深海集成油压源测试平台的设计与实现

曹学鹏 ，焦生杰 ，顾海荣，荣一辚

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064;2.四川海洋特种技术研究所，四川 成都 610041）

目前，国内深海油压源的设计和开发主要基于对已有陆用油压源深海适应性改造的方法[1-2]，潜在对深海环境因素的影响考虑不周的问题。为了验证样机的适应性并发现设计存在的不足，需进行反复的海试。海试具有试验周期长、测试项目有限、测试设备要求高、试验成本昂贵等特点，搭载远洋试验船又易受台风、海浪、洋流等不确定因素的影响，故多用于样机正式投入使用前的验证测试[3]。为此，大气下模拟深海环境的测试技术和平台搭建就显得尤为重要。本文开展模拟深海高压的集成油压动力源测试平台的设计并进行相应的试验研究，以提高测试效率，缩减试验周期和成本，为深海油压源产品化提供急需的测试平台和硬件支撑。

1 测试平台技术指标

被测深海油压源最大工作水深为4 500 m，在这一海层，海水温度保持恒温，约在3℃左右，海水密度基本保持1.028 g/cm3，盐度在3.3%～3.7%之间，因上层海水自重的存在，油压源受到海水环境压力的作用[4-5]。对于内浸式压力补偿结构，海水高盐度仅对储油箱外壁产生腐蚀作用，而对油压源系统本身并无影响。因此，深海环境的模拟包括环境温度、环境压力的两大环境因素，另外，测试系统还需考虑油压源液压量调节及负载作用，设计的测试平台主要技术参数如下：

（1）环境压力：0～50 MPa；

（2）环境温度：20～40℃；

（3）压力、流量输入可动、静态调节；

（4）负载模拟可实现动、静态加载。

2 测试平台的方案设计

图1 耐压舱下溢流阀直接加载方案原理图

深海油压源测试平台设计时，既要较真实地模拟深海极端环境条件及工况特点，还需兼顾大气环境下实际条件的影响和限制。为此，根据加载方式的不同，提出下述两种测试设计方案。

2.1 耐压舱下溢流阀直接加载方案

设计的耐压舱下溢流阀直接加载方案的系统组成如图1所示，由两个液压子系统及数据检测系统组成。

（1）深海环境高压模拟系统，由高压泵21和电机22组成的液压动力源，配合开关阀19.1、19.2及溢流阀20，实现耐压实验舱17.1、17.2内环境压力在0～50 MPa范围的调定，以达到深海环境压力的模拟。

（2）溢流阀直接加载的油压源测试系统。由电机、被测泵及电气检控装置、加载阀组成，测试原理为：电机3驱动被测泵运转，泵出口压力和耐压舱17.1内的环境压力比较后，与压力控制信号Pin形成的差信号经闭环放大器处理，驱动阀10开口变化，实现泵1的压力调定，此时流量输入Qin保持恒值，反之亦然。溢流阀25信号if实现泵的加载功能。阀25的进出油口分别与舱17.1内泵出油口和内腔连通，使两子系统内油液循环流动，使舱内液体始终充满，保证环境压力的相对稳定。

（3）数据检测系统则由压力、流量传感器、示波器、数据采集卡、计算机等组成，图1中11、16、26所示。

该方案的优点在于油路图相对简单，实验装置和负载加载元件也较少，溢流阀直接加载便捷，测试结果能较直接地反映油压源自身的响应特性，存在不足是，在节流加载的密闭式油路中，因节流作用产生的热量将随油液一起流回密闭油箱（模拟舱）中，难于进行有效散热，导致油温升高，无法对恒深海环境温度形成有效模拟。

2.2 大气下液压泵-溢流阀加载方案

制定的大气下液压泵-溢流阀加载方案，其系统组成如图2所示，由3个液压子系统和数据检测系统组成。深海环境高压模拟系统和数据检测系统和第一种方案完全相同，而加载系统则由溢流阀直接加载变为先经耐压舱17.2内液压马达25输出扭矩，通过联轴器传递给液压泵24，最后再利用溢流阀25实现大气下的加载。故测试平台加载系统由高压舱内被测泵和液压马达组成液压能传递单元和大气下液压泵和溢流阀组成的加载装置两个子系统构成。泵的调节和测试过程和方案一基本相同，所不同是，阀25的加载调定压力低于其直接加载时。

图2 大气下液压泵-溢流阀加载方案原理图

图3 深海油压源测试平台装置图

该方案采用大气下间接加载的方式，其优点是执行元件液压马达本身效率高，能量损耗小，主要能量消耗在大气加载系统中的加载溢流阀上，其节流产生的热量带回大气下的油箱，故耐压舱内的液压子系统发热少，油温较稳定，在长时间运行后测试结果也相对准确，前后波动小。该油路图结构复杂，实验装置多，调试过程也较繁琐，同时当深海电机输出驱动功率较小时，经自身搅油损耗、马达损耗和联轴器机械损失后，传递到加载溢流阀的功率较小，加载溢流阀负载压力的调定范围较小，此外，马达与联轴器间需采用高压旋转密封，技术成本要求高。

综合考虑被测油压泵的测试项目和数据多，连续实验时间长，负载特性要求不高，采用第二套方案作为本测试平台的设计方案，搭建的油压泵测试平台的装置如图3所示。

3 平台的测试与分析

在测试平台对深海油压源样机进行试验，以检验测试平台的合理性和实效性，同时验证平台设计方案的可行性。

3.1 静态性能检测

通过高压泵分别给两个耐压试验舱依次加压至15 MPa、30 MPa、50 MPa，各保压6 h。试验结果表明，在各加压过程中，两舱内压力均平稳缓慢增加，无异常响动，动静密封部位无泄漏。保压阶段模拟环境参数及泄露情况如表1所示，可知，平台测试系统可实现变环境压力的模拟，静态时维持环境温度不变，在历经较长的保压过程后，环境压力仍保持基本不变，说明耐压舱强度及密封装置可靠，满足预设的目标。

表1 模拟环境参数变化表

3.2 平台上油压源性能测试

3.2.1 流量、压力调节性能测试

将平台下油压源性能装置（如图3所示），分别缓慢调节图2中控制输入Pin、Qin，同时分别保持负载输入if为最大或为零，从而完成不同环境压力下油压源压力和流量的稳态控制特性的测试（图4、图5）。动态测试时控制输入为阶跃信号，不再赘述。

图4 电压-压力控制特性测试曲线

图5 电压-流量控制特性测试曲线

从测试结果不难看出，无论压力还是流量控制特性，在环境压力30 MPa下，测试系统均可以实现与大气压下一样的连续稳定调节，表明测试平台在模拟深海环境工况的同时，又避免了环境参数对油压泵控制性能的不利影响，实现对油压源的静态压力和流量的合理调节。另外，实时监测结果表明，在整个测试过程中舱内环境压力波动小于0.3 MPa，连续运行时温度增加未超过15℃，达到了测试平台的技术指标，说明采用大气下液压泵-溢流阀加载方式可有效缓减环境温度的增加，验证了该方案的合理性。

3.2.2 负载加-卸载性能测试

将控制输入Pin、Qin分别调定为最大设定压力和流量的20%和100%，使加载输入if依次从零增加到最大再减小为零时，进行负载的加-卸载性能测试（图6）。

图6 调定压力20%、流量100%时不同环境压力下油压源的加、卸载性能测试曲线

由图6可知，环境压力30 MPa和大气压时，油压源系统的负载模拟均可实现连续稳定的调整，满足平台变负载调节的要求，表明大气下液压泵-溢流阀加载方式是有效的，可以满足测试要求。图中卸载阶段两曲线存在较大区别，这与环境压力增大使油液粘度增加而导致粘性阻尼和摩擦损耗增加有关，而与测试系统加载设置无关，说明变环境压力下负载模拟是可行的。

4 结论

通过搭建的深海集成油压源平台测试，表明采用大气下液压泵-溢流阀加载方式的平台设计方案可有效地减少耐压舱内温度的增加，同时避免了环境因素对油压泵控制性能的不利影响。测试平台可进行深海环境压力0～50 MPa、环境温度20～40℃范围的深海工况模拟，亦可实现在变环境压力下油压源压力、流量、负载等参数与大气压下一样便捷的动静态性能测试，经试验验证，该测试平台的设计和搭建是成功的。

[1]陈建平.水下机器人液压泵站设计研究[J].液压与气动，1997(2):10-12.

[2]曹学鹏,王晓娟,邓斌,等.深海液压动力源研究现状及关键技术[J].海洋通报,2010，29(4):466-471.

[3]李硕,燕奎臣,李一平,等.6000 mAUV深海试验研究[J].海洋工程,2007(11):1-6.

[4]Peter Albers.Motion Control in Offshore and Dredging[M].Delft:Springer Press,2010.

[5]瀧澤美奈子.深海の不思議[M].东京：日本実業出版社,2008.