水下大型接插件密封和分离力测试系统的开发

(1.江苏建筑职业技术学院 机电工程学院， 江苏 徐州　221116； 2.中国矿业大学 机电工程学院， 江苏 徐州　221116)

引言

目前，深海资源开发对国防科技和国民经济发展起到重要作用，这些深海开发所用设备的先进程度是决定开发成果的关键因素，而水下电接插件是这些设备和装置中最为常见的器件。水下电接插件作为电接插件的一个重要分支，其良好性能是所用设备正常使用的保障。

水下电接插件包括三大基本性能，即机械性能、电气性能和环境性能[1]。机械性能，就连接功能而言，插拔力是重要的机械性能；另一个重要的机械性能是连接器的机械寿命。电气性能， 连接器的主要电气性能包括接触电阻、绝缘电阻和抗电强度。环境性能，常见的环境性能包括耐压、耐温、耐湿、耐盐雾、振动和冲击等。对于水下接插件， 随着水下设备上浮、下沉、悬浮，外部水压变化大，要求在压力剧烈变化的恶劣环境中密封绝对可靠，并且分离力必须得到保证[2]。

某研究所开发的水下作业装置中有一定制电接插件，设备检修时，该接插件需要在深海作业现场脱开，所以需要对所开发的电接插件的密封和分离力进行测试。如果直接进行深海试验，成本高、周期长， 故一般在实验室进行模拟实际使用工况。在试验时通常将水下密封装置安装在压力容器中，控制压力容器容腔内的水压来模拟实际工作环境中的水压变化。借鉴文献[2,3]的思路，开发了一套模拟水压环境的电接插件密封和分离力测试系统。

图1　测试系统组成

1　测试要求与难点

本研究所提出的密封和分离力测试系统主要是模拟不同水深环境下，测试该接插件的分离力大小和密封情况。所以，首先被测试件必须被放置在能模拟各种水压的存水容器中，并且水压能够根据模拟水深来进行调节；其次测试过程中能够对该接插件施加拉力把该接插件脱开，并且能够实时测试脱开过程中的分离力。测试的主要难点有：

(1) 测试件必须浸没在受压的水环境中，如何测量接插件的受力是一个难点，并且测试的精度不能受到水压的影响；

(2) 加载力在水环境中如何产生，并且不能受到水环境的影响。采用力传感器的方式来测试分离力并不可行。因为力传感器是通过应变片的应力应变关系来测试，消除水压对应变片的形变影响很难控制，所以文献[4]中的方案不适合本系统。文献[5]给出了液压加载的方式来测试接插件的分离力的方案，但是，其液压加载装置和被试件全部放置在水压模拟装置中，因此容腔太大，更换测试件时，造成换水周期过长。本研究在结构设计上，减小了水压模拟装置的容积，只需放置被测试件，并且提出了通过控制油压来控制水压的环境模拟方式，这样采用成熟的液压控制来控制水压，可以大大提高压力控制精度。

2　系统组成与测试原理

2.1　系统组成

本研究所提出的测试装置如图1所示，该系统包括水压模拟装置、油水混合装置、加载测试系统和水压控制系统。

水压模拟装置主要是一个密封水箱，并有可以安装接插件的安装底座，加载油缸伸入到水箱内部，油缸活塞杆头部和接插件用螺纹连接，油缸缸套通过法兰盘与水箱连接，法兰盘上装有O形圈，用于密封。

油水混合装置是一个4 L皮囊式蓄能器，把原来蓄能器中的氮气换成水，直接和水箱相连。这个装置的作用一方面是油水分离，另一方面是在系统中起到压力传递作用。系统中采用该装置是为了通过控制油压来对水箱水压进行控制。被控油压将压力传递给水压模拟装置中密封的水，从而达到控制水压的目的。当该装置中油压高于水压时，皮囊被压缩，容积减少，水压升高，直至皮囊中水压与外部的油压相等。

水压控制系统主要是指油压控制系统，具体原理在2.3部分中介绍，其液压原理图如图2所示。通过控制油压来实现水压控制的原因是因为水压控制系统还不够成熟，很难保证精度，并且水压元件对污染极为敏感，容易出现堵塞、卡死等现象[6]。

图2　水压控制及拉力加载原理图

拉力加载系统是由一个对称液压缸和接插件用螺纹连接，加载力由液压系统控制。为了抵消水压对活塞杆端部D的作用力，在活塞杆的另一头加装一个补偿罩，补偿罩与水箱通过钢管连接，这样水压分别作用在活塞杆的两端D和D′，从而达到抵消水压对活塞杆的作用。

2.2　测试原理

通过液压泵往活塞杆左腔输入高压油，把油缸往右推，通过压力传感器G和H(图1),测试活塞杆两腔的油液压力得到油缸对接插件所施加的拉力。需要注意的是，加载时，活塞杆还受到缸筒的摩擦力，黏性阻尼力等，为了保证精度，需要将这一部分去除。

首先测试活塞杆空载摩擦力和阻尼力，如式(1)所示；其次测试油缸对接插件加载时的拉力，如式(2)所示；计算两者之差即得接插件脱开力，如式(3)所示：

Ff0=(pG0-pH0)S

(1)

式中,pG0为油缸空载时，左腔压力；pH0为右腔压力；S为缸筒和活塞杆面积差；Ff0为空载摩擦力。

Ff1=(pG1-pH1)S

(2)

式中,pG1为油缸加载时，左腔压力；pH1为右腔压力；Ff1为加载力。

FT=Ff1-Ff0

(3)

式中,FT为所测试的分离力。

2.3　水压控制

水和油的体积弹性模量都很大，几乎不可压缩，其压力变化和体积变化的关系如式(4)和式(5)所示：

(4)

式中：Vw为初始状态下水体积(包括管路、水箱和补偿罩的容积以及油水混合装置)；ΔVw为水在受压的状态下体积变化量；Δpw为水压的变化量；Ew为水的体积弹性模量，主要与水所含气体的量都有关。

(5)

式中，Vo初始状态下油体积(包括管路和油水混合装置)；ΔVo油在受压的状态下体积变化量；Δpo为油压的变化量；Eo为油的体积弹性模量，与油中所含气体的量都有关。图1中油和水的初始体积、体积弹性模量都不同，但是压力变化总是相等，只要控制油水混合装置中的油量就能控制油压。

方案所采用的油压控制原理图如图2所示，电机带动一双联齿轮泵，左泵向油水混合装置供液，多余的油液从比例溢流阀A的出口流出至油箱。右泵向加载对称缸供液，比例溢流阀B用来控制右泵出口压力。

水压控制原理图如图3所示，PI控制器根据预先设定的水压控制信号pt与压力容腔内的水压反馈信号pa，经PI控制器计算后，得到相应的控制电流值I来控制比例溢流阀的预控制压力pset，预控压力与油水混合装置中压差决定了流入该装置中的油液量，经过图3所示的闭环控制，最终pset和油压、水压达到平衡，进入油水混合装置中的油液量恒定。

图3　水压控制原理图

水压控制的关键问题有两个：

(1) 水箱不能有泄漏，一旦油水混合装置中的皮囊破裂，油水混合，液压系统受损。还有水箱不能对外界空气有泄漏，否则，水会流尽，最后水压不可控；

(2) 在对接插件施加拉力的时候，活塞杆会向外伸缩，在外伸瞬间，水不再受压，造成水压力突然下降较多，然后比例溢流阀重新控制进油量而达到设定油压。

虽然水压能重新稳定到设定压力，但是在加载瞬间水压变化很大，这违背了加载测试的试验条件，在结构设计时，提出加载油缸右侧加装补偿罩，并且水箱和补偿罩相连，这样在油缸加载时，活塞杆的动作不会影响水的压缩量，也不会影响水压，从而保证试验条件的准确性。

3　拉力加载及测试

3.1　测试步骤

(1) 设备安装完，首先保证油水混合装置中和加载油缸中的气被排出；

(2) 水箱加水，尽量将水箱中的气排出，否则会影响水的弹性模量，从而影响水压的飞升速率；

(3) 油泵开启，控制油压到设定压力，油缸动作，测试左右两腔压力得到空载摩擦力；

(4) 卸掉水压，在水箱中安装被试件，重新往水箱中注满水，并排出空气；

(5) 油泵重新开启，控制油压到设定压力；

(6) 控制油缸施加拉力，直至被试件脱开，实时记录数据，即得到分离力。

3.2　实验数据

对被试件在10 MPa水压环境的分离力和水压测试数据分别如图4和图5所示，所测油缸在空载的摩擦力如图4中实线所示，滑动摩擦力为20 N，刚开始时是静摩擦力，最大静摩擦力比滑动摩擦力稍大些。水压控制曲线在拉力测试之前，先稳定到10 MPa，水压的飞升速率比较快，但是有些超调。2.8 s开始拉力加载，加载瞬间，拉力增大，如图4中虚线所示，与此同时，水压有一点回落，但由于闭环控制的调整， 很快重新回升到10 MPa。虚线的峰值去除掉滑动摩擦力，即为所测分离力。

图4　分离力和摩擦力随时间的变化

图5　水压随时间的变化

4　结论

本研究开发了一套水下大型接插件密封和分离力测试系统，该测试系统具有如下特点：

(1) 采用液压加载和测试，避免拉力传感器在水下测试的不可行性；

(2) 在结构设计上，将加载液压缸放置在水箱外面，这样大大减小了更换被试件的装放水时间；

(3) 采用控制油压来控制水压的方式，提高了水压力控制精度。通过对被试件在10 MPa水压情况下分离力测试，试验数据验证了该水压模拟和测试方案的可行性。

参考文献：

[1]张国光.国外水下电接插件技术发展评价[J].海洋技术，1991，10(4)：46-53.

[2]聂勇,等.较大密闭容腔的高精度水压控制[J].浙江大学学报(工学报)，2011，45(10)：1821-1826.

[3]刘子俊，崔皆凡.海洋机器人用水下电机的深水密封研究[J].机器人，1997，19(1)：61-64.

[4]束理.在线测试水下缆索及钢索张力的探讨[J].机械管理开发，2005，(2)：30-33.

[5]张国光.水下电接插件研制中的试验设计问题[J].海洋工程，1993，11(2)：81-87.

[6]杨华勇，周华，路甬祥.液压技术的研究现状与发展趋势[J].中国机械工程，2000，11(12)：1430-1433.