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一种深海液压系统压力补偿装置的建模与应用
发布时间：2017-11-22
1引言
对于应用于深水环境中的液压系统,必须考虑水压对系统的影响,否则,液压系统便不能正常工作,为此,科技工作者采取了各种方法。最传统的做法是将液压控制元件与执行器置于一个能承受水压的压力容器中,这种方式会带来系统笨重、结构复杂和特殊动密封等一系列问题;据报道,一些水下液压系统采用水下压力平衡器或者压力补偿器来实现水压的补偿;还有一些水下液压系统的研究人员为了消除水压影响而将用于压力补偿的液压补偿单元与液压系统本身混合在一起进行研制;对于一些水下机器人或水下施工设备的压力补偿,目前有一些专用的压力补偿器产品。上述这些压力补偿方式尽管能消除水压对系统的影响,但大都会增加系统的体积和重量,有的还会额外消耗系统的能量[1-3]。
借鉴深水液压系统的压力补偿方法,结合深海环境的特点,对深海液压系统的压力补偿方法,目前主要有3种方式:一是采用弹性膜片的方式,该方式先将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个腔体里,然后在腔体里灌满油,再在腔体的端部安装弹性膜片来实现内外压平衡。此种方式对弹性膜片的质量要求较高,而且安装较为复杂,GAMOS原位化学分析器就是采用此种方式[4]。二是将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个充满油液的橡胶管里,通过橡胶管的弹性变性来消除外界高压海水的影响。这种方式虽说简单,但由于橡胶管空间有限,应用上会受到一些限制。三是采用外接皮囊的方式,该方式亦是将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个充满油液的腔体里,然后在腔外接一个充满同种油液的皮囊,通过皮囊的弹性变性来实现压力补偿,本文将对这种压力补偿方式进行研究,并对其压力补偿过程进行建模分析,以便对其设计提供定量的依据。
2外接皮囊的压力补偿装置的设计及其工作原理
外接皮囊的压力补偿装置如图1所示。在该图中,液压元件被封装在充满甲基硅油的有机玻璃管中,在管外接了一个亦充满甲基硅油的皮囊。依靠该皮囊的弹性变形来自适应外部海水压力的变化,从而消除海水压力对液压系统的影响。考虑深海环境的腐蚀性,皮囊的材料选用的是氟橡胶,其头部螺纹接头采用的是纯钛。由图1可以看出,有机玻璃管腔涉及到多处密封,但由于内外压是平衡的,其密封要求不是很高,在结构上很容易实现。
如图1所示,当皮囊受到外界海水压力时,发生弹性变形而导致皮囊里的甲基硅油在压力的作用下被压缩。在此压缩的过程中,压力被同时传到有机玻璃管腔里的甲基硅油,从而使有机玻璃管腔里的甲基硅油也被压缩。另一方面,有机玻璃管在压力的作用下本身也会发生微小的压缩变形,其内腔容积会有微小的减少。从物理结构上看,甲基硅油的总压缩体积与有机玻璃管的内腔容积的减小体积之差值由皮囊的变形容积来补偿。在这个体积补偿的过程中,皮囊里的甲基硅油和有机玻璃管腔里的甲基硅油的压力与外界海水压力相等。于是,有机玻璃管以及管腔里封装的液压元器件的内外压也都达到了平衡,这是因为:
(1)有机玻璃管的外压是外界海水压力,而内压是来自管内甲基硅油的压力,由上分析可知,此两个压力是相等的,故有机玻璃管本体的内外压是平衡的;
(2)当液压系统工作时,液压元器件的内部流动的是与外界水压相等的流体,而液压元器件的外压亦来自管内甲基硅油的压力,由上分析可知,此两个压力是相等的,故有机玻璃管内封装的液压元器件的内外压也是平衡的。
综上所述,该压力补偿装置主要是借助甲基硅油介质,通过皮囊的弹性变形以及高压下密闭流体具有一定的压缩性来实现的,它所应用的基本原理主要是帕斯卡定律。在甲基硅油压力补偿的作用下,液压系统的内外压达到平衡。
3压力补偿过程的建模与分析
由上述定性分析可以看出,有机玻璃管腔里封装的液压元件能自适应压力的变化,起关键作用的是充油皮囊。该皮囊容积选取多大是此压力补偿方式中最为重要的问题,因为皮囊容积太大,势必会增加整个系统的体积和重量,皮囊容积太小,补偿油液的体积不够起补偿的作用,因此,有必要建立该压力补偿方式的数学模型,然后进行定量分析。
设图1所示的有机玻璃管内油液的体积为VG0;皮囊内油液的体积为VL0;甲基硅油的体积弹性模量为Ks;有机玻璃管的弹性模量和泊松比分别为EG和μG;有机玻璃管内油液受压后的体积变化为ΔVG;有机玻璃管受压后的体积变化为ΔVG1;皮囊内油液受压后体积变化为ΔVL1;皮囊受压后容量的变化量为ΔVL,亦即实现压力补偿需要的补偿油液体积。当补偿装置处于内外压平衡时,由上述定性分析可知,体积变化满足如下关系式:
ΔVL= |ΔVG| + |ΔVL1|-|ΔVG1| (1)
根据液体体积弹性模量的定义K=1/β,β为液体的体积压缩系数[5],且
式中,ΔP为液体压力的变化值;ΔV为液体体积在压力变化ΔP时的体积变化量。V为液体的初始体积。
图1所示的有机玻璃管属于厚壁圆筒,根据材料力学知识,当有机玻璃管受内压p1和外压p2作用时,在半径r的圆柱面上点的径向位移Δr和沿长度l方向的位移Δl分别为[6-8],
式中,r1、r2分别为有机玻璃管的内半径和外半径。由于r2>r1,并且在压力平衡的建立过程中有p2>p1,而μG=0. 32,故由上两式可知,Δr<0,Δl<0,即有机玻璃管在压力建立过程中,是被压缩的,体积是减小的,故
由于Δr和Δl非常小,可以忽略上式中Δr和Δl的二次项,从而得到
ΔVG1= 2πr1L |Δr |+πr21|Δl | (9)
式中,L为有机玻璃管的长度。
在式(6)和(7)中,代入有机玻璃管实际尺寸,即,取r=r1, l=L,然后代入式(9),可得
当有机玻璃管内外压平衡时,设海水压力为p,有p1=p2=p,代入上式,可得,
根据图1压力补偿装置的实际尺寸,上式中的常量取值分别为,VG0=1. 425×10-3m3,r1=80 mm,VL0=2. 6×10-4m3,Ks=1. 1×109Pa,L=330mm,μG=0.32,EG=3. 16×109Pa。又Δp=p-p0,而p0为大气压,即p0=1. 01325×105Pa,将上述常量代入(12)式,可得,
ΔVL=9.65×10-13p-1.55×10-7 (13)
由式(13)可以看出,ΔVL是海水压力p的单调递增函数,此液压系统的最高应用压力为70 MPa,故p的取值范围为p0≤p≤70MPa,于是可以得到ΔVL对p的变化曲线。
可看出,当p=p0(大气压,取0. 1MPa)时,ΔVL=-5. 7×10-2mL,此体积相当微小,可以忽略不计,它表示在大气压下,系统内外压平衡时,因有机玻璃管内外径不同而存在相当微小的压缩变形。当p=70MPa时,ΔVL=67. 4 mL,即当系统工作于设计的极限压力70 MPa下时,需要补偿的油液体积为67. 4mL,这就告诉我们,皮囊的容积不能小于67. 4mL。当系统工作于p0≤p≤70MPa之间时,可以依照图2所示的曲线来设计皮囊的容积,从而为图1所示的压力补偿装置提供了设计依据。
4应用
根据图1所示的设计方法,制作了一种应用于40MPa的压力补偿装置实物,如图3所示,可以看出,在该图中有3个皮囊,其中,入水皮囊和出水皮囊是保证在高压时使流体形成回路;而硅油皮囊则是起压力补偿作用的皮囊,根据图2的设计依据曲线,该皮囊里面装有60 mL的甲基硅油。
将图3所示的压力补偿装置配置于一种深海热液pH值原位探测器上。2008年1月上旬,此探测器被带至9°50′N, 104°17′W的海底工作,如图4所示。该探测器测得了经过校正的深海热液的pH值,表明该探测器能在海底可靠和稳定地工作,从而证明了该探测器所采取的压力补偿措施发挥了应有的作用。
5结束语
随着深海探测技术的发展,越来越多的液压装置需要直接运行于深海环境中,研制其简单可靠的压力补偿装置显得尤为重要,利用皮囊的弹性变性来实现压力补偿不失为一种良好的选择。本文对这种补偿方式进行了建模分析,找到了该种补偿方式的设计依据曲线,并通过实际应用验证了此种设计方法的正确性。
摘自：中国计量测控网
