吳俊飛，杜照遠(yuǎn)，李國棟，付 平

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

對于應(yīng)用于深海環(huán)境中的各種水下液壓系統(tǒng)，深海高壓問題是各種系統(tǒng)所面臨和必須首先考慮的共性問題，為此，深海研究人員采取了各種解決方法。最原始的做法是將各種液壓元器件與執(zhí)行元件封裝在一個能夠承受高水壓的壓力容器中，但隨著深度增加，海水壓力的增大，這種方式勢必會帶來系統(tǒng)笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，資金投入增大和密封要求高等一系列問題；目前另一種更為高效的解決方法是利用壓力平衡裝置（即壓力補償裝置）的自平衡能力來解決液壓系統(tǒng)面臨的高壓問題。與其他設(shè)計比較而言，壓力自平衡設(shè)計可以更好地實現(xiàn)水下儀器設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、精度高和工作耗能小的目的[1]。

根據(jù)不同的使用環(huán)境及各種壓力平衡方式的結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的壓力平衡方法是進(jìn)行壓力平衡設(shè)計的首要任務(wù)，目前深海液壓系統(tǒng)的壓力平衡裝置一般是基于彈性元件具有可發(fā)生彈性變形的特性來達(dá)到平衡海水壓力的目的，具體實施方式有以下3種：一是采用金屬薄膜作為彈性膜片的方式，即將需要壓力平衡保護(hù)的元器件放置在一個腔體內(nèi)，然后向腔體內(nèi)充滿油液，最后將腔體的端部用金屬彈性膜片封住，通過金屬膜片的彈性變形來實現(xiàn)內(nèi)外壓力的平衡。這種方式存在的問題是由于金屬薄膜變形量不大，所以能夠補償?shù)挠鸵后w積較小，何況金屬薄膜容易被腐蝕，海洋環(huán)境下容易破損[2]。二是采用橡膠管封裝的方式，該方式即將待需壓力補償保護(hù)的元器件置于一段橡膠管內(nèi)，向橡膠管內(nèi)充滿油液再完成封裝，通過橡膠管的彈性變形來實現(xiàn)壓力平衡的效果。這種方式雖然結(jié)構(gòu)看起來比較簡單，但存在最大的問題是橡膠管的體積有限，因此限制了它的應(yīng)用；另外變形方向不定，可能對其內(nèi)部元器件造成損壞。三是采用外接皮囊的方式，該方式亦是將需要采取壓力補償保護(hù)的元器件封裝在一個充滿油液的腔體里，然后在腔外接一個充滿同種油液的皮囊，通過皮囊的彈性變性來實現(xiàn)壓力補償[3]。由于深海環(huán)境下需要壓力補償?shù)捏w積較大，這就造成皮囊式壓力平衡裝置體積較大。在深海惡劣環(huán)境下，皮囊受到碰撞時容易損壞，而且皮囊結(jié)構(gòu)形狀的變化存在不確定性，質(zhì)心位置不確定[4]。

基于上述3種壓力平衡裝置在深海應(yīng)用中存在的各種缺陷，本文設(shè)計了一種適用于深海的新型壓力自平衡裝置，該裝置與方式3結(jié)構(gòu)類似，是將方式3中外接的皮囊改為半球形皮囊直接連接在密封腔體的一端，因此該裝置具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、補償體積充足且整體體積小、結(jié)構(gòu)變形及質(zhì)心位置確定以及適應(yīng)性廣的優(yōu)點。本文將對此壓力平衡裝置進(jìn)行研究，并對壓力平衡過程進(jìn)行建模分析，以便對其相關(guān)設(shè)計提供定量的依據(jù)。

1 深海用新型壓力自平衡裝置的設(shè)計及其工作原理

圖1所示即為深海用新型壓力自平衡裝置的示意圖，由圖1可知，液壓元器件被封裝在充滿油液的圓筒形密封腔體中，在腔體的一端連接了一個充滿油液的半球形皮囊。通過半球形皮囊的彈性變形及內(nèi)部可壓縮的油液可實現(xiàn)裝置內(nèi)外的壓力相等，進(jìn)而可使此裝置自動適應(yīng)外部海水的壓力變化，可解決裝置的耐壓問題。由于深海環(huán)境惡劣，海水腐蝕性很強，腔體的材料可選用在海水環(huán)境下具有優(yōu)良抗腐蝕性能的316L不銹鋼材料，另外由于本系統(tǒng)具有壓力自平衡的特點，其腔體材料也可選用工程塑料、有機(jī)玻璃等非金屬材料；皮囊的材料可選用的是氟橡膠；內(nèi)部介質(zhì)選用的是液壓油，由于液壓油具有氧化穩(wěn)定性、防銹作用、消泡性、不導(dǎo)電性、抗燃性等良好的性質(zhì)[5]。由圖1可以看出，密封腔體上設(shè)置有多處密封，但由于半球形皮囊的存在，腔體內(nèi)外壓力基本是相等的，所以密封結(jié)構(gòu)的設(shè)置較容易實現(xiàn)。

圖1 深海用新型壓力自平衡裝置

如圖1所示，當(dāng)裝置處于深海環(huán)境時，密封腔體端部的半球形橡膠皮囊發(fā)生彈性變形而導(dǎo)致系統(tǒng)里的液壓油在壓力作用下被壓縮。從物理結(jié)構(gòu)上看，液壓油的總壓縮體積為密封腔體積變化和半球形橡膠皮囊容積變化兩部分組成。同時在這個體積變化過程中，密封腔以及腔體里封裝的液壓元器件的內(nèi)外壓也都將達(dá)到壓力平衡，這是因為：

（1）已知密封腔體的外部是直接來自海水的壓力，而內(nèi)壓是來自密封腔體內(nèi)液壓油的壓力，由于半球形橡膠皮囊可發(fā)生彈性變形，系統(tǒng)內(nèi)部油液被壓縮，因此密封腔體內(nèi)外兩個壓力最終將達(dá)到平衡；

（2）由于裝置內(nèi)部液壓元器件通過管道與外界海水相通，所以當(dāng)裝置工作時，元器件內(nèi)部壓力即為海水壓力，而液壓元器件直接置于密封腔內(nèi)的液壓油中，因此所受壓力即為腔體內(nèi)液壓油的壓力，由（1）分析可知，海水壓力與液壓油壓力是相等的，因此密封腔體內(nèi)封裝的液壓元器件內(nèi)外兩個壓力最終也將達(dá)到平衡。

由以上分析可知，本壓力平衡裝置主要是借助半球形皮囊具有可變形以及系統(tǒng)中液壓油介質(zhì)在高壓密閉環(huán)境下具有可壓縮的性質(zhì)來實現(xiàn)裝置的壓力平衡。

2 裝置實現(xiàn)壓力平衡過程的建模與分析

由上述定性分析可以看出，密封腔里封裝的液壓元器件能自適應(yīng)壓力的變化，起關(guān)鍵性作用的是能發(fā)生彈性變形的半球形皮囊。該半球形皮囊規(guī)格大小的確定是此壓力平衡裝置中最為重要的問題，皮囊設(shè)計的太大將直接導(dǎo)致整個裝置體積過大，另外還會造成資源的浪費；皮囊太小，則其本身的容積變化量將達(dá)不到需要補償?shù)捏w積要求，進(jìn)而會造成裝置因超過其彈性變形極限而造成裝置的損壞，因此，對該壓力平衡裝置進(jìn)行模型建立，然后進(jìn)行定量分析是必要的。

首先對密封腔體的體積變化進(jìn)行分析，當(dāng)腔體采用非金屬材料時，為保證安全，腔壁會做的比較厚，此時密封腔屬于厚壁圓筒，根據(jù)彈塑性力學(xué)相關(guān)知識可知，當(dāng)兩端封閉的厚壁圓筒同時受外壓po和內(nèi)壓pi作用時，其中位于半徑為r處的圓筒產(chǎn)生的徑向位移為Δr；沿長度l在軸向上產(chǎn)生的位移為Δl，這兩者分別為[6]：

式中：μ為密封腔體材料的泊松比；E為密封腔體材料的彈性模量；ro為密封腔的外半徑；ri為密封腔的內(nèi)半徑。由于 ro＞ri，po＞pi，因此可知 Δr＜0，Δl＜0即系統(tǒng)在實現(xiàn)壓力平衡過程中密封腔的體積將會減小，所以：

即：

式中:L為密封腔體的長度；ΔVY為密封腔受壓后的體積變化量。由于密封腔所受的內(nèi)外壓差很小，所以Δr和Δl也就相對比較小，因此上式中對于Δr和Δl的二次項可以忽略不計，從而可得：

將密封腔體的實際尺寸，即r=ri，l=L，代入上述公式可得：

所以可得：

其次，裝置內(nèi)的液壓油的體積由于溫度和壓力的變化也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在系統(tǒng)下潛過程中，隨著海洋深度的增加，外部海水環(huán)境溫度會降低，根據(jù)熱脹冷縮的原理，液體體積會減小，密度增大。設(shè)圖1所示的最初皮囊內(nèi)油液體積為VB，密封腔內(nèi)油液的體積為VC，當(dāng)溫度降低Δt，皮囊和密封腔內(nèi)油液的體積分別減少為 ΔVBT，ΔVCT，則 ΔVBT，ΔVCT和Δt關(guān)系為：

式中：α為油液熱膨脹系數(shù)。

同時，系統(tǒng)在下潛至深海的過程中，油液隨著壓力增大，體積也會減小。設(shè)圖1所示的最初皮囊內(nèi)油液體積為VB，密封腔內(nèi)油液的體積為VC，當(dāng)壓力升高Δp，皮囊和密封腔內(nèi)油液的體積分別減少為ΔVBP，ΔVCP，則 ΔVBP，ΔVCP和 Δp 關(guān)系為：

式中：β為油液壓縮系數(shù)。

由分析可知，當(dāng)平衡裝置處于內(nèi)外壓平衡時，系統(tǒng)體積的變化滿足以下關(guān)系：

式中：ΔVN即為半球形橡膠皮囊受壓后的容積變化量，也即壓力平衡裝置實現(xiàn)最終壓力平衡時所需要額外補償?shù)挠鸵后w積。

將式（8）～式（12）代入到式（13）中，可得：

當(dāng)整個裝置達(dá)到平衡時，可認(rèn)為密封腔內(nèi)外壓力基本相等，都等于外界海水壓力p，即pi=po=p，因此上式可簡化為：

由式（15）可以看出，實現(xiàn)壓力平衡需要補償?shù)挠鸵后w積與裝置所處環(huán)境溫度降低量、所受壓力增量、海水壓力及腔體材料彈性模量成正相關(guān)關(guān)系，與材料泊松比成負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于彈性模量和泊松比屬于材料物理屬性，因此當(dāng)裝置材料結(jié)構(gòu)確定后，可以計算出系統(tǒng)在不同的深海環(huán)境中，所需要的補償油液體積。在正常使用范圍內(nèi)，應(yīng)保證ΔVN＜VB，因此，此公式可以對這種壓力補償系統(tǒng)的使用提供指導(dǎo)。

根據(jù)式（15）可知，系統(tǒng)的極限承載狀態(tài)即是當(dāng)半球形皮囊完全被壓癟的情況，此時有ΔVN=VB，即半球形皮囊內(nèi)的油液完全用于實現(xiàn)壓力補償，此時有：

由式（16）可知，此時ΔVN為在壓力p條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力平衡所需要補償油液的最小體積，為了保證裝置的安全，在進(jìn)行裝置的設(shè)計時，皮囊的內(nèi)部容積必須大于ΔVN，因此公式（16）可為圖1所示的壓力補償裝置的設(shè)計提供依據(jù)，實現(xiàn)裝置的科學(xué)優(yōu)化設(shè)計。

3 實例計算

項目目標(biāo)為研制適合深海原位測量的7 000 m級深海原位多參數(shù)化學(xué)傳感器樣機(jī)，可搭載于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，完成對溶解態(tài)鐵、錳和硫化物等的原位測量。為符合“蛟龍?zhí)枴睓C(jī)械手夾持載荷要求，高壓液控腔采用此種新型壓力自平衡裝置進(jìn)行封裝設(shè)計，壓力自平衡裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足質(zhì)量小于50 kg；外形尺寸分別為（最大）：600 mm（長）×350 mm（直徑）；且可用于70 MPa的海水壓力環(huán)境下，自平衡裝置內(nèi)含泵、閥等液壓元器件，自平衡裝置通過耐壓電纜與主機(jī)相連。

根據(jù)壓力自平衡裝置的特點，腔體材料可選用316L不銹鋼、鋁合金或有機(jī)玻璃等耐腐蝕的材料，3種材料的力學(xué)性能如表1所示：

表1 材料物理性能及力學(xué)性能

由于硅油具有：（1）氧化穩(wěn)定性；（2）良好的潤滑性；（3）無腐蝕性、對密封件/軟管等無溶解及其他有害影響；（4）消泡性；（5）不導(dǎo)電性和抗燃性等良好的性質(zhì)[7]。本壓力平衡裝置中采用201#甲基硅油作為壓縮介質(zhì)，來實現(xiàn)裝置的壓力平衡。甲基硅油的相關(guān)性質(zhì)如表2所示。

表2 甲基硅油的物理性能

根據(jù)待封裝部件的安裝空間需求及腔體最大外形尺寸限制，本設(shè)計中自平衡裝置的內(nèi)部尺寸分別為：450 mm（長）×140 mm（直徑），由于裝置具有自平衡的能力，基本不承受外壓，因此，腔體只需滿足加工、裝配等的要求即可，3種材料下結(jié)構(gòu)尺寸等物理參數(shù)如表3所示。

表3 不同材料參數(shù)對比

根據(jù)式（15）對裝置的半球形皮囊的補償容積進(jìn)行驗證，根據(jù)表1及表3裝置的各尺寸參數(shù)，可確定公式（15）中的各常量取值分別為：

將上述常量代入公式（15）可求得3種不同材料所需要的補償體積分別為：

不銹鋼：

鋁合金：

有機(jī)玻璃：

由式（17）～式（19）可知，壓力補償體積 ΔVN與溫度降低量Δt和所處海水環(huán)境壓力p成正比關(guān)系。已知海水壓力與海水深度成正比關(guān)系，海水溫度一般隨深度的增加而降低，在深度1 000 m處的水溫約為4～5℃，2 000 m處為2～3℃，深于3 000 m處為1～2℃，3 000 m下的深層海水經(jīng)常保持低溫狀態(tài)，在此將大于3 000 m處水溫默認(rèn)為0℃。一般認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為25℃，壓力為0．1 MPa，因此，當(dāng)裝置處于3 000 m以下海水環(huán)境時，裝置所需補償體積ΔVN便只與海水壓力p成正比關(guān)系，此裝置最大工作水深為7 000 m，因此p的取值范圍為0．1 MPa≤p≤70 MPa，可得到裝置所需補償體積ΔVN與壓力p的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 油液補償體積與海水壓力的變化曲線

由圖2可知，當(dāng)裝置工作于水下7 000 m深處即70 MPa壓力環(huán)境時，對于不銹鋼、鋁合金和有機(jī)玻璃3種腔體材料，裝置所需要的最小補償體積ΔVN分別為 485 mL，480 mL，322 mL，補償體積均滿足ΔVN＜VB的要求，因此，3種腔體材料的裝置都可適用于70 MPa的海水壓力環(huán)境。此外，由圖2可以看出，不銹鋼和鋁合金的曲線基本吻合，而有機(jī)玻璃的體積補償曲線與兩種金屬差距較大，即同等壓力下，兩種金屬所需補償體積要遠(yuǎn)大于有機(jī)玻璃所需要的補償體積。分析其原因，這主要和材料的彈性模量和泊松比有關(guān)，即材料彈性模量越大，剛度越大，腔體本身越不容易發(fā)生變形，靠腔體本身變形所能補償體積非常有限，因此所需的額外補償體積就會越大，正如公式（15）所得結(jié)論。

由表3可知3種材料下裝置的總體外形最大尺寸均滿足不超過外形最大尺寸：600 mm（長）×350 mm（直徑）的要求，且整體質(zhì)量也都滿足小于50 kg的要求，因此，3種材料均可作為備選方案。由圖2可知，3種材料的補償體積均可滿足7 000 m深海環(huán)境的要求，其設(shè)計補償體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需補償體積，因此根據(jù)其真實所需量，可得到3種材料性能對比如圖3所示。

圖3 3種材料裝置性能參數(shù)比較

分析圖3可知，對比不銹鋼和鋁合金材料，鋁合金裝置具有和不銹鋼裝置基本相同的體積，但鋁合金裝置重量和成本遠(yuǎn)低于不銹鋼材料裝置，因此，此兩種材料中優(yōu)選鋁合金材料；對比鋁合金和有機(jī)玻璃材料，鋁合金裝置體積和重量都與有機(jī)玻璃裝置相差不大，但有機(jī)玻璃裝置成本要更低，當(dāng)對于裝置的體積沒有苛刻的要求時，可優(yōu)選有機(jī)玻璃材料。因此，有機(jī)玻璃材料基本能滿足使儀器設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、耗能小的目的。

4 結(jié)束語

隨著深海技術(shù)的發(fā)展，簡單可靠的壓力平衡裝置幾乎成為各種深海探測儀器的必備之選，本文設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)緊湊、形狀變化及質(zhì)心位置相對確定的新型壓力自平衡裝置為此提供了一種新的選擇，通過對壓力平衡過程的建模與分析，得出了裝置設(shè)計依據(jù)公式及設(shè)計依據(jù)曲線，并對實際設(shè)計裝置進(jìn)行了指導(dǎo)驗證，最終可實現(xiàn)裝置體積小、質(zhì)量輕、耗能低的科學(xué)優(yōu)化設(shè)計?；诖搜b置設(shè)計及理論的簡單實用價值，可廣泛推廣到相關(guān)海洋設(shè)備的研發(fā)中。

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