海水液压传动技术及其在海洋开发中的应用_沈阳哈维斯液压科技有限公司高端智能液压系统、超静音油源、水液压、超高压气动系统

海水液压传动技术及其在海洋开发中的应用

文章来源：刘希福　　人气：　　发表时间：2019-04-18 22:51

占地球表面积71％的海洋蕴藏着丰富的资源，是全球生命支持系统的一个重要组成部分，是人类社会继续发展的资源宝库。解决人类当前面临的人口膨胀、资源短缺、环境恶化的主要途径之一是开发和保护海洋。然而海洋特殊的环境条件，如海水介质密度大、水温低、高压、黑暗，加之潮流、海浪、暗流及海水腐蚀等，使得海洋开发工作难度极大。除了要解决能源供给、通讯等关键技术以外，还需要有各种高效、灵活的海洋开发设备支持，同时还要保护海洋生态环境。随着现代科学技术的发展，各种新技术不断涌现，不断为海洋开发提供新的技术支持，使得大规模开发海洋成为可能，人类21世纪将全面进入海洋开发时代。海水液压传动技术是国际上近年来为适应海洋开发而发展起来的一门新技术，是液压传动技术的一个重要发展方向，由于其抗燃性好，特别是和海洋环境相容、没有环境污染、效率高，而受到世界发达国家的普遍重视，已成为现代海洋开发的一个重要技术手段。本文主要论述海水液压传动技术的突出优越性，并介绍国内外关于海水液压传动技术的研究及在海洋开发中的应用情况，以供我国海洋开发工作者参考。
1 海水液压传动技术的突出优越性
　　液压传动技术由于具有比功率大、体积小、重量轻、快速性好、能无级调速、易于实现过载保护等优点，而在各工业部门和海洋开发的各类设备中广泛应用^［1］。但常用的液压系统主要以矿物型液压油作压力介质，不仅浪费石油资源，而且存在泄露污染、易燃易爆等严重弊端，特别是系统必须设计成闭式循环结构，其体积重量及复杂程度随着海深的增加而增加，不利于提高其服务的海洋开发设备的机动性、灵活性，在某些场合甚至无法应用。海水液压传动技术则直接以海水为压力介质，在海洋环境下应用具有突出的优越性，主要表现为：
　　（1）海水介质与海洋环境相容，没有泄露污染问题，有利于保护海洋生态环境，符合人们日益增强的环境保护意识。
　　（2）系统可设计成类似于气动系统的开式系统结构，直接在海洋中吸、排水，不要水箱和回水管，同时也可不用冷却及加热装置；水下工作的开式系统，水深压力可自动补偿，无须复杂的压力补偿设计。因此系统大大简化，体积和重量大大减小，有利于提高装备的机动性、灵活性和系统效率。
　　（3）由于水深压力的自动补偿，海水液压系统可以在任意水深下高效的工作，没有工作深度限制，在大深度场合具有独特的使用优势。
　　（4）海水不燃烧，没有火灾危险，有利于增强装备的安全性。
　　（5）就地获取工作介质，没有介质购买、运输、储存、维护及处理等问题，大大降低了使用费用，同时还节省了宝贵的石油资源。
　　（6）海水粘温、粘压系数小，在正常海洋环境温度及深度条件下工作其粘度基本保持不变，因此海水液压系统工作稳定性好，无须担心工作环境压力、温度的变化引起介质粘度变化而造成系统工作的不稳定等问题，有利于机器设备在不同水深条件下工作。
2 国内外研究及应用概况
　　海水液压传动技术研究的关键是各类海水液压元件及辅件的研究。海水液压元件与油压元件相比，无论是材料选择、设计方法，还是结构原理、加工要求都有较大差别，这主要是因为海水介质的应用改变了人们传统的密封与润滑观念。与矿物型液压油相比，海水具有腐蚀性强、粘性低、润滑性能差、汽化压力高等特点，因此所研制的海水液压元件必须要有良好的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳特性和抗气蚀能力。目前，腐蚀学、摩擦学、流体力学、精密机械制造、精密测试、微电子技术等，特别是材料科学、计算科学等相关学科取得了巨大的发展，为海水液压传动技术的发展及应用奠定了坚实的基础。
2.1 国外概况
　　西方发达国家于本世纪60年代末开始研究海水液压传动技术。由于早期海水液压元件的选材主要局限于金属（包括合金）材料，金属对偶摩擦副在海水润滑条件下的摩擦磨损性能有限，因而研究工作进展缓慢；到80年代后期，工程陶瓷和高分子材料等新型工程材料相继投入实际工程应用，解决了海水液压元件面临的腐蚀与摩擦磨损两大关键技术难题，使研究工作取得了突破性进展，各种由海水液压驱动的海洋开发机器设备相继研制开发出来并投入实际应用。现简介如下：
　　（1）美国：美国是世界海洋大国，早在60年代初就把海洋作为开拓地，认为海洋与宇宙同等重要，并将海洋科技纳入社会发展总体规划^［2］。1967年Vickers公司即开始从事高压海水液压泵材料的研究工作，随后美国海军舰船研究中心（DTNSRDC和NSRDC）及土木工程实验室（NCEL）开始研究高压海水液压泵和马达，目的是研制开发海水液压水下作业工具和深潜器浮力调节系统。1971年美国海军舰船研究中心研制出高压海水泵，1980年美国海军土木工程实验室研制出海水液压叶片马达，1984年研制出首套海水液压水下作业工具系统，其动力源压力为14MPa，流量为30～45L／min，作业工具有冲击扳手和旋转式螺旋桨清洗刷等^［3］；1991年又研制出多功能海水液压水下作业工具系统（MFTS），其动力源与首套基本一样，作业工具包括钻孔器、冲击钻、带锯和旋转式盘形工具等^［4］。由于海水液压水下作业工具以海水作为压力介质，与海洋作业环境相容，系统设计成开式系统，自动补偿水深压力，适于各种水深作业，满足当今大深度、大范围、长距离、高效率水下作业的需求，有利于海洋开发并保持海洋环境^［5］。目前，美国海军水下工程队（UCTs）已用海水液压水下作业工具代替了原来使用的油压动力工具。

　　（2）日本：日本四面环海，是名副其实的海岛国家，海洋及其资源对其有着特别重要的意义，因此日本更加注重海洋资源调查及开发。在国际上，日本的海水液压传动技术非常领先。1978年三菱重工开始研制高压海水泵，1980年成功研制出压力21MPa、流量6.55L／min的曲柄连杆式径向三柱塞海水泵，并用于2 000m深潜调查船的浮力调节^［6］；随后又研制出流量4L／min、额定压力63MPa（最大达75.5MPa）的曲柄连杆式径向三柱塞超高压海水泵，用于6 000m深潜调查船的浮力调节^［7］。如此同时，川崎重工也研制出流量达9L／min、额定压力63MPa（最大达75.5MPa）的轴向柱塞式超高压海水泵，也是用于6 000m深潜调查船进行浮力调节^［8］；在此基础上1982年又研制出流量6L／min、额定压力68.5MPa（最大达82MPa）的轴向柱塞式超高压海水泵，1987年正式用于6 500m深潜调查船进行浮力调节^［9］。用于海洋资源调查的各类深潜调查船或潜水器，目前大多采用高压空气、液压油橡皮袋及压载水舱来进行浮力调节，如图1（a）、（b）所示。由于高压空气的极限压力有限，橡皮袋可承受的液压力亦有限，当海深达到一定程度时，以上方式完成浮力调节将特别困难，从而限制了潜水器的下潜深度。海水液压泵工作压力可达100MPa以上，且在不同工作压力下，其输出流量基本保持恒定。如图1（c）所示，用海水液压泵来进行潜水器（艇）的浮力调节，可以不受海深的限制，且系统简单、体积小、重量轻，具有独特的使用优势。因此，海水液压泵是目前大深度深潜器（艇）浮力调节的最佳选择。另外，日本萱扬（カヤパ）、小松制作所等研制开发出压力21MPa、流量15～30L／min的海水液压元件和系统，用于驱动海水液压水下作天工具和机器人（机械手）^［10］。

（3）德国：德国著名的Hauhinco GmbH公司研制开发的海水液压系统用于驱动海底石油天然气管道铺设及维护系统（PRS）。该管道铺设及维护系统主要有三部分组成：H形吊车、混凝土除去设备及海水液压动力系统。H形吊车包括H形支架、台车和夹爪，台车沿H形支架横梁水平移动，横梁则可沿H形支架两立柱上下移动，安装在台车上的夹爪用来夹持管道且可绕其中心轴旋转。这样通过夹爪的开、闭、旋转和台车的上下、水平运动就可以夹持并移动需铺设或需更换的石油天然气管道。整个吊车通过底盘履带在海床上行走。在修理工作之前，混凝土除去设备用于击碎并除去覆盖在海底管道上的水泥保护层。所有这些动作，包括吊车行走、夹爪开闭及旋转、台车水平移动、横梁上下移动和混凝土击除等，都由海水液压动力系统来驱动完成^［11］。由于海水液压系统不需水箱、回水管、冷却及加热装置和压力补偿设计，设备体积重量大大减小，直接附加在其服务的主机上，无须大量而又昂贵的液压脐带配管，使得整个海底管道铺设及维护系统机动性、灵活性很好，作业效率高。1995年用该系统完成了七次150～180m深海底的石油天然气管道焊接作业，没有出现任何问题，效果理想。
（4）英国：1985年英国Shell与ESSO两大著名石油公司出资40万英镑，与英国土木工程实验室（NEL，现已私有化，改名为DTI）合作研制海水液压泵和马达，1988年研制出压力分别为14MPa和10MPa的柱塞式海水液压泵和马达，开发相应的海水液压水下动力工具，并成功地将其应用到水下作业机器上人。英国Hull大学正在研制开发海水液压海底天然气井口自给控制系统（图2），该系统由一个海水液压泵、一个海水液压蓄能器、一个二位三通海水换向阀和一个海水液压执行器（海水液压缸）组成；

海水液压泵和蓄能器提供液压动力源，换向阀控制驱动树阀执行器的液压缸换向动作；天然气输送管道上设置一气体膨胀式发电机，可自动给可充电电池充电，可充电电池再给驱动海水液压泵的直流电动机供电；另外用一电器控制器来控制电动机停启和换向阀换向。所有这些元件及设备都直接设置在海底天然气井口附近。操作者在海面平台或海面工作母船上通过远程遥控的方式控制水下的电器控制器以实现对海底天然气井口的开闭控制^［12］。整个系统简单、安全、可靠，效率高，投资小，同时维护量小、无环境污染。该自给控制系统有利于实现海底石油天然气的自动开采，是未来海底石油天然气开采的主要发展趋势。
（5）芬兰：芬兰Tampere科技大学参与欧洲尤里卡计划，于1994年开始研制开发自持式海水液压水下动力站，用于驱动水下作业工具及水下机器人，已于1995年研制出压力21MPa、流量30L／min的新一代轴向柱塞式海水液压泵及马达^［13］。
2.2 国内概况^.
　　我国海水液压传动技术的研究及应用尚处在起步阶段。华中理工大学在高水基液压传动技术研究的基础上，于90年代初开始海水液压传动技术的研究，1996年研制出流量100L／min，压力6.3MPa的轴向柱塞式海水液压泵及相应的海水液压控制元件，并成功地将其投入实际应用，更高性能的海水液压元件正在研制开发中^［14］。
各国海水液压元件的性能参数及应用情况见表1。
表1 各国海水液压元件的性能参数及应用情况
Tab.1 The performance parameters and application of seawater hydraulic facilities developed in some countries

	国家及研究机构	元件种类	额定压力（MPa）	额定流量（L／min）	应用情况
美国	海军工程实验室（NCEL）	泵、马达、控制阀及辅件等	14	30～45	用于水下作业工具及深潜器浮力调节
日本	ISTI Delaware公司与 Delaware大学	泵等	6.2	19	寿命超过2 600小时
	川崎重工（KHI）	泵、阀等	63～68.5	6～9	用于6 000～6 500米深潜调查船浮力调节
	三菱重工	泵等	21～63	4～6	用于6 000米深潜调查船浮力调节
	三菱重工、九州共立大学等	泵、执行元件、伺服阀及其它控制元件和辅件等	21	～100	用于水压伺服系统。性能达到甚至超过油压伺服系统
	萱场（カヤパ）	泵、缸、压力阀、方向阀、流量阀、蓄能器及辅件等	21	15	用于水下作业工具
	小松制作所	泵、马达、伺服阀及其它控制阀和辅件等	21	～30	用于水下作业机械手
德国	Hauhinco GmbH公司	泵、执行元件、各类控制元件和辅件等	21	44	海底管道铺设及维护系统
英国	工程实验室	泵、马达等	10～14	40～75	用于水下作业工具及机器人
英国	Hull大学	泵、各类控制阀及辅件等	14	40	用于海底天然气井口阀门自给控制系统
芬兰	Tampere科技大学	泵、马达等	21	30	用于水下作业工具及机器人
中国	华中理工大学	泵、节流阀、安全阀等	6.3	100	用于深潜器浮力调节及对口裙排水

3 结语
　　1994年11月26日新的《联合国海洋法公约》生效，各海洋国都面临着新的挑战和机遇，海洋及其资源钭成为世界各国争夺的焦点。联合国将1998年定为“国际海洋年”，其主要宗旨是合理开发利用海洋资源、保护海洋生态环境，为21世纪的海洋世纪拉开了序幕。我国是一个海洋大国，海岸线长达1.8万公里，拥有充分自主权的领海海域38万平方公里，有可管辖的海域面积近300万平方公里，这些宝贵的“蓝色国土”蕴藏着丰富的自然资源，亟待我们去开发利用；还有国际公海的资源，向全世界都敞开着开发利用的大门。我国人口众多、资源短缺，开发和利用海洋资源是必由之路^［15］。
　　然而我国海洋开发工作起步较晚，与世界发达国家相比，海洋开发的整体技术水平较为落后，特别是深海技术力量薄弱，不利于我国海洋开发事业的进一步发展。为缩短我国与先进国家的差距，提高我国在海洋开发中的国际竞争力，维护我国的海洋权益，我们应在引进国外先进海洋开发技术为我所用的同时，发展我们自己的海洋开发技术力量，积极扶持各类高新技术，开发各类先进的海洋开发机器设备。我们不但要充分开发利用领海内的资源，还应开发利用国际公海的资源，只有这样才能在国际竞争中立于不败之地。
　　海水液压传动技术与海洋环境相容、无环境污染、抗燃性好、比功率大、效率高、操作简单、性能稳定，在海洋环境条件下具有独特使用优势，在某些场合甚至是唯一的选择，因而在水下作业、海洋资源调查、海洋石油工程、海上救捞、海洋波能利用、盐业工程、船舶工程、海洋建筑等海洋工程领域具有极其广阔的应用前景。我国应投入必要的人力、财力、物力加快海水液压传动技术的研究，有关部门及科研院、所应加强合作，积极研究开发与海洋环境相容、效率高、灵活机动性好、性能优越的各类新型海洋开发设备，以满足我国海洋开发事业发展的需要。■

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