一种深海液压系统压力补偿装置的建模与应用

　　1　引言

　　对于应用于深水环境中的液压系统,必须考虑水压对系统的影响,否则,液压系统便不能正常工作,为此,科技工作者采取了各种方法。最传统的做法是将液压控制元件与执行器置于一个能承受水压的压力容器中,这种方式会带来系统笨重、结构复杂和特殊动密封等一系列问题;据报道,一些水下液压系统采用水下压力平衡器或者压力补偿器来实现水压的补偿;还有一些水下液压系统的研究人员为了消除水压影响而将用于压力补偿的液压补偿单元与液压系统本身混合在一起进行研制;对于一些水下机器人或水下施工设备的压力补偿,目前有一些专用的压力补偿器产品。上述这些压力补偿方式尽管能消除水压对系统的影响,但大都会增加系统的体积和重量,有的还会额外消耗系统的能量[1-3]。

　　借鉴深水液压系统的压力补偿方法,结合深海环境的特点,对深海液压系统的压力补偿方法,目前主要有3种方式:一是采用弹性膜片的方式,该方式先将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个腔体里,然后在腔体里灌满油,再在腔体的端部安装弹性膜片来实现内外压平衡。此种方式对弹性膜片的质量要求较高,而且安装较为复杂,GAMOS原位化学分析器就是采用此种方式[4]。二是将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个充满油液的橡胶管里,通过橡胶管的弹性变性来消除外界高压海水的影响。这种方式虽说简单,但由于橡胶管空间有限,应用上会受到一些限制。三是采用外接皮囊的方式,该方式亦是将需要采取压力补偿保护的元器件封装在一个充满油液的腔体里,然后在腔外接一个充满同种油液的皮囊,通过皮囊的弹性变性来实现压力补偿,本文将对这种压力补偿方式进行研究,并对其压力补偿过程进行建模分析,以便对其设计提供定量的依据。

　　2　外接皮囊的压力补偿装置的设计及其工作原理

　　外接皮囊的压力补偿装置如图1所示。在该图中,液压元件被封装在充满甲基硅油的有机玻璃管中,在管外接了一个亦充满甲基硅油的皮囊。依靠该皮囊的弹性变形来自适应外部海水压力的变化,从而消除海水压力对液压系统的影响。考虑深海环境的腐蚀性,皮囊的材料选用的是氟橡胶,其头部螺纹接头采用的是纯钛。由图1可以看出,有机玻璃管腔涉及到多处密封,但由于内外压是平衡的,其密封要求不是很高,在结构上很容易实现。

　　如图1所示,当皮囊受到外界海水压力时,发生弹性变形而导致皮囊里的甲基硅油在压力的作用下被压缩。在此压缩的过程中,压力被同时传到有机玻璃管腔里的甲基硅油,从而使有机玻璃管腔里的甲基硅油也被压缩。另一方面,有机玻璃管在压力的作用下本身也会发生微小的压缩变形,其内腔容积会有微小的减少。从物理结构上看,甲基硅油的总压缩体积与有机玻璃管的内腔容积的减小体积之差值由皮囊的变形容积来补偿。在这个体积补偿的过程中,皮囊里的甲基硅油和有机玻璃管腔里的甲基硅油的压力与外界海水压力相等。于是,有机玻璃管以及管腔里封装的液压元器件的内外压也都达到了平衡,这是因为: