-sea power sources of electric driving,pressure driving and hydraulic driving.Then it summarizes the characteristics and application of the two types of hydraulic power source.It also introduces the construction of the deep-sea motor and a prototype of Direct Immersion Motor.Hydraulic source is one of the main parts of deep-sea power source.The writer introduces the development situation of oil hydraulic and sea-water hydraulic respectively at home and abroad.For oil hydraulic drive,it takes a closed integration hydraulic power source as an example and introduces the deep-sea liquid-capacity nonstop and deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power source.Sea-water hydraulic drive is used in sea field widely because of the characteristics of energy-saving,non-combustion,on-pollution and so on.In the end,it concludes several key technical matters of deep-sea hydraulic power research in the oil hydraulic drive and the sea-water hydraulic drive.

Keywords:deep-sea hydraulic power source; deep-sea motor; oil hydraulic drive; water hydraulic drive

世界上海洋面積覆蓋了地球表面積的三分之二以上，它蘊藏著豐富的生物資源和礦產資源[1]。隨著海洋工程、遠海石油開采、深海采礦等技術的不斷發(fā)展，各種水下機器人、深潛器等深海探測設備得以迅猛發(fā)展，海洋探索也逐漸從淺海走向深海。

深海是指海水深度大于3 000 m的海層。在這一海層，鹽度很大，在3.3%～3.5%左右，海水溫度為1.5℃，每下潛10 m就增加1個大氣壓[2]，由此推知，深海3 000 m以下，海水周圍壓力高達30 MPa以上。在這種工況下，高鹽度海水對深海液壓設備具有很強的腐蝕性；低溫高壓對液壓介質的性能及控制系統均會產生影響。因此，深海探測設備的開發(fā)和應用面臨很多技術難題。深海動力源作為深海探測設備系統的心臟，對系統性能和可靠性有巨大的影響。

基于上述背景，筆者重點探討和分析深海液壓動力源的國內外發(fā)展現狀及其關鍵技術。

1 深海液壓動力源概述

動力源采用的驅動方式是決定深海作業(yè)工具性能好壞的一個關鍵因素。通常，深海動力源有三種驅動方式[3]，分別為電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動。

電力驅動對系統的絕緣性要求很高，并需要嚴格的防漏電保護措施。需要配置變速裝置來改變電機轉速以適應各種作業(yè)工況，使其體積龐大、功率質量比小。此外海水進入系統內易引起系統故障，工作可靠性差?；谶@些原因，電力驅動在水下作業(yè)工具中一般較少使用。

氣壓驅動是利用壓縮空氣做功來驅動設備。由于壓縮空氣做功后直接在水中排放，因而噪音大。海水滲入氣動元件會降低氣動元件的可靠性，大大縮短使用壽命。應用的水深一般較淺(＜30 m)，加上其效率低、重量大、可靠性差等缺點也逐漸被淘汰。

液壓驅動是目前國際上研究和使用的最廣泛的方式，也是未來水下作業(yè)工具動力源的發(fā)展方向。根據不同的分類依據有以下幾種類型。

(1)按液壓設備工作介質不同分為油壓驅動和海水液壓驅動，其優(yōu)缺點及應用范圍見表1。

表1 液壓驅動按工作介質分類Tab.1 Hydraulic drive classified by work medium

(2)按布置方式不同，又可分為閉式和開式兩種[5]。閉式布置是指泵、電機、各種溢流閥、傳感器設于泵箱內，結構較緊湊，一般輸出功率小于40 kW。開式布置是指泵直接暴露于海水中,與水中的管路、油箱、閥塊等相連，結構較寬松。這時，動力源輸出功率通常大于 40 kW時,低溫的海水便成為發(fā)熱較快的泵和電機的天然冷卻劑，但泵、電機等表面要進行特殊處理,以防海水的腐蝕。

2 深海液壓動力源主要部件的研究概況

深海液壓動力源的主要部件包括深海電機和深海泵、蓄能器等深海液壓源設備。由于海洋低溫高壓等特殊環(huán)境，使得深海動力源部件與陸地使用的設備有很大區(qū)別。

2.1 深海驅動電機

2.1.1 深海電機結構概述 深海電機用于驅動液壓泵動作，通過深海電纜或電池供電，供電電壓從幾十伏到幾千伏，功率從幾百瓦到一百多千瓦。

深海電機的形式一般包括：a)封閉承壓式。它將交流或直流電機裝在一個封閉罩中，在電機的輸出軸處加密封裝置。雖然這種結構可以直接使用標準規(guī)格的電機，但電機輸出軸處的動密封屬于外高壓旋轉密封，稍有泄漏都會對電機造成致命損害。另外，外罩還須承受的很高的環(huán)境壓力，導致電機體重量大大增加。b)壓力平衡式。其特征是電機的定子或整個電機置于一個密封體中，電機密封體外有一個在壓力下很容易變形的容器(通常是一個橡皮囊，也可以用薄的金屬和塑料制成)，稱為壓力補償器，通過它把外部壓力傳遞給電機殼內的液體，這樣電機動密封圈兩側的內外壓差很小(＜0.3 MPa)，比傳統的方法更容易密封。

深海電機一般采用無刷直流電機充油改造完成[6,7]。因為普通直流電機因電刷存在，使得換向時易產生火花導致補償油碳化，造成電機轉子短路，進而引起電機損壞,不適合充油，其密封只能采用承壓方式。因此體積重量大，系統使用的海水深度有限，密封不可靠，這就使得直流有刷電機難以應用在深海液壓系統中。近年來使用較多的直浸式充液直流無刷電機既可以在油液中使用，也可以直接放在海水中使用，不僅具有壓力自適應性，同時還具有：無火花、無機械摩擦、壽命長；轉速高、速度轉矩特性好、起動時間短；在整機中對其它電子元件及電器不產生電干擾；效率高、節(jié)能、性能穩(wěn)定可靠；重量輕，結構緊湊等優(yōu)點。

2.1.2 一種直浸式深海直流無刷電機結構[8]以西南交通大學負責開發(fā)的深海3 000 m級節(jié)能型集成液壓動力源中的5 kW直浸式充液無刷直流電機為例加以說明。結構圖和樣機分別見圖 1，圖 2。其結構組成與工作原理和陸用無刷直流電機相似，主要差異表現為機殼3內充滿絕緣油5，電器元件為耐環(huán)境高壓的霍爾元件 9，并通過水密接插件 4與外部驅動控制器；此外尾部設有一個平衡內外壓力的壓力補償器10，旋轉軸7處有一的動密封圈8。

圖1 直浸式電機結構簡圖（1.定子2.轉子3.機殼4.水密接插件5.絕緣油圖2直浸式電機樣機6.軸承7.軸8.密封件9.霍爾元件10.壓力補償器）Fig.1 Structure diagram of direct immersion motor

圖2 直浸式電機樣機Fig.2 Prototype of direct immersion motor

2.2 深海液壓源設備

深海液壓源設備主要指深海泵、蓄能器等設備。根據其使用的工作介質不同，分為油壓驅動和海水液壓驅動兩種。油壓驅動的技術相對比較成熟，應用于很多水下作業(yè)工具。海水液壓驅動雖然有其獨特的優(yōu)越性，但是由于存在泄漏、摩擦、腐蝕等技術問題，且海水液壓元件的價格相對昂貴，還有很大的研究發(fā)展空間，是未來液壓技術發(fā)展的重要方向。

2.2.1 深海油壓驅動國內外發(fā)展概況

2.2.1.1 利用液壓泵的油壓驅動設備 這種結構是依靠深海電機驅動液壓泵工作，并通過溢流閥、各種傳感器來控制系統，且?guī)в邢鄳膲毫ρa償裝置。

國外油壓源領域的典型代表之一是美國佩里(PERRY)公司。該公司先后開發(fā)了深海3 000 m級的不同功率的液壓動力源[9]（見圖3）。該動力源為油壓驅動閉式布置結構，電機1和恒壓液壓泵采用通軸聯接的方式，省去了聯軸器部分。一個密閉的圓柱形儲油器2將泵、溢流閥、自動液壓柔性開啟閥、溫度傳感器、系統壓力變送器、儲油器容積傳感器、液壓系統進水檢測器等封裝其中。外部的壓力補償單元3維持儲油器內公稱壓力高于周圍環(huán)境壓力0.3 bar。電機則獨自封裝并采用單獨的壓力補償裝置。

圖3 佩里（PERRY）公司深海液壓源（1.電機2.圓柱形儲油器3.壓力補償單元）Fig.3 Perry hydraulic power pack

國內，四川海洋特種技術研究所開發(fā)了6 000 m深海液壓工作站[10]，由深海電機、閥門、泵、馬達等組成液壓動力源系統。該工作站的工作壓力達63 MPa，電機動力為 100 W～10 KW，液壓流量為0.1～10 L/min。該工作站雖然水深可達6 000 m，但是采用定量泵控制系統，不節(jié)能、供油量小、驅動效率也較低。

2006年開始，在國家863項目資助下，西南交通大學、四川海洋特種技術研究所共同研究開發(fā)了深海3 000 m節(jié)能型集成液壓動力源[11]。該動力源在結構上高度集成，解決了已有動力源外形尺寸大的問題，且控制便捷穩(wěn)定，結構緊湊簡單。液壓源變量泵采用流量、壓力雙電液比例閉環(huán)控制，可實現按需供能，可有效地實現節(jié)能。系統最大輸出壓力達 21 MPa，最大輸出流量 52.5 L/min，結構如圖4所示。該結構還針對目前大多數陸用傳感器無法承受深海3 000米的環(huán)境高壓，提出了一種雙壓力傳感器動態(tài)差動自適應技術。即將兩個型號完全一樣的壓力傳感器置于承壓殼中，采用一個壓力傳感器檢測液壓源的出口壓力，另一個壓力傳感器來檢測海水的環(huán)境壓力，然后將二者相應的壓力電信號通過一個設計開發(fā)的差動放大器，經比較零位調節(jié)、比較、放大及后級匹配后，輸出給閉環(huán)放大器，這樣即可實現大深度范圍的自適應壓力控制。

圖4 深海集成液壓動力源結構圖（1.電機壓力補償器；2.儲油器；3.無刷直流電機；4.液壓接口；5.角度傳感器；6.高壓密封；7.柱塞泵；8.控制閥；9.儲油器補償單元；10.壓力傳感器；11.泵差動放大器；12.電機驅動控制器；13.高壓艙；14.接插件及電纜）Fig.4 Structure diagram of deep-sea integral hydraulic power source

另外，中國科學院海洋研究所在水密耐壓艙體也有一定的研究成果[12]。中國科學院沈陽自動化研究所成功研制一種水下直流無刷充油電機結構[13]，但大多只局限于液壓動力源的某一單部件的研究，深海集成液壓動力源還需做進一步的深入研究。

2.2.1.2 利用儲存壓力能的油壓驅動設備 電機控制的液壓設備在失電情況下可能會導致水下作業(yè)系統故障，為此，浙江大學于 2002年研制成功液感型[14]和液容型[15]兩種深海水下液壓系統不間斷液壓源(分別見圖5、圖6)。主要優(yōu)點是在深海水下失去動力源、甚至失去全部供電的情況下仍然可以完成所有必須的液壓應急動作。前者液壓源起動時，為高速液壓馬達和飛輪儲存應急情況下所需的能量。正常工作時，馬達和飛輪可確保供油流量的連續(xù)性和平穩(wěn)性。液壓源突然失壓時，電磁換向閥切斷，由于飛輪的大慣性，馬達的流量不能突變，因而仍有相當流量通過液壓馬達流向負載，供液壓系統完成所有必需的液壓應急動作。后者主要由1～n個預充壓力不等的蓄能器并聯構成并接在液壓源A上。水深不同，不同預充壓力的蓄能器受壓程度也不同，釋放的流量也不同。因此只要選擇合適的預充壓力組合，無論水深如何，該液壓源總能釋放出比較可觀的流量，完成所有必需的液壓應急動作。

圖5 液感型深海水下液壓系統不間斷液壓源圖Fig.5 Deep-sea liquid-sensible nonstop hydraulic power

圖6 液容型深海水下液壓系統不間斷液壓源Fig.6 Deep-sea liquid-capacity nonstop hydraulic power

2.2.2 海水液壓驅動國內外發(fā)展概況 由于海水液壓技術在環(huán)保、節(jié)能等方面表現出的優(yōu)越性，越來越受到國內外液壓技術領域的重視。以下主要介紹一些國家在海水液壓技術領域的研究概況。

a)美國：1967年，Vickers公司的J P Ryan發(fā)表了有關高壓海水泵材料研究情況的報告，這被認為是現代海水液壓傳動技術領域最早的一篇文獻。1980年，美國海軍工程實驗室研制出海水葉片馬達[16,17]。隨后在1984年研制出了系統壓力為14.0 MPa、流量為 45 L/min的海水液壓系統。1988年，美國ISTIDelaware公司與Delaware大學合作成功研制壓力為6.2 MPa，流量為19 L/min，容積效率在2 600小時內長期穩(wěn)定在 92%～95%的閥配流式海水柱塞泵[18]。

b)日本：川崎重工技術研究所于1983年研制成功閥配流軸向柱塞式海水泵，壓力達63.0 MPa，流量6～9 L/min，轉速2 000～3 000 r/min，重量40 kg。1987年，日本在改進上述泵的基礎上，研制出用在6 500 m深潛調查船上的海水柱塞泵，工作壓力達68.5 MPa，流量5 L/min，工作壽命200 hrs，重量51.5 kg[19]。小松(Komatsu)制作所于1991年研制出端面配流軸向柱塞式海水液壓泵[20,21]。該泵采用球面配流盤，前、后滑動軸承均開有螺旋槽，以實現動壓潤滑，配流盤和滑靴均采用靜壓支承，而且主軸可以承受軸向力的作用。小松海水液壓泵結構緊湊，單位重量功率(比功率)大，效率高，反映出了目前國際海水液壓泵的研究水平。日本萱場(kayaba)工業(yè)(株)1989年與法國 BronzaviaAir-equipment公司合作，研制出閥配流軸向柱塞式海水液壓泵。該泵的最大工作壓力達21 MPa，容積效率超過85%，機械效率超過90%[22]。

c)國外另有許多國家在海水泵研發(fā)方面取得成果。例如1988年Fenner公司研制出壓力分別為14 MPa和10 MPa的海水液壓泵和馬達，并用于海洋水下作業(yè)工具系統和海底石油天然氣井口啟閉自給控制系統[23]。德國Hauhinco公司在1995年研制出了壓力可達32 MPa、流量從20～700 L/min共5個系列的海水液壓泵。并用于海底管道鋪設及維護系統等海洋開發(fā)機械設備[24]。芬蘭HytarOy公司和Tamper理工大學等在 1994年參與歐洲尤里卡(EUREKA)計劃，合作研究開發(fā)海水液壓傳動系統，主要用于驅動海洋水下作業(yè)工具。HytarOy海水液壓泵有7個柱塞，更換兩個零件即可獲得不同的排量,而且結構簡單、噪聲低、壓力脈動小，并可以作為馬達使用，容積效率超過92%。已用于海洋水下作業(yè)工具便攜式動力源[25]。

d)中國：華中科技大學（原華中理工大學）從1990年開始，率先在國內開展海水液壓傳動技術的研究，于1992年開發(fā)研制出工作壓力3.5 MPa的單柱塞海水液壓泵，1996年研制出工作壓力3.5 MPa、最高壓力6.3 MPa、流量100 L/min的軸向柱塞式海水液壓泵，并交付海軍使用[26,27]。2002年初研制出工作壓力10 MPa，轉速1 000 r/min、流量40 L/min、容積效率85%、總效率達71%的油水分離式中高壓海水液壓柱塞泵。2003年 9月又研制出工作壓力14 MPa、流量40 L/min的軸向柱塞式海(淡)水液壓泵，并通過教育部科技司和有關主管部門的鑒定。

西南交通大學于 2000年研制出了壓力16 MPa、效率高達94%的淡/海水兩用軸向柱塞泵，并獲得了國家專利[28]。此外，浙江大學、昆明工學院等院校也開展了水壓傳動元件與技術的研究[29]。

3 深海液壓動力源的關鍵技術

深海層具有鹽度高、溫度低、壓力大等特點，且海底能見度極低，環(huán)境非常惡劣?；谝陨系墓r，液壓設備都必需采取相應的措施來克服以上難題。

3.1 油壓源需攻克的問題[30]

a)液壓設備內部必須有能夠平衡外部深水壓力的機構。為了防止海水浸入,用彈簧使內部壓力略高于深水壓力。

b)宜采用變量泵控制系統，動力源可根據負載需求控制變量泵，這樣即可提高系統效率，又可滿足負載變化的要求，并且達到節(jié)能的目的。

c)為了保證泵低溫高壓下有足夠的自吸能力，宜選用低粘度工作介質，但須充分考慮泄漏和潤滑功能。

d)為減小液壓源的外形尺寸，減輕重量，可將泵和電機、各種液壓閥、傳感器等集成裝配，使結構更加緊湊。

e)耐腐蝕性強，并且互換性、通用性強，便于安裝、檢修。

3.2 海水液壓源需攻克的問題[31-33]

a)摩擦學問題由于海水的黏度低、潤滑性能差，摩擦副對偶面難以形成液體潤滑膜，也不能形成良好強度的邊界膜，很容易產生干摩擦，加劇磨損。另外受海水強烈的腐蝕作用，摩擦副表面材料會脆化，材料的疲勞強度會降低，在摩擦的作用下脆化層會很快剝落，從而加速磨損。因此，海水液壓元件將面臨嚴重的摩擦磨損問題。

b)泄漏問題在同等壓力、間隙量的條件下，海水的泄漏量是油的10～20倍。根據流體力學理論，環(huán)形縫隙在層流條件下的流量與間隙量的立方成正比。因此減少配合偶件間的間隙量可以大大減少泄漏量，提高工作效率，但過小的配合間隙勢必大大增加加工成本；另一方面海水的潤滑性能很差，過小的間隙會使偶件間的摩擦力增加，降低了工作效率，因此需要確定液壓元件合理的配合間隙以減小泄漏和摩擦。現今對液壓泵對偶摩擦副材料選擇要求也比油壓泵高，主要選用陶瓷/陶瓷、陶瓷/高分子復合材料或特種耐蝕合金/高分子復合材料組合，可以有效解決腐蝕、磨損、氣蝕和潤滑等關鍵技術問題。

c)氣蝕問題由于海水的飽和蒸氣壓比油的高，從理論上講，海水液壓系統容易產生氣蝕，將使深海液壓系統面臨嚴重的氣蝕破壞，并引起振動和噪聲。所有一般采用限制系統溫度以降低介質中的氣體溶解度、提高液壓泵的吸入壓力等措施來減小和消除氣蝕現象。

d)雜質污染、材料腐蝕老化問題海水極易引發(fā)液壓元件銹蝕老化，如：化學、電化學及微生物腐蝕等。腐蝕不僅會降低材料強度，還會與摩擦磨損相互作用，加劇元件摩擦副表面的摩擦與磨損，導致元件的性能和壽命降低。因此，需著力于材料學、微生物學等多門學科的綜合來解決此類技術難題。

4 結 語

我國海洋開發(fā)起步較晚，與世界發(fā)達國家相比，海洋開發(fā)的整體技術水平較為落后，特別是深海技術和設備開發(fā)方面力量薄弱。為充分開發(fā)領海內的資源，同時利用國際公海的資源，應積極地將陸用成熟的油壓技術應用于深海油壓驅動設備中，主動探索深海極端環(huán)境（如：壓力、溫度、鹽度等）下的相關液壓技術和理論，開展油壓動力源產品開發(fā)；同時重視水壓驅動的發(fā)展，探討大深度下水壓動力源的成熟技術，為水下作業(yè)、海洋資源調查、海洋油氣開采、水下救援、海底采礦等海洋工程的實施所需的工具和設備提供必需動力支撐。

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The development status and key techniques of deep-sea hydraulic power source

CAO Xue-peng,WANG Xiao-juan,DENG Bin,KE Jian
(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiao Tong University,Chengdu 610031,China)

P751; TH137

A

1001-6932(2010)04-0466-06

2009-11-06；

2009-12-22

曹學鵬（1982－）男，山西臨縣人，博士研究生，研究方向為新型驅動技術與智能系統。電子郵箱：tiepeng2001@163.com