２０１３年第１２期 ＤＯＩ：１０．１ １８３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－４８５８．２０１３．１２．００１ 液压与气动 作者简介：顾临怡，男，１９７３年生人，浙江萧山人，工学博士，美国明 尼苏达大学留学回国人员，教授，博士生导师，第十二届中国青年科技奖获 得者。１９９８年１２月毕业于浙江大学机械系流体传动及控制（液压）专业， 毕业后留校工作至今，现任浙江大学机械电子控制工程研究所副所长、海洋 工程装备国家一地方联合工程实验室副主任、海洋装备试验浙江省工程实验 室副主任。主要研究方向为纯机液控制的高速开关型虚位移变量液压马达、 纯机液控制的燃烧自适应型自由活塞发动机液压驱动与压缩比控制单元、遥控水下机器人及其 电液驱动控制与作业系统、深海海底取样装备、深水油气田水下生产设施的液压驱动控制，授 一 ３１００２７； ５５４５５） 权国家发明专利２０余项。 深海水下液压技术的发展与展望 顾临怡 ，罗高生 ，周锋 ，王峰 ，陈鹰 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｅｅｐ—ｓｅａ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ＧＵ Ｌｉｎ．ｙｉ ，ＬＵＯ Ｇａｏ．ｓｈｅｎｇ ，ＺＨＯＵ Ｆｅｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｆｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｙｉｎｇ （１．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室海洋工程装备国家地方联合工程实验室，浙江杭州２．美国明尼苏达大学ＮＳＦ集成高效液压工程研究中心，美国明尼苏达州明尼阿波利斯摘要：环境压力补偿是目前深海水下液压系统最常用的结构。本文介绍它的结构与工作原理，分析了 影响其长时间工作可靠性的两大核心风险——旋转轴动密封和运动软管老化问题。在此基础上，介绍了远 程液压源、深海静压源两种目前国外回避上述风险的方法，分析了各自的优缺点和适用条件。最后指出，廉 价的、长寿命的海水液压系统，仍然是彻底解决深海水下液压系统的高风险问题的最佳途径，但尚有一段路 要走。 关键词：深海水下液压；压力补偿；旋转轴动密封；运动软管老化；远程液压源；深海静压源；海水液压 系统 中图分类号：ＴＨ１３７；ＴＧ１５６ 文献标志码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１３）１２－０００１－０７ 引言 代的深海设备和工程设施设计者们选择了液压驱动控 制方式。毕竟在深海，增加重量就意味着花更多的钱、 在深海使用液压驱动控制系统是一个非常无奈的 选择。液压系统固有的对液压油的依赖性，把旋转轴 动密封和运动软管老化这两个在地面液压系统上并 不太受关注的风险无限放大，成为了始终悬在深海 意味着风险概率成倍的增加。由此带来的风险可能会 几倍于液压系统的旋转轴动密封风险和运动软管老化 风险。 设备或工程设计、操作、使用、维修人员头上的达摩 克利斯之剑，随时可能引发各种各样的不可逆转的 元器件意外损坏，给深海设备或海底工程设施造成 巨大损失。 目前常用的回避上述风险的方法主要有两种：远 收稿日期：２０１３．１０．３１ 基金项目：国家８６３资助项目：４５００米级深海作业系统（Ｎｏ ２００８ＡＡ０９２３０１） 然而，液压系统诱人的功率密度还是让一代又一 ２ 液压与气动 ２０１３年第１２期 程液压源、深海静压源。然而，两种方法各有千秋，只 能针对特定的工作环境条件使用。惟有廉价的、长寿 命的海水液压系统，才是彻底解决深海水下液压系统 高风险的最佳途径。 １ 补偿技术——走向深海的窗玻璃纸 有人曾说过：“其实深海就是一层窗玻璃纸，捅破 了谁都能做”。我们信为，如果那里有一层窗玻璃纸 的话，它的名字就叫做“压力补偿技术”。它也是世界 深海机器人技术由第一代发展到第二代的标志。 所谓压力补偿技术，就是通过弹性元件感应海 水压力，并将其传递到液压系统内部，使液压系统的 回油压力与海水压力相等，并随海水深度变化自动 变化。采用压力补偿后的深海水下液压系统，其系 统压力建立在海水压力的基础上，液压系统的各个 部分，包括液压泵、液压控制阀、液压执行器及液压 管路等的工作状态与常规液压系统相同，避免了海 水压力的影响。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统如图１ 所示。 ａ）闭式布置 ｂ）开式布置 １．吸油过滤器２．液压泵３．溢流阀４．单向阀５．换向阀 ６．水下液压执行器７．调速阀８．回油过滤器９．阀箱 １０．油箱ｌ１．压力补偿器 图１ 基于压力补偿技术的深海水下液压系统 该水下液压系统的组成与常规液压系统基本相 同，除了液压源、液压控制单元和液压执行器外，还在 系统中设置了压力补偿器，压力补偿器和油箱相连。 深海水下液压系统工作在海水环境中，因此油箱设计 成封闭结构。此外，由液压控制阀、液压集成块及电路 等组成的液压控制单元也设计成封闭结构，虽然一些 液压控制阀采用了耐海水腐蚀的材料，可以直接暴露 在海水中，但是考虑到电磁铁、放大电路等不能在海水 中工作，因此设计了封闭式的阀箱，将液压控制单元设 置在阀箱内部。为了避免采用耐压结构，将阀箱与压 力补偿器相连，实现了阀箱的内外压力平衡，大大减轻 了系统的重量。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统工作原理 如下：水下液压执行器６动作时，液压泵２通过吸油过 滤器１从油箱１０中吸油，液压泵２提供的压力油经单 向阀４和换向阀５到达水下液压执行器６，水下液压 执行器６的回油经换向阀５、调速阀７和回油过滤器８ 流回油箱１０。压力补偿器１１不仅与油箱１０相连，还 与阀箱９相连。如果水下液压执行器是对称液压执行 器，执行器两腔的有效作用面积相等，执行器动作时油 箱内的液压油体积是不变的，此时压力补偿器对油箱 的压力补偿是静态的。如果水下液压执行器是非对称 液压执行器，执行器动作时油箱内的液压油体积是变 化的，此时压力补偿器对油箱的压力补偿是动态的。 阀箱内的液压油体积是不变的，因此对阀箱的压力补 偿是静态的。 基于压力补偿技术的深海水下液压系统有闭式和 开式两种布置方式，闭式布置和开式布置的区别主要 在液压源的布置上。闭式布置如图１ａ所示，液压泵布 置在油箱内，液压源的其他部分也布置在油箱内，由于 液压源的各个元件均布置在油箱内，因此无需耐海水 腐蚀。闭式布置结构紧凑，管路连接简单，但维修不方 便。闭式布置方式通常用于功率较小的深海水下液压 系统，大功率深海水下液压系统由于电机和液压泵体 积都较大，液压泵发热较快，若采用闭式布置方式，为 了散热油箱的体积会较大，不利于液压系统的安装布 置，因此大功率深海水下液压系统多采用开式布置 方式。 开式布置如图１ｂ所示，液压泵暴露在海水中，通 过管路与油箱、阀箱等相连。由于液压泵布置在油箱 外，因此大大减小了油箱的体积，并且液压泵在海水中 工作，散热迅速，避免了温升过高的问题。不过，液压 泵的表面要作防海水腐蚀的处理。开式布置方式结构 简单，维修方便，但管路较多，安装复杂。 ２补偿型深海水下液压系统的特点 基于压力补偿技术的深海水下液压系统的特性主 要表现在以下几个方面。 １）深海水下液压系统的负载能力 压力补偿后的深海水下液压系统，其负载能力不 受海水压力的影响。如果水下液压执行器是对称液压 执行器，执行器两腔的有效作用面积相等，两端活塞杆 的面积也相等，海水压力在活塞杆上的作用力相互抵 ２０１３年第１２期 液压与气动 ３ 消。如果水下液压执行器是非对称液压执行器，执 液压油相互渗漏的情况，为了防止海水渗入液压系统， 行器两腔的有效作用面积不等，压力补偿后执行器 两腔的压力均在原来的基础上增加了海水压力，由 此而产生的作用力刚好抵消海水压力作用在活塞杆 上的力。 通常在压力补偿器中设置弹簧，通过弹簧的预压缩力 作用，使深海水下液压系统的回油压力略高于海水压 力，这样即使发生渗漏，也只是液压油向外渗漏，而不 会是海水进入到液压系统内部。 压力补偿的实质是对液压系统的回油压力进行补 如果水下液压执行器是液压马达，由于马达壳体 内的压力补偿作用，海水压力对马达轴上产生的作用 力得到了平衡。深海水下液压系统采用压力补偿后， 偿，补偿压力不仅受弹簧作用行程的影响，还受油箱内 液压油体积变化的影响。油箱内的液压油体积变化来 其负载能力没有发生变化，只是各部分的压力都在原 来的基础上增加了海水压力，因此仍然可以按照常规 液压系统的方法来设计。 ２）深海水下液压系统的液压元件 压力补偿后的深海水下液压系统其系统压力建立 在海水压力的基础上，系统中的液压元件，包括液压 泵、液压阀及液压执行器等的内外压力均在原来的基 础上增加了海水压力，其承压情况和常规液压系统中 的液压元件相同，因此可以直接采用常规液压元件而 无需特殊设计。 对于暴露在海水中的液压元件，例如水下液压执 行器，开式布置方式中的液压泵等，需要对液压元件的 表面作防海水腐蚀的处理。 ３）深海水下液压系统的密封 压力补偿后的深海水下液压系统虽然系统中的压 力均在原来的基础上增加了海水压力，但其密封结构 与常规液压系统不完全相同，需要根据深海水下液压 系统的功能特点进行重新设计。 深海水下液压系统中液压阀与液压集成块间的密 封结构和深海水下液压系统的功能有关。常规液压系 统中液压阀与液压集成块间的密封结构是针对液压阀 内部压力比外部环境压力高的情况。深海水下液压系 统的液压阀布置在充油的阀箱内，阀箱的内部压力，也 即液压阀的外部环境压力与海水压力相等。深海水下 液压系统正常工作时，液压阀的内部压力比其外部环 境压力高，常规的密封结构可以实现可靠密封。对于 水下液压执行器的两腔，一般来说都能够通过控制阀 的中位机能、辅助单向阀甚至滑阀的内泄漏，获得压力 补偿，从而避免了液压执行器由于外部环境压力比内 部压力高、元件密封在反向压力下失效的问题。 ４）补偿压力的变化 压力补偿的目的是使深海水下液压系统的回油压 力和海水压力相等，将系统压力建立在海水压力的基 础上。回油压力和海水压力相等时有可能发生海水和 自以下几个方面：由于海水压力而产生的液压油体积 压缩、由于非对称执行器两腔的容积差而产生的液压 油体积变化、由于液压系统温度升高而产生的液压油 热膨胀以及系统的泄漏量等，其中由于非对称执行器 两腔的容积差而产生的液压油体积变化最大，并随系 统工作状态的变化而变化。对于快速性要求较高的水 下作业设备，例如机械手，当执行器的速度较快时，油 箱内的液压油体积变化也较快，液压油体积的快速变 化有可能导致补偿压力发生较大变化，补偿压力的较 大变化不仅会影响液压伺服控制系统的精度，而且 过高的补偿压力还会造成压力补偿元件的损坏，因 此油箱内的液压油体积变化对补偿压力的影响不可 忽略。 ３补偿型水下液压系统风险分析 这类补偿型深海水下液压系统，它的输出之所以 能够与环境压力相适应，完全依赖于补偿油箱里的液 压油。然而，补偿油箱里的液压油是非常有限的，一旦 液压系统的任何一个元件或油管发生泄漏，油箱内的 液压油会在几秒钟之内迅速耗尽。如果这个时候液压 系统继续工作，就会出现外界海水压力高于液压系统 内部压力的情况。由于绝大多数液压执行器件的伸出 轴／杆、板式液压阀和液压管件的密封都只能承受单个 方向的压力，它们很快就会损坏，大量海水进入液压系 统，损坏所有的液压元件。 尽管所有的水下液压系统都具有低液位自动关泵 的功能，以避免液压系统工作在外界海水压力高于系 统内部压力的工况下，但很多情况下，我们还不得不在 自动关泵后，继续强制开泵，完成必要的动作，以确保 水下装备与系统的安全。我国某著名深海潜水器在一 次海试的过程中，就发生过一起机械手液压油管漏油 导致油箱液位不足的事故。当时机械手还处于一个不 太安全的位置，操作人员不得不强制开泵，用吸入的海 水介质把机械手收回到了安全状态。回收后拆开液压 系统，发现柱塞泵的滑履基本上已经快被磨光了。 ４ 液压与气动 ２０１３年第１２期 液压软管的老化破损在海水环境，还有可能引发 更严重的问题：海水进入软管的钢丝编织层，钢丝在长 期使用过程中被腐蚀、承压能力逐渐降低，最终在水下 爆裂。 除了液压软管，另一个最容易泄漏的位置是高速 旋转轴的密封位置，主要集中在水下电机与液压油泵 的连接位置，以及液压马达与螺旋桨叶的连接位置。 尽管目前国外特制的机械密封已经可以把密封位置的 泄漏量降低到每天几毫升了，但出于对可靠性的担忧， 国际标准中给出的水下液压系统的不补油连续工作时 间仍然只有４８ ｈ。也就是说，压力补偿型水下液压系 统并不适合在海底连续工作。 ４水面供油的远程液压源控制系统 对于长期工作在水下的液压执行器件，包括绝大 多数的深水油气田水下生产设施（如水下采油树、井 口管汇、水下分离器等）的液压控制系统，为了解决公 用油箱体和水下电机伸出轴旋转密封失效的问题，都 不得不采用水面平台集中供油、到海底进行分配的结 构。即液压动力单元（ＨＰＵ）位于海面的平台上，通过 长达数千米甚至数十千米脐带软管连到海底的分配单 元（ＳＤＵ），一路分成多路连到各个井口的控制阀 （ＳＣＭ），最后再从控制阀分出多路管线驱动水下生产 设施上的液压缸执行器。其结构如图２所示。 ｊ鼙属 圈２水下生产设施液压驱动系统结构图 由于把具有高速旋转输出轴的电机泵组由水下移 到了水上，水下系统的可靠性成倍提高。与此同时，水 下系统自带蓄能器，足以维持所有水下装备连续工作 ４８ ｈ的油液需求，因而即使在水面系统故障维修的情 况下，水下系统也完全不受影响。 这类液压系统主要用于控制水下生产设施上各井 口球阀的开关，是一套由液压阀来控制球阀上液压缸 执行器动作的液压驱动控制系统，其原理如图３所示。 该液压系统主要由三部分组成：液压动力站（ＨＰＵ）、 水下控制模块（ＳＣＭ）和阀执行器（ＡＣＴＵＡＴＯＲ）。 ＨＰＵ位于水面生产平台上，为整个液压系统提供液压 动力；脐带缆内的液压流体经水下液压分配单元 （ＳＤＵ）分配后输送到ＳＣＭ，由ＳＣＭ实现对多井口的控 制。ＳＣＭ安装在水下生产设施上，确保系统快速 响应。 １．掖压泉２．蓄能器３．减压阀４．液压分日 单兀 ５．供油脐带缆（长软管）６．蓄能器７．弹性储能器 ８．阀执行器９．电液换向阀１０．安全阀 １１．脐带软管与ＳＣＭ控制阀之间连接钢管（供油） １２．脐带软管与ＳＣＭ控制阀之间连接钢管（回油） １３．ＳＣＭ控制阀与执行器连接钢管（供油） １４．ＳＣＭ控制阀与执行器连接钢管（回油） ｌ５．回油脐带缆（长软管） 图３水下生产设施液压驱动系统原理图 其动作基本过程为：ＨＰＵ出口的液压油液通过脐 带管缆５、数十米长的钢管１１、ＳＣＭ，然后经由数米长 的钢管１３直接控制水下生产设施上的阀执行器８的 开关。 当电液换向阀９置位，液压力克服执行器弹簧力 及其他外力将阀打开，执行器打开时的瞬时流量会使 ＳＣＭ供油压力下降，若ＳＣＭ供、回油压力差小于电液 换向阀９的复位压差，则ＳＣＭ上所有电液换向阀将复 位，相应执行器在自身弹簧力作用下误关闭。系统要 求执行器能够快速开启，但由于ＨＰＵ与执行器的距离 ２０１３年第１２期 液压与气动 ５ 长达数千米甚至上百公里，ＨＰＵ的高压油不能马上到 达执行器，且脐带软管的补油较慢，远远达不到系统要 水环境中，对电气系统的可靠性要求极高，一个环节出 现问题都会造成整个系统无法工作，严重降低了系统 的可靠性。为此，国外普遍采用一种深海静压源驱动 的水下液压系统，利用海水压力为液压系统提供动力， 求，因此需要由蓄能器６保证执行器的快速开启。执 行器的关闭过程主要依靠它自身弹簧所储存的能量。 当ＳＣＭ把执行器工作侧的压力与回油直接短接后，执 这样不仅省去了水下电机、液压泵等设备，简化了深海 水下液压系统的结构，提高了深海水下液压系统的可 靠性，同时还减小了深海水下液压系统的体积和重量。 深海静压源驱动的水下液压系统如图４所示，液 行器就可在其自身弹簧力的作用下复位，基本上不需 要通过长脐带管来传递流量，从而保证了关闭过程的 快速性。弹性储能器７用来在关闭过程中吞吐油液 的，保证ＳＣＭ回油侧的压力等于海底的环境压力。 水下生产设施上的执行器出于安全的考虑，带有 两级自动关闭保护功能： 第二级位于执行器上，控制执行器的液压缸是一 个弹簧缸。当ＳＣＭ上的控制阀控制执行器开启时，高 压油克服弹簧力推动活塞打开球阀，而当ＳＣＭ上的控 制阀不能提供高压油时，活塞在弹簧力作用下自动复 位，关闭球阀。 第一级则位于ＳＣＭ的控制阀上，该控制阀是一个 电磁先导式的液动阀，当ＳＣＭ的人口压力降低到一定 值时，液动阀在弹簧作用下复位，关闭执行器球阀。 该两级保护功能同时也给系统带来了负面的影 响——执行器相互干涉。由于各井口控制阀ＳＣＭ本 身的阀口阻尼并不是很高，因而在某一个执行器动作 的时候，其负载相对较低，很容易引起ＳＣＭ控制阀组 的整体人口压力降低，把其他已经打开的执行器复 位掉。 为了防止出现该状况，国际标准ＩＳ０１３６２８－６规定 了系统的设计要求：维持ＳＣＭ供液侧（ｓｕｐｐｌｙ）与回液 侧（ｒｅｔｕｒｎ）的压差高于５０％的控制阀最大复位压力。 上述要求均需要通过对系统中的长脐带管５、１５， 连接钢管１ｌ～１４的阻尼匹配来保证。因而在设计过 程中，尽管执行器的参数、油源参数很快都能确定下 来，但各管路的沿程阻尼、液容滞后、液感反弹压力波 等问题仍然会对系统的控制性能甚至安全性造成不良 的影响，因而还需要对各管路的沿程阻尼、液感、液容 值等参数进行匹配设计。 由于几十公里长的液压供油管线价格不菲，该系 统仅适用于一次性投资额大、连续工作时间特别长 （如十五年）的深水系统。 ５深海静压源驱动的水下液压系统 对于一些功率不大、作业时间较短的水下作业设 备，采用由水下电机、液压泵等组成的深海水下液压系 统，不仅系统结构复杂，同时由于水下电机等工作在海 压控制单元和液压执行器等与常规液压系统基本相 同，最大的区别在于液压源。深海静压源驱动的水下 液压系统的液压源由１个充满液压油的弹性皮囊和１ 个耐压容器组成。由于利用的是海水的压力能，为了 避免采用海水液压元件，采用弹性皮囊将海水的压力 能转变成液压油的压力能，海水压力作用在弹性皮囊 的外侧，使弹性皮囊产生收缩，由于皮囊内充满液压 油，最终皮囊内液压油的压力和海水压力相等。为了 利用液压油的压力能，还需要设置耐压容器，耐压容器 的容积和弹性皮囊的容积相等，内部为常压空气，利用 弹性皮囊和耐压容器之间的压差为深海水下液压系统 提供动力。 ｌ ｌ Ｌ＿］ ｒｊ ｓ ， 弧 ｃ — ｌＪ Ｌ］ 申ｓ ｒ— ＿＿Ｊ Ｉ １．弹性皮囊２．换向阀３．液压锁４．水 液压执行器 ５．调速阀６．阀箱７．耐压容器 图４深海静压源驱动的水下液压系统 深海静压源驱动的水下液压系统工作原理如下： 弹性皮囊１内充满液压油，在海水压力的作用下，皮囊 内液压油的压力和海水压力相等。水下液压执行器４ 动作时，弹性皮囊１内的压力油经换向阀２和液压锁 ３到达水下液压执行器４，水下液压执行器４的回油经 液压锁３、换向阀２和调速阀５流人耐压容器７，耐压 容器７内为常压空气。水下液压执行器４不动作时， ６ 液压与气动 ２０１３年第１２期 为了防止执行器在海水压力的作用下缩回，在换向阀 ２和水下液压执行器４之间设置了液压锁３，将水下液 压执行器４锁定在当前位置。 与压力补偿型深海水下液压系统相同，考虑到电 磁铁、放大电路等不能在海水中工作，将液压控制阀、 液压集成块及电路等组成的液压控制单元布置在封闭 的阀箱内。由于系统的回油压力为常压，为了避免液 压控制阀承受外压，阀箱没有采用充油的内外压力平 衡结构，而是采用耐压结构。 深海静压源驱动的水下液压系统中设置耐压容器 的目的是为了利用弹性皮囊内液压油的压力能，为深 海水下液压系统提供必要的压差，因此耐压容器必须 能够承受外部的海水压力。 与基于压力补偿技术的深海水下液压系统相比， 深海静压源驱动的水下液压系统没有水下电机、液压 泵等设备，直接利用海水压力为深海水下液压系统提 供动力，不仅简化了深海水下液压系统的结构，提高了 深海水下液压系统的可靠性，并且还可以充分利用水 下设备中的耐压框架作为耐压容器，而不必单独设置 耐压容器，进一步提高了深海水下液压系统的功率重 量比。 深海静压源驱动的水下液压系统的特性主要表现 在以下几个方面： （１）深海静压源驱动的水下液压系统的能量 深海静压源驱动的水下液压系统采用充油的弹性 皮囊和耐压容器组成的液压源为水下液压执行器提供 动力。由于耐压容器的容积有限，因此深海水下液压 系统的能量也是有限的。深海水下液压系统的能量不 仅与耐压容器的容积有关，还与系统的工作深度有关， 系统的工作深度越大，耐压容器的容积越大，深海水下 液压系统的能量就越大。 深海水下液压系统的工作深度一定时，系统压力 始终保持恒定。深海水下液压系统工作时，弹性皮囊 内的液压油不断流人耐压容器，虽然皮囊内的液压油 在减少，但由于海水压力能巨大，弹性皮囊在海水压力 能的作用下不断收缩直至内外压力平衡，从而使皮囊 内液压油的压力始终与海水压力相等，此时由充油的 弹性皮囊和耐压容器组成的水下液压源是一个理想的 恒压油源。 深海静压源驱动的水下液压系统不仅能量有限， Ｔ作时间也是有限的。深海水下液压系统的工作时间 取决于耐压容器的容积和系统的流量，耐压容器的容 积越大，系统流量越小，深海水下液压系统的工作时间 就越长。 （２）深海静压源驱动的水下液压系统负载能力 深海静压源驱动的水下液压系统的系统压力与海 水压力相等，因此负载能力受海水压力的影响较大。 如果水下液压执行器是对称液压执行器，执行器两腔 的有效作用面积相等，两端活塞杆的面积也相等，海水 压力在活塞杆上的作用力相互抵消。如果水下液压执 行器是非对称液压执行器，海水压力产生的影响随系 统工作状态的变化而变化。当执行器的活塞杆向外伸 出时，海水压力作用在活塞杆上产生的力阻碍活塞杆 的运动，因此降低了深海水下液压系统的负载能力，并 且活塞杆的面积越大，对深海水下液压系统负载能力 的影响越大；当执行器的活塞杆往回运动时，海水压力 作用在活塞杆上产生的力推动活塞杆的运动，因此提 高了深海水下液压系统的负载能力。 如果水下液压执行器是液压马达，由于系统的回 油压力是常压，液压马达的壳体会受到海水压力的作 用，常规的液压马达已经不能满足要求。如果需要作 旋转运动，可以利用直线型液压执行器带动一定的机 构来实现。 （３）深海静压源驱动的水下液压系统元件 深海静压源驱动的水下液压系统由于系统压力与 海水压力相等，回油压力是常压，因此对液压元件提出 了不同的要求。对于布置在阀箱内的液压控制阀，由 于阀箱内为常压空气，液压控制阀的承压情况和常规 液压系统中的液压控制阀相同，因此可以直接采用常 规液压控制阀而无需特殊设计。 对于工作在海水中的液压执行器，由于系统的回 油压力是常压，执行器需要承受外部海水的压力，因此 必须对水下液压执行器的壳体进行耐压设计，避免海 水压力作用导致执行器壳体变形，从而影响执行器的 正常工作。此外，还需要对水下液压执行器的表面作 防海水腐蚀的处理。 （４）深海静压源驱动的水下液压系统密封 深海静压源驱动的水下液压系统由于系统的最高 压力和海水压力相等，因此系统的密封有其自身的特 点。对于液压阀和液压集成块间的密封，由于液压阀 布置在阀箱内，阀箱内为常压，因此液压阀的内部压力 高于或等于其外部压力，常规液压阀的密封结构可以 实现可靠密封。 对于工作在海水中的水下液压执行器，其密封结 ２０１３年第１２期 液压与气动 ７ 构和常规液压执行器相反。水下液压执行器的外部压 力为海水压力，而执行器内部的最低压力为常压，因此 廉价的、长寿命的海水液压系统，仍然是彻底解决深海 水下液压系统的高风险问题的最佳途径。 参考文献： 执行器的外部压力高于或等于其内部压力，而常规液 压执行器的密封结构是针对执行器内部压力比外部压 力高的情况，因此需要对水下液压执行器的密封结构 进行重新设计。 ［１］ Ｒｏｂｅｒｔ Ｃｏｓｔａｎｚａ．Ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ，ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｉｍｐｏｒ－ ｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｃｅ￣ｓ［Ｊ］．Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，１９９９，（２）： １９９—２１３． 该系统能提供的能源非常有限，仅适用于一些功 ［２］Ｔａｌｋｉｎｇｔｏｎ Ｈ．Ｒ．Ｕｎｄｅｒｓｅａ ｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．ＵＳ：Ｎａｖａｌ 率不大、作业时间较短的水下作业设备。 对于连续工作时间居中（３个月到１年）、一次性 投资额相对较少的场合，目前还没有合适的水下液压 系统。国内外都把希望寄托在海水液压上。虽然目前 以海水为介质的阀配流柱塞泵、控制阀、液压缸等产品 都已经基本成熟，但液压马达一直是海水液压系统的 软肋。一套廉价的、长寿命的海水液压系统，仍然是彻 底解决目前深海水下液压系统高风险问题的最佳途 径。我们还有很长的路要走。 ６结论 （１）压力补偿是目前深海水下液压系统避免海水 压力影响的主流方案，它通过压力补偿器使液压系统 的回油压力和海水压力相等。压力补偿后的深海水下 液压系统其系统压力建立在海水压力的基础上，因此 系统的负载能力不受海水压力的影响，仍然可以按照 常规液压系统的方法来设计，并且常规液压系统中的 节能方法和控制策略均可应用到深海水下液压系统中。 （２）针对目前水下液压系统的不补油连续工作时 间只有４８ ｈ的问题，需要海底连续工作的液压执行器 件，都采用水面平台集中供油、到海底进行分配的结 构，从而由于把具有高速旋转输出轴的电机泵组由水 下移到了水上，水下系统的可靠性成倍提高。与此同 时，水下系统自带蓄能器，足以维持所有水下装备连续 工作４８ ｈ的油液需求，因而即使在水面系统故障维修 的情况下，水下系统也完全不受影响。但几十公里长 的液压供油管线价格不菲，制约了该技术在非油气领 域的广泛使用。 （３）深海静压源驱动的水下液压系统利用海水压 力和耐压容器之间的压差为水下液压执行器提供动 力，深海静压源驱动的水下液压系统由于其系统压力 和海水压力相等，系统的负载能力受海水压力的影响 较大，并随液压系统工作状态的变化而变化，因此需要 根据深海水下液压系统的特点来设计。由于耐压容器 容积有限，深海水下液压系统的能量也是有限的，仅适 用于一些功率不大、作业时间较短的水下作业设备。 Ｏｃｅａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｅｎｔｅｒ，１９８４． ［３］Ｅｓｔａｂｒｏｏｋ，Ｎ．Ｗｈｅｅｌｅｒ，Ｈ．Ｕｈｌｅｒ，Ｄ．Ｈａｃｋｍａｎ，Ｄ．Ｄｅ－ ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｅｐ—ｏｃｅａｎ ｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＯＣＥＡＮＳ＂７５， １９７５，（７）：５７３—５７７． ［４］蒋新松，封锡盛，王棣棠．水下机器人［Ｍ］．沈阳：辽宁科 学技术出版社，２０００． ［５］ Ａ．Ｈ米特里耶夫．深潜器设计［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９７８． ［６］ 亚斯特列鲍夫Ｂ ｃ．水下机器人系统及元件［Ｍ］．沈阳： 中国科学院沈阳自动化研究所，１９８９． ［７］ Ｂｉｌｌｅｔ，Ａ．Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＯＣＥＡＮＳ８５，１９８５，（１７）：１０１９—１０２７． 『８ １ Ｌｏｕｉｓ Ｌ Ｗｈｉｔｃｏｍｂ．Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｒｏｂｏｔｉｃｓ：ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ． ｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０００，（１）：７０９—７１６． ［９］ 陈建平．发展我国载人深潜器的几点思考・机器人技术 与应用［Ｍ］．２００１，（２）：３３—３６． ［１Ｏ］ 任福君，张岚，王殿君，孟庆鑫．水下机器人的发展现状 ［Ｊ］．佳木斯大学学报（自然科学版），２０００，（１２）：３１７— ３２０． ［１１］ 陈鹰，杨灿军，顾临怡．基于载人潜水器的深海资源勘探 作业技术研究［Ｊ］．机械工程学报，２００３，（１１）：３８—４２． ［１２］晏勇，马培荪，王道炎，高雪官．深海ＲＯＶ及其作业系统 综述［Ｊ］．机器人，２００５，（１）：８２—８９． ［１３］陈鹰．海底热液科学考察中的机电装备技术［Ｊ］．机械 工程学报，２００２，（Ｓ１）：２０７—２１１． ［１４］ 哈克曼Ｄ Ｊ，考戴ＤＷ．水下工具［Ｍ］．北京：海洋出版 社，１９８６． ［１５］滕宇浩，张将，刘健．水下机器人多功能作业工具包［Ｊ］． 机器人，２００２，（６）：４９２—４９６． ［１６］廖谟圣．海洋开发机器与液压技术［Ｍ］．北京：海洋出版 社，１９８８． ［１７］廖谟圣．液压技术在海洋开发机器上的应用前景［Ｊ］． 海洋技术，１９９５，（４）：９６—１００． ［１８］ 刘令勋，刘英贵．海洋开发机械系统［Ｍ］．北京：国防工 业出版社，１９９２． ［１９］陈建平，薛建平．深潜器设计中的压力补偿研究［Ｊ］．液 压与气动，１９９５，（１）：ｌ６—１８．
