深潜型海水液压动力系统的研究

1、深潜型海水液压动力系统的研究2010年7月第38卷第13期机床与液压machinet00l&hydraulicsju1.2o10vo1.38no.13doi:10.3969/j.issn.10013881.2010.13.002深潜型海水液压动力系统的研究蒋卓,刘银水,吴德发,郭志恒,陈经跃,朱玉泉(华中科技大学机械学院液压气动技术研究中心,湖北武汉430074)摘要:以海水直接作为工作介质的海水液压传动在深海应用具有系统简单,维护方便等突出优势.研制一种深潜型海水液压动力系统,该系统由深潜电机驱动,压力l014mpa,输出流量30l/min,设计工作深度4000m,该动力系统可用于驱

2、动海水液压水下作业工具.介绍该系统的组成,工作原理,重要参数的选择和确定以及关键元器件的研制,水下漏电保护,污染控制等关键技术问题.目前,该系统已交付现场使用,试验表明,该系统很好地满足了海水液压水下作业工具的要求.关键词:海水液压系统;动力源;水下作业工具中图分类号:th137文献标识码:a文章编号:10013881【2010)130043researchonthedeepseawaterhydraulicpowersystemjiangzhuo,liuyinshui,wudefa,gu0zhiheng,chenjingyue,zhuyuquan(schoolofmechanicalscie

3、nceandengineering,huazhonguniversityofscienceandtechnology,wuhanhubei430074,china)abstract:theseawaterhydraulictransmissionutilizingseawaterdirectlyastheworkingmediumhasoutstandingadvantagesin-cludingthesimplesystem,easymaintenanceandsoonwhenappliedindeepsea.adeepdiveseawaterhydraulicpowersystemforu

4、nderwatertoolswasdeveloped.thesystemwasdrivenbyadeepdiveelectricmotorwithpressure1014mpa,flow30l/min,andthedesigndepth4000m.thecomposition,workingprinciple,importantparametersofthesystemandsomekeytechnicalproblemssuchasresearchingonkeyelements,underwaterelectricityleakageprotectionandpollutioncontro

5、lwereintroduced.thesystemhasbeendeliveredoffsiteuse.thetestsshowthatthesystemcanperfectlymeettherequirementsofseawaterhydraulicunderwatertools.keywords:seawaterhydraulicsystem;powersystem;underwatertools海水液压传动直接以海水为工作介质,与传统油压传动相比,具有系统简单,取材方便,压力损失小,与周围环境友好等优点,广泛地用于海洋开发,深海探测,抢险救生及水下军事研究工作中.传统深潜型液压动力源以

6、液压油为介质,存在以下缺点:(1)以油为介质,泄漏后污染环境;(2)需要压力补偿装置,油箱等,系统复杂;(3)密封要求严格,海水侵入容易引起油液变质,工作可靠性差.以海水为工作介质的深潜型液压动力源有效地克服油压动力源的不足,同时,海水的黏度小,远距离传输压力损失小,有利于深海作业.对于海水液压动力源而言,其下潜深度主要取决于电气元件,如电机,接头及检测元器件的耐压深度.目前国内海水液压动力源所能到达的作业深度为300m,为华中科技大学于2002年研制成功.大深度(特别是1000m以上)的海水液压动力源对电气元件的水下漏电保护,系统及元器件的密封性,抗污染能力及系统的可靠性方面提出了更高的要求

7、,作者在解决这些问题的基础上研制成功了作业深度为4000m的海水液压动力源,用以驱动海水液压水下作业工具.1工作原理及系统组成该系统直接投放于水下工作,主要由潜水电机,海水液压泵,溢流阀,流量阀,过滤器及电控制柜等元器件组成.系统原理如图1所示:海水液压泵2由潜水电机3驱动,直接从周围海洋环境中吸水,经过滤器1过滤后进入液压泵,泵出口压力由溢流阀7调定,并由压力表5显示,系统回水经单向阀9直接排入周围海水中,系统输出的高压水通过快换插头10与水下作业工具相连,流量阀6调定通往水下作业工具的流量.下面阐述系统主要元器件参数的选择.(1)系统额定压力的选择收稿日期:20100423基金项目:国家自

8、然科学基金资助项目(50975101)作者简介:蒋卓(1986一),男,博士研究生,主要研究方向为水液压传动.电话email:jiangzhuo33第l3期蒋卓等:深潜型海水液压动力系统的研究?5?1,4一过滤器2一海水泵卜潜水电机卜压力传感器6一流量阀7一溢流阀8一卸荷阀单向阀1快换插头图1海水液压动力系统原理图该系统用于驱动水下作业工具工作.水下作业工具分旋转型工具和往复型工具两类.往复型工具在相同作业能力的情况下,系统压力和液压缸的面积成反比,系统压力越高,则液压缸体积越小,工具重量越轻.结合现有技术水平及工具指标,系统额定压力确定为14mpa.(2)系统额定流

9、量的选择传统液压动力源为闭式系统,可在水下驱动作业工具进行打磨,切割,钻孔等作业,作业完成后液压油流回油箱.在压力等级1216mpa下,额定流量为28l/min.表1为美国1984年研制成功的水下作业工具的性能指标,其中旋转型工具的流量均为26.5l/min.表1美国研制的水下作业工具性指标工具类型摊钻孔器在水下结构物上钻孔5.2冲击扳手拧紧或放松螺栓8.4冲击钻在水下金属及岩石上钻孔10.0盘形工具完成清刷,打磨,切割等5.57.0螺旋浆清除螺旋浆表面清洗刷附生物及污染物等带锯水下切割各种材料2.1对比油压类深海动力源和国外技术指标,结合已有技术,确实该系统额定流量为30l/min.(3)影

10、响系统深度的因素该系统作业深度设计指标为水下4000m,要求液压元件(泵,阀等),电气元件(潜水电机,水密接头等)均能正常,稳定工作.该系统为开式系统,液压泵和液压阀直接以海水为工作介质,自动补偿水深压力,不受系统工作水深影响.水下作业时,潜水电机的耐压性和密封性,水密接头的密封性及绝缘程度,很大程度上决定了该动力源的水下作业深度.综上所述,确定后的系统主要参数如表2如示.表2系统及主要元器件参数组成主要技术指标参数参数值2关键技术深潜型海水液压动力源,除必须研制出适应以海水作为工作介质的高性能液压元件外,必须着重解决以下两个问题:(1)关键电气元件及漏电保护;(2)污染控制.2.1关键电气元

11、件及漏电保护在大深度工况下,潜水电机的关键技术是密封与耐压.为达到指定设计深度,在以往的基础上,作了如下改进:(1)电机的重要零部件均采用新材料,结构简单,运行可靠,使用寿命长,维护方便;(2)电机尾部设有橡胶膜,电机内部充有防冻液,用于补偿水深压力;(3)电机轴输出端有机械密封,各止口为0形圈密封;(4)定子绕组有良好的绝缘和耐水性能.l动力电缆2一聚氯乙烯粘带卜自熔乙丙橡胶带41.0裸铜线5一丁基橡胶自粘带6_一电机引出电缆图2水密接头与电机相连密封原理图电缆选用承载强度高的绝缘电缆,并连接一硫化的水密接头.水密接头一端接外部电源,另一端与电机相连,为在水中高压环境下达到很好的绝缘效果,与

12、电机相连一端作了如下处理,原理如图2所示:(1)将铜芯线氧化物等清除干净,预先搪锡处理,用4,1.0mm的裸铜线包扎紧,再进行搪锡焊接处理;(2)底层用丁基橡胶自粘带半叠包3层,再用自熔乙丙橡胶带半叠包扎2层,每层逐渐向外延伸;(3)5555556.266666v222229第13期姜万录等:基于蚁群优化的神经网络智能pid控制策略研究?25?最小,即控制器的稳定性最好,但综合比较系统性能指标的均值项,最大值项(max项),不难发现,aco-bp-rbf-pid控制器下系统系统响应快,超调量小,性能更优.期望输出设定为2mm,则基于不同网络pid控制器下的响应曲线如图2,3所示;基于不同网络p

13、id控制器下对幅值2mm,频率1hz正弦信号的跟随曲线如图4所示./雾d_v1il=,v图2基于bp-pid控制和bprbfpid控制/,a.f,一一一/一期望输出一基于ga.bp.rbf.pid一基于aco.bp.rbi.pldt/ms图3基于gabp-rbf-pid控制和acobprbfpid控制鲁暑图41hz正弦信号跟随曲线从图2,4可以看出,bprbfpid网络控制器与bp.pid网络控制器控制效果差别不是太大,系统的动特性比较差.从图3,4可以看出,基于acobprbf.pid网络控制器下系统响应快,超调量小,跟随性好,性能更优.期望输出设定为2mm,0.5s时在控制对象输入端加入幅

14、值为1的扰动,基于acobprbf-pid控制器控制下的仿真曲线如图5所示.从图5可以看出,大扰动下,系统可以很快适应系统状态变化,辨识输出跟随输出,基于aco.bp.rbfpid控制器具有很好的抗扰动能力.暑昌图5扰动下的系统响应曲线3结论(1)提出一种acobp.rbf.pid控制器,通过与bppid,bp?rbfpid,ga-bp-rbfpid对比,结果表明,采用该控制器控制下的系统具有更好的动态响应特性,响应快,超调量小,跟随性好.(2)基于aco.bprbfpid网络控制器控制的系统具有很好的抗扰动能力.(3)acobprbf-pid网络控制器学习效率高,算法收敛速度快.参考文献:【

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