海水水下液压装置的发展前景

宜昌测试技术研究所　任　奕



海水水下液压装置的发展前景

宜昌测试技术研究所任奕

【摘要】水下液压执行系统具有诸多优势，因此广泛应用于载人或无人水下技术领域。淡水工业液压系统发展最为迅速，然而海水作为受压液体发展前景良好、清洁环保，因此必将成为液压装置的主要发展方向。本文对海水水下液压装置的原理基础以及原型机综合试验设计作了阐述，并提出改进方法。

【关键词】海水液压系统；受压液体；水下技术

0　引言

液压执行系统广泛应用于载人或无人水下技术领域。水下液压执行系统的优势如下：

（1）高效调节、无减速模式下速度区间大、极限负载限制简便；

（2）轻松实现组件液压卸载，对抗外部水压作用；

（3）液压装置尺寸小、重量轻，能够组装具有较高单位动力装备率的快速执行装备。

液压系统在水下技术中应用的问题之一是可靠性保障。潜航器多年的运营经验表明，大部分的故障是海水渗入液压系统造成的。工作型遥控无人潜航器及载人潜航器都装有大量液压执行机械装置，每一个液压组件对于液压系统的密封性都是潜在威胁。海水侵入液压系统会造成矿物质受压液体分解、液压装置内部结构不可逆的腐蚀损坏，并大大降低强电与弱电电路中的绝缘电阻。

提高液压系统可靠性的基本方法是使用海水作为受压液体，这是建立新型水下液压系统的前提条件。海水液压执行系统的应用不仅可以提高可靠性，还能够降低运营成本、消除火灾风险、改善环保指标，更加可以提高人员安全水平。

1　含水受压液体液压系统的现代应用领域

含水液压系统的工业化生产始于19世纪初。首批系统的运营试验几乎都失败了。因此后来实际上技术领域应用的只有传统的矿物质受压液体。含45%水的液体都应用在对防止火灾及爆炸风险要求较高的领域。一些特殊情况下会应用到矿物油与水的分散混合剂：油水乳化液（60%油和40%水）和水油乳化液，后者含水比例为98%。

含水（包括工业用水）受压液体液压系统的高速发展开始于上世纪90年代。自那时起含水液压成为一个独立的发展方向。得益于自身的一系列优势，这种液压系统在诸多领域得到广泛应用。

淡水工业液压系统发展最为迅速。可以肯定，在地面技术领域已经积累了大量利用淡水作为低压及高压（液压传动装置）液压系统的受压液体的工作经验。世界市场上存在一系列淡水液压系统产品。生产厂家包括：Danfoss（丹麦）、Water Hydraulics（英国）、Cat Pumps（美国）和HL Hydraulic GmbH（德国）。这些企业的产品目录足以构建各种地面用工业液压系统。

地面含水液压的主要科研和试验设计的方向如下：

（1）利用新型材料和覆盖物提高液压组件的耐腐蚀性；

（2）消除由紊流作用造成的材料表面侵蚀现象；

（3）降低在低润滑条件下液压系统内部可移动组件之间的摩擦；

（4）降低水的容积损失来保障液压系统的动力特性。

水下技术领域中海水液压系统的发展异常缓慢。尽管海水作为受压液体发展前景良好、清洁环保，但目前仅有一例应用实例。上世纪80年代美国提出制造新型潜水用具计划，在海军土木工程实验室（Navy Civil Engineering Laboratory）进行了有关海水液压系统的首次尝试，但目前仍没有实质进展。

水下技术领域已知的仅有一次使用海水液压系统的实例。文献表明本次活动与遥控无人潜航器原型的研制有关，潜航器的推进器要利用到液压系统。推进系统包括水泵站和3个同型液压传动装置。液压系统由Danfoss公司生产的一系列组件构成。有关液压系统结构方面的细节信息文献中没有提及。

2　构建海水水下液压执行系统的原理基础

作为能量的直接载体，受压液体是液压系统的主要组件，负责系统内的立体联系。评估传统液压系统中受压液体质量的主要指标为：粘性、化学及物理稳定性、耐腐蚀性、对弹性密封材料的侵蚀度、润滑性、热物理性、耐火性以及冰点。此外，液压系统成功运行的必要条件之一是受压液体的清洁性，即其中不能存在杂质，否则可能影响液压系统的工作效率。

对淡水受压液体的研究已经相当完备。尽管其润滑性和工作效率较低，引起结构材料发生腐蚀，但与矿物质液体相较，淡水受压液体拥有以下几点优势：

（1）环保可操作性与安全性；

（2）不燃性与防爆性；

（3）低粘性，可减少能量远程传输过程中的损耗；

（4）高热容与导热性；

（5）低压缩性。

海水与淡水受压液体的区别很大，正是利用这些区别来制造新型液压系统。海水的含盐度和生物活性将对液压系统的技术及运营参数产生较大影响。

海水中高浓度的溶解盐对液压传动装置的结构提出了较高要求。密闭条件下，由于海水的蒸发在液压部件外表出现溶解物沉积现象，可能导致可移动组件的卡滞。利用海水作为受压液体的主要原因是海水的高导电性。由各种结构材料制成的电偶在海水中出现明显的电化学腐蚀现象。此外还存在结构材料的局部腐蚀现象。为了达到指定特性，通常在液压组件中使用各类材料：结构钢、合金钢、青铜以及铝合金。显然这些材料不适于制造海水液压系统组件。设计液压系统的组件如控制电路或信息线路时，必须考虑到海水的导电性。这些组件的结构中应该包括对抗海水的电路保护装置。

海洋是各种生物栖息的场所，因此海水中包含各类微生物和海洋动植物生命活动的产物。从使用角度看，微生物可视为非溶解成分，并会影响受压液体的清洁性。微生物的数量取决于水体的地理特点、深度和季节因素。0~6000m深度区间内微生物的大小在0.1μm（细菌浮游生物）到200μm（浮游植物、微型浮游动物）之间。因此为了保障液压系统的正常运行，应该确保受压液体的渗透清洁度达到10~20μm水平，在制造海水过滤装置时应该考虑到微生物的影响。

3　海水液压系统原型机综合试验设计

为了进行海水条件下的实物试验制造了1个试验台，其中包括液压系统原型机、备用测量计、控制和数据收集装置。试验台的所有组件在水下安装完成。

借助试验台首先进行的是原型机系统试验，包括寿命试验。由于受压液体选用的是自来水，因此水下液压系统原型机的特性没有评估。因此计划在进行海试时启用液压系统原型机和海水过滤系统。实物试验的结果可以作为后续开发海水水下液压系统的理论依据。

4　结论

制造新型液压系统的关键在于水下技术新材料、覆层以及密封技术的选择。材料领域中前景突出的是陶瓷与非金属，这些材料的研发技术属于独立学科。尽管水处理的方法和装置还需要长期试验，但可以肯定，海水质量达标的问题必将被解决。