海水液压传动技术在潜水器中的应用

詹传明，刘银水，吴德发

(1.中船重工集团第 710所，湖北 宜昌 443003;2.华中科技大学 机械学院机电系，湖北 武汉 430074)

1 前言

海洋是人类生存和发展的资源宝库。随着科技水平的提高和国家利益的需要，人类对海洋的开发也不断向深海迈进。进行深海调查、探测、海底勘查、海洋油气和矿产资源开发、海底打捞、救生及海军军事建设等均离不开现代化的潜水器。

液压技术具有单位功率重量轻、体积小、输出功率大、输出平稳等优点，已广泛应用于各种潜水器。

海水液压传动直接以海水作为工作介质，除了具有液压传动本身所具有的优点之外，还具有下列优越性[1]：

(1)没有环境污染，有利于保护海洋环境;

(2)直接从海洋中吸水作为工作介质，没有购买、储运和管理介质的费用及麻烦，亦节省了石油资源;

(3)系统设计成开环形式，直接从海洋吸水，作业后的水直接排回海洋，不需要水箱和回水管，系统大为简化，从而减小了体积和重量，提高了设备的机动性和灵活性;

(4)海水粘温和粘压系数小，在正常工作条件下其粘度基本保持不变，因此系统工作性能稳定;

(5)具有补偿水深压力的功能。系统吸入口直接通海洋，水深压力的增加，使得泵的吸入口的压力增加，在电机输出到泵的功率不变的情况下，泵的出口压力也将增加相应的部分，抵消水深压力的影响。因此适用于大深度的作业需求，提高了系统的效率;

(6)动力源与执行机构间仅用一根压力水管连接，因此受潮流的作用力小，潜水员承受的附加作用力小，操作轻便，作业范围可大大提高;

(7)在水中可以方便地拆卸和更换元器件，维护简单。

由于上述突出优点，海水液压传动技术在潜水器中具有广阔的应用前景。

2 海水液压传动在载人潜水器中的应用

1)海水液压浮力调节系统

深潜器在水下作业时一些因素会引起其储备浮力发生变化，如取样后重量的增加、水介质的特性(压力、温度)而引起海水密度的变化、随着下潜深度的增加，潜水器耐压结构发生弹性变形而引起排水体积变化等。为确保潜水器在一定深度具有相对稳定的作业姿态，需要对其进行浮力微调。目前常见的浮力调节有如图 1所示的 3种方案。

图1a是利用高压气瓶中的高压空气来排放水箱中的海水，从而实现浮力调节。此时气压必须高于水深压力，当水深增加到一定程度时，气源发生装置的体积急剧增加，能耗也急增，所以大深度作业时无法采用。

图1b是采用软、硬两只油箱，当所有的油都在耐压油箱里时，橡皮囊受到压缩，排水体积最小，浮力小。当油泵把油压送到安放在潜水器舷外的橡皮囊里时，排水体积增加，而重量未变，所以浮力增加。这种浮力调节系统复杂、笨重，而且油和海水要严格分离。

图1c是在潜水器内放置耐压水箱，其容积等于所要求的最大浮力调节量。需要调节浮力时，用容积式海水泵将水箱中的水排出，或者从外界注入水，使潜水器的重量发生变化，以此来控制潜水器的沉浮。

比较上述 3种调节方案后可以看出，采用高压水泵的方案时，结构最简单、体积小、重量轻，潜水深度可以很大，被认为是最佳方案，特别是在潜水器重量大、潜水深度深的情况下，其优越性更加突出。此中方案的关键是要研制出工作可靠的高压容积式海水泵，可能达到的潜水深度决定于海水泵的工作压力。

图1c是国际上目前普遍采用的形式，如美国的“ALVIN”号 ，日本“SHINKAI 6500”号等载人潜水器均采用此浮力调节形式。

“NEW ALVIN”是美国正在研制的 6500m深海载人潜水器，甚至将潜浮抛载、可调压载、压载水箱注排水、纵倾调节以及横倾调节合为一个系统，采用唯一的压载水舱不等量注水式压载系统来实现 5个系统的功能。系统包括多个压载水舱和多台较大流量的超高压海水泵，从而使得潜水器本身需要携带的有效配载大大降低[2]。

图1 潜水器浮力调节系统

某科技大学于 1996年研制出国内第一台阀配流轴向七柱塞海水泵，流量 100 L/min，最大工作压力6.3MPa。该泵于 1996年 8月完成实验室验收后装备于某救生艇上，主要功用是：为对口裙排水、进行浮力调节及艇的纵横倾调节。

2)海水液压机械手

大深度作业不可能靠潜水员来操作工具直接完成，必须依靠机械手，通过遥控来完成规定的作业任务。如“兰鲸号”双功型打捞潜水器是既能载人在水下直接作业，又能通过装设于水面母船上的集控台遥控操作的重型作业潜水器，其主要任务是用于水下沉物的探测和打捞，兼顾其他一些作业如缆绳剪切、挂钩等，因此配备有两只机械手：打捞机械手和作业机械手。打捞机械手安装于潜水器正前方，作业机械手为通用的作业机械手，安装于潜水器的右前方[3]。

国内外现有的水下机械手绝大部分均采用油压驱动方式。在海水液压机械手方面，英国 DSEL公司于1987年研制成功一种新型水下机器人 DUPLUSII，作业深度为 750m，该机器人上装有 3支标准海水液压机械手来完成多种工作，一只机械手抱住水下物体稳定潜水器，另两只机械手既可从事拧螺钉、阀门等作业，也可在机械手上加装一些切割刀、钢丝刷等水下工具，完成不同类型的水下作业[4]。1993年，英国 Hull大学的 PM Taylor等人也研制了一种海水液压水下机器人(Water Hydraulic Robot)[5]。

日本小松制作所(Komatsu，Ltd)的吉滩裕撰文介绍了日本通产省工业技术院大型计划“极限作业机器人的研究与开发”(S58～H2)，该计划研制了采用全海水进行润滑的、由海水液压驱动的水下作业机械手[6]，该机械手的自由度为 7个，手部自由度 11个，最大作用范围 1 m，总重量 18 kg，可搬重量 5 kg。使用结果证明，海水液压系统的位置控制精度比油压系统高。图 2是该海水液压驱动水下机械手的样机构造，它各关节处的液压马达是海水液压马达。

图2 海水液压驱动水下作业机械手

3)海水液压作业工具

工具是直接用来对工件进行作业的系统终端。如前文所提到的机械手上加装的切割刀、钢丝刷等均属于工具。水下作业时工具可由潜水员操作，也可加装在机械手的终端，由机械手操作。深海作业工具以液压工具为主，而目前更多的液压工具是以矿物油作为工作介质。在海水液压工具方面，1982年，在美国海军海洋系统司令部(NSSC)的支持下，土木工程实验室研究出实验用的海水液压工具系统。系统动力源由内燃机提供，采用叶片泵，作业工具有旋转式冲击扳手和螺旋桨清洗刷，系统压力 14 MPa，流量 45 L/m in。1989年又研制出多功能海水液压工具系统，系统仍由内燃机提供动力，系统压力 14MPa，流量 53 L/min，作业工具包括旋转式冲击工具、带锯、盘形工具和冲击钻等。英国 1988年研制出压力分别为 14 MPa和 10 MPa的柱塞式海水液压泵和马达，并开发相应的海水液压水下动力工具。芬兰 Tampere科技大学 1994年研制开发用于驱动水下作业工具及水下机器人的自持式海水液压水下动力站。

图3为我国华中科技大学研制的海水液压水下作业工具系统[7，8]。该系统通过过滤器从海洋或江湖直接吸水，输出的高压水通过流量调节阀及高压软管后被传送到往复型作业工具(如钢缆切割器)，完成切割钢缆等水下作业任务;或被传送到旋转型作业工具(如清刷/打磨器)，在海水液压马达的驱动下可完成清刷、打磨、钻孔等作业任务。高压水作功后直接排回海洋环境。水泵的出口压力由溢流阀调节，工具的转速由流量调节阀调节。该系统已开发出下列 10种海水液压工具，包括：

(1)往复型工具 4种：海水液压钢缆切割器;海水液压软缆割刀;海水液压扩张器;海水液压扭矩扳手。

(2)旋转型工具 6种：海水液压冲击扳手;海水液压无齿锯;海水液压钻;海水液压清刷器;海水液压外圆打磨器;海水液压链锯 。

图3 海水液压水下作业工具系统

如果该系统由普通船用电机或内燃机来驱动海水液压泵，可放置在母船甲板或码头、岸边，动力源与工具通过高压软管相连，用于浅海或近海作业。如果海水泵由潜水电机驱动，则系统可以放置于潜水器舱内或舱外，为工具或其它执行元件提供动力。

随着我国海洋开发事业的迅速发展，这种新型水下作业工具在海上救捞、海洋资源调查、船舶工程、海洋建筑等领域均具有广阔的应用前景。同时，海水液压动力工具还可以直接以淡水作为工作介质，用于内陆水库大坝、港口码头和河道工程等的检测与维护。

3 结束语

海水液压传动技术在载人潜水器中的应用分为两种类型：一是原来油压传动应用的场合，采用海水压传动技术来替代，如机械手和作业工具等，二种是原来不采用油压传动方式，但是海水液压传动由于其突出的优点和竞争力而被采用。可以预测，随着载人潜水器的大力发展，海水液压传动技术在海洋环境中将找到一个良好的应用平台。

[1] 刘银水，郭占军，朱碧海，等.海水液压驱动的水下作业工具系统[J].海洋技术，2006，25(4)：65-69.

[2] 汤国伟，邱中梁，高波.深海载人潜水器纵倾调节系统设计研究[J].液压与气动，2007，(4)：33-35.

[3] 茅及愚，张向明，徐国华，等.兰鲸号潜器两型机械手的结构设计研究[J].海洋工程，1998(2)：80-87.

[4] Usher S，etal.Towards awater-powered robot[J].Industrial Robot，1996，23(4)：19-23.

[5] Taylor P M，Kieffer J，Oldaker R，etal.A water hydraulic robot[C].Proceedings of the 32nd Conference on Decision and Control，Part 2(of 4)，Dec15-17，v2，1993：1911-1912.

[6] 吉滩裕，佐佐木宏，成濑俊久.海水压驱动マニピュレ—タにつぃで[J].油压と空气压，平成 3年，9月，22卷，6号：48-55.

[7] 刘银水，王晓斌，吴德发，赵立志.移动式水液压驱动水下作业工具系统[J].机床与液压，2008(10)：14-17.

[8] LIU Yin-shui，JIN Feng-lai，WU De-fa，etal.Developmenton the power pack of and underwater tool system d riven by seawater hyd rau lics[C].Proceedings of 7th ICFP'2009，Hangzhou：471-475.