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一種深海液壓系統壓力補償裝置的建模與應用
發布時間：2017-11-22
1引言
對于應用于深水環境中的液壓系統,必須考慮水壓對系統的影響,否則,液壓系統便不能正常工作,為此,科技工作者采取了各種方法。最傳統的做法是將液壓控制元件與執行器置于一個能承受水壓的壓力容器中,這種方式會帶來系統笨重、結構復雜和特殊動密封等一系列問題;據報道,一些水下液壓系統采用水下壓力平衡器或者壓力補償器來實現水壓的補償;還有一些水下液壓系統的研究人員為了消除水壓影響而將用于壓力補償的液壓補償單元與液壓系統本身混合在一起進行研制;對于一些水下機器人或水下施工設備的壓力補償,目前有一些專用的壓力補償器產品。上述這些壓力補償方式盡管能消除水壓對系統的影響,但大都會增加系統的體積和重量,有的還會額外消耗系統的能量[1-3]。
借鑒深水液壓系統的壓力補償方法,結合深海環境的特點,對深海液壓系統的壓力補償方法,目前主要有3種方式:一是采用彈性膜片的方式,該方式先將需要采取壓力補償保護的元器件封裝在一個腔體里,然后在腔體里灌滿油,再在腔體的端部安裝彈性膜片來實現內外壓平衡。此種方式對彈性膜片的質量要求較高,而且安裝較為復雜,GAMOS原位化學分析器就是采用此種方式[4]。二是將需要采取壓力補償保護的元器件封裝在一個充滿油液的橡膠管里,通過橡膠管的彈性變性來消除外界高壓海水的影響。這種方式雖說簡單,但由于橡膠管空間有限,應用上會受到一些限制。三是采用外接皮囊的方式,該方式亦是將需要采取壓力補償保護的元器件封裝在一個充滿油液的腔體里,然后在腔外接一個充滿同種油液的皮囊,通過皮囊的彈性變性來實現壓力補償,本文將對這種壓力補償方式進行研究,并對其壓力補償過程進行建模分析,以便對其設計提供定量的依據。
2外接皮囊的壓力補償裝置的設計及其工作原理
外接皮囊的壓力補償裝置如圖1所示。在該圖中,液壓元件被封裝在充滿甲基硅油的有機玻璃管中,在管外接了一個亦充滿甲基硅油的皮囊。依靠該皮囊的彈性變形來自適應外部海水壓力的變化,從而消除海水壓力對液壓系統的影響?？紤]深海環境的腐蝕性,皮囊的材料選用的是氟橡膠,其頭部螺紋接頭采用的是純鈦。由圖1可以看出,有機玻璃管腔涉及到多處密封,但由于內外壓是平衡的,其密封要求不是很高,在結構上很容易實現。
如圖1所示,當皮囊受到外界海水壓力時,發生彈性變形而導致皮囊里的甲基硅油在壓力的作用下被壓縮。在此壓縮的過程中,壓力被同時傳到有機玻璃管腔里的甲基硅油,從而使有機玻璃管腔里的甲基硅油也被壓縮。另一方面,有機玻璃管在壓力的作用下本身也會發生微小的壓縮變形,其內腔容積會有微小的減少。從物理結構上看,甲基硅油的總壓縮體積與有機玻璃管的內腔容積的減小體積之差值由皮囊的變形容積來補償。在這個體積補償的過程中,皮囊里的甲基硅油和有機玻璃管腔里的甲基硅油的壓力與外界海水壓力相等。于是,有機玻璃管以及管腔里封裝的液壓元器件的內外壓也都達到了平衡,這是因為:
(1)有機玻璃管的外壓是外界海水壓力,而內壓是來自管內甲基硅油的壓力,由上分析可知,此兩個壓力是相等的,故有機玻璃管本體的內外壓是平衡的;
(2)當液壓系統工作時,液壓元器件的內部流動的是與外界水壓相等的流體,而液壓元器件的外壓亦來自管內甲基硅油的壓力,由上分析可知,此兩個壓力是相等的,故有機玻璃管內封裝的液壓元器件的內外壓也是平衡的。
綜上所述,該壓力補償裝置主要是借助甲基硅油介質,通過皮囊的彈性變形以及高壓下密閉流體具有一定的壓縮性來實現的,它所應用的基本原理主要是帕斯卡定律。在甲基硅油壓力補償的作用下,液壓系統的內外壓達到平衡。
3壓力補償過程的建模與分析
由上述定性分析可以看出,有機玻璃管腔里封裝的液壓元件能自適應壓力的變化,起關鍵作用的是充油皮囊。該皮囊容積選取多大是此壓力補償方式中最為重要的問題,因為皮囊容積太大,勢必會增加整個系統的體積和重量,皮囊容積太小,補償油液的體積不夠起補償的作用,因此,有必要建立該壓力補償方式的數學模型,然后進行定量分析。
設圖1所示的有機玻璃管內油液的體積為VG0;皮囊內油液的體積為VL0;甲基硅油的體積彈性模量為Ks;有機玻璃管的彈性模量和泊松比分別為EG和μG;有機玻璃管內油液受壓后的體積變化為ΔVG;有機玻璃管受壓后的體積變化為ΔVG1;皮囊內油液受壓后體積變化為ΔVL1;皮囊受壓后容量的變化量為ΔVL,亦即實現壓力補償需要的補償油液體積。當補償裝置處于內外壓平衡時,由上述定性分析可知,體積變化滿足如下關系式:
ΔVL= |ΔVG| + |ΔVL1|-|ΔVG1| (1)
根據液體體積彈性模量的定義K=1/β,β為液體的體積壓縮系數[5],且
式中,ΔP為液體壓力的變化值;ΔV為液體體積在壓力變化ΔP時的體積變化量。V為液體的初始體積。
圖1所示的有機玻璃管屬于厚壁圓筒,根據材料力學知識,當有機玻璃管受內壓p1和外壓p2作用時,在半徑r的圓柱面上點的徑向位移Δr和沿長度l方向的位移Δl分別為[6-8],
式中,r1、r2分別為有機玻璃管的內半徑和外半徑。由于r2>r1,并且在壓力平衡的建立過程中有p2>p1,而μG=0. 32,故由上兩式可知,Δr<0,Δl<0,即有機玻璃管在壓力建立過程中,是被壓縮的,體積是減小的,故
由于Δr和Δl非常小,可以忽略上式中Δr和Δl的二次項,從而得到
ΔVG1= 2πr1L |Δr |+πr21|Δl | (9)
式中,L為有機玻璃管的長度。
在式(6)和(7)中,代入有機玻璃管實際尺寸,即,取r=r1, l=L,然后代入式(9),可得
當有機玻璃管內外壓平衡時,設海水壓力為p,有p1=p2=p,代入上式,可得,
根據圖1壓力補償裝置的實際尺寸,上式中的常量取值分別為,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為大氣壓,即p0=1. 01325×105Pa,將上述常量代入(12)式,可得,
ΔVL=9.65×10-13p-1.55×10-7 (13)
由式(13)可以看出,ΔVL是海水壓力p的單調遞增函數,此液壓系統的最高應用壓力為70 MPa,故p的取值范圍為p0≤p≤70MPa,于是可以得到ΔVL對p的變化曲線。
可看出,當p=p0(大氣壓,取0. 1MPa)時,ΔVL=-5. 7×10-2mL,此體積相當微小,可以忽略不計,它表示在大氣壓下,系統內外壓平衡時,因有機玻璃管內外徑不同而存在相當微小的壓縮變形。當p=70MPa時,ΔVL=67. 4 mL,即當系統工作于設計的極限壓力70 MPa下時,需要補償的油液體積為67. 4mL,這就告訴我們,皮囊的容積不能小于67. 4mL。當系統工作于p0≤p≤70MPa之間時,可以依照圖2所示的曲線來設計皮囊的容積,從而為圖1所示的壓力補償裝置提供了設計依據。
4應用
根據圖1所示的設計方法,制作了一種應用于40MPa的壓力補償裝置實物,如圖3所示,可以看出,在該圖中有3個皮囊,其中,入水皮囊和出水皮囊是保證在高壓時使流體形成回路;而硅油皮囊則是起壓力補償作用的皮囊,根據圖2的設計依據曲線,該皮囊里面裝有60 mL的甲基硅油。
將圖3所示的壓力補償裝置配置于一種深海熱液pH值原位探測器上。2008年1月上旬,此探測器被帶至9°50′N, 104°17′W的海底工作,如圖4所示。該探測器測得了經過校正的深海熱液的pH值,表明該探測器能在海底可靠和穩定地工作,從而證明了該探測器所采取的壓力補償措施發揮了應有的作用。
5結束語
隨著深海探測技術的發展,越來越多的液壓裝置需要直接運行于深海環境中,研制其簡單可靠的壓力補償裝置顯得尤為重要,利用皮囊的彈性變性來實現壓力補償不失為一種良好的選擇。本文對這種補償方式進行了建模分析,找到了該種補償方式的設計依據曲線,并通過實際應用驗證了此種設計方法的正確性。
摘自：中國計量測控網
