基于海洋环境的水下液压系统密封技术研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 3 ． 2 01 2 基于海洋环境的水下液压系统密封技术研究 洪啸虎 薛尚文 常 兴 黄 镍 解放军理工大学 ， 南京2 1 0 0 0 7 摘要 水下液压系统没有在水下作业设备 中得 到广 泛应用 ， 主要原因是在海水环境的液压元件与常规液压元件相比， 无论是在材料 选 择 、 设计方法上， 还是在结构原理 、 加工要求上都有较 大差别 ， 这是 因为海水的 自身压 力对液压系统 的渗透改变了传统的密封与润滑 观念 。而通过采取密封措施和压力补偿后 ， 以液压油为工作介质 的水下液压系统可以在不 同海水深度下作业 。介绍 了基于海洋环境 的 水下液压系统密封技术 。 关键词 液压系统 ； 密封； 压力补偿 中图分 类号 T B 4 2 ． T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 3 0 0 1 5 0 3 Re s e a r c h o n S e a l Te c h no l o g y o f Und e r wa t e r Hy d r a u l i c S y s t e m Ba s e d o n M a r i n e En v i r o n m e n t HO NG Xi a o - h u XU E S h a n g - w e n C HANG Xi n g HUA NG Ni e P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 10 7 ，C h i n a Ab s t r a c t Un d e r w a t e r h y d r a u l i c s y s t e m h a s n o t b e e n wi d e l y u s e d i n t h e u n d e rw a t e r e q u i p me n t ， ma i n l y b e c a u s e h y d r a u l i c c o mp o n e n t s i n s e a w a t e r c o mp a r e d wi t h c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ，w h e t h e r i n ma t e ria l s e l e c t i o n ，d e s i g n me t h o d s ，p rin c i p l e s o r i n t h e s t r u c t u r e ， p r o c e s s i n g r e q u i r e me n t s a r e g r e a t e r d i f f e r e n c e ， T h i s i s b e c a u s e t h e s e a w a t e r p r e s s u r e o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f i t s o wn p e n e t r a t i o n h a s c h a n g e d t h e t r a d i t i o n a l c o n c e p t o f s e a l i n g a n d l u b ri c a t i o n ． An d b y t a k i n g me a s u r e s i n s e a l s a n d p r e s s u r e c o mp e n s a t i o n ， t h e u n d e rw a t e r h y d r a u l i c s y s t e m wh i c h u s e s the h y d r a u l i c o i l a s t h e w o r k i n g me d i u m c a n o p e r a t e u n d e r d i f f e r e n t d e p t h s o f t h e s e a w a t e r ． Th i s a r t i c l e d e s c rib e s t h e ma r i n e e n v i r o n me n t b a s e d u n d e rw a t e r h y d r a u l i c s y s t e ms s e a l t e c h n o l o g y ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； s e a l s ； p r e s s u r e c o mp e n s a t i o n O 引言 水下液压系统的密封技术是基于海水压力水下液 压系统的关键技术之一【 ” 。在地面上的液压传动设备允 许周围空气介质与液体传动设备工作油液之间有某些 交换。而在水下环境中， 这种交换将导致海水沿着 固定 与可动配合件的密封环节渗入到工作油液 中，使元件 的内表面锈蚀 ， 破坏 电气绝缘性能。为此 ， 构成液压系 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 3 0 作者简介 洪啸 虎 1 9 8 6 一 ， 男 ， 在读硕 士研究生 ， 本毕业于浙江大学机械 与能源工程学院机械制造及其 自动化专业 。 现就读于解放军理工大学工 程兵工程学院机械电子专业 。 现研究方向是水下液压系统的关键技术与 水射流切割。 统的各元部件 。除了陆上为防止油液外泄所采用的密 封措施外 ，还要考虑防止海水渗入液压系统的密封措 施 。液压系统的密封直接关系到水下设备的作业性能 和可靠性翻 。 1 水 下液压密封技术研究 现状 美国海军早在 2 0世纪 5 0年代就开始研制水下液 压系统 。早期的水下液压系统并未采取压力补偿措施， 而是将液压源 、液压控制单元及液压执行器分别安装 在压力容器中 。 以防止海水压力对液压系统的影响 ， 这 种方法不仅增加 了系统 的体积和重量 ，而且没有从根 本上解决海水压力的影响问题 。6 O年代初美 国开始研 制载人潜水器 ． 水下液压系统也因此得到了迅速发展 ， 【 4 】 杨尔庄． 世界流体动力工业现状及发展动 向[ J ] ． 液压气动与密 封． 2 0 1 0 2 ． [ 5 】 沙宝森． 对推动流体传动产业科学发展的几点思考【 J 】 ． 液压气 动与密封， 2 0 0 8 1 ． 【 6 】 王长江． 中国应该成 为液压 的大 国和强 国【 j 】 ． 液压气 动与密 封． 2 0 0 9 2 ． [ 7 】 杨尔庄． 中国液 压气动工 业的现状 与展望 [J 】 ． 液压 气动与 密 封。 2 0 1 0 1 ． [ 8 】 沙宝森． 调 整发展战略， 加快发展 基础件产业f J ] ． 液压气 动与 密封． 2 0 1 0 1 ． 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 3期 有代表性的 A ME T E K 2 0 0 6是美国 O S E L公司的作业型 遥控潜水器 ，液压源采用 R E X R O T H公司的恒压变量 泵具备压力补偿系统【删。 国内对水下液压系统 的研究虽然起步较晚 ，但在 引进 国外先进技术的基础上不断消化吸收 ，目前也取 得 了一 些发 展 。 2 水 下液压 系统 的密封设计 与常规液压系统相 比．水下液压系统有很多独到 之处 ， 使用条件也较为苛刻。①水下液压系统工作在海 水环境中， 工作深度从几百米到几千米 ， 液压系统不仅 要承受内部高压 ， 还要承受外界海水压力 ； ②水下液压 系统对安全性要求极高 ，一旦海水渗入到液压系统内 部 。 轻者使液压系统不能正常工作 ， 重者导致液压元件 损坏；③水下液压系统在体积和重量方面都有严格限 制 ． 体积小 、 重量轻是提高水下液压系统功率重量比的 关键； ④水下液压执行器直接暴露在海水中， 密封元件 不仅要耐液压油腐蚀 ， 还要耐海水腐蚀 ； ⑤水下液压系 统不仅在结构设计上要 紧凑 ，在材料选择上也要考虑 海水 的腐蚀问题[z l 。 考虑到防止海水渗入液压系统而采取 以下密封措 施有 1 对于静密封应尽量采用端面静密封 。 2 对于往复式动密封或径向密封 ， 常在与海水接 触部分另加设一道 O形密封圈。 3 对 于旋转式密封， 常在与海水接触的旋转部位 另加一道相同结构的旋转密封 ， 以分隔海水。 4 对 于阀件可设计成板式连接 的集成油路方式 置于密封的阀箱中， 以确保密封。 5 在系统中加装补偿器。 2 ． 1 O 形 圈密封 O形圈是一种使用广泛 的挤压型密封件 ， 如图 1 所 示 ． O形圈在安装时截面被压缩变形 ，堵住 了泄漏通 道 ． 起到了密封 的作用 。O形圈密封具有下列优点 结 构简单 、 体积小 、 安装部位 紧凑 、 装卸方便 、 制造容易 ； 具有 自密封作用 ， 不需要周期性调整 ； 适用参数范围宽 广 ． 使用温度范围可达一 6 0 2 0 0 C； 用于动密封装置时 ， 密封压力可达 3 5 MP a 且价格便宜 。O形圈在动密封中 应 用 的不 足 起 动摩 擦 阻力 大 ， 易 引起 忽滑 忽 粘 的 0 形圈 轴 图 1 O形圈密封结 构示意 图 爬行现象 使用不 当， 易引起 O形圈切 、 挤 、 扭 、 断等事 故 ； 动密封还很难做到无泄漏 ， 只能控制其渗漏量不大 于规定许可值[5 1。 2 ． 2机械 密封 机械密封作为旋转设备 的轴封装置 ，广泛应用于 石油 、 化工 、 能源 、 制药 、 冶金 、 机械等许多行业。如图 2 所示 ， 轴带动动环旋转 ， 静环 固定不动 ， 依靠静环和动 环之间接触端面的滑动摩擦保持密封 ，当端面产生磨 损时 ．弹簧推动动环使动环与静环的端面紧密贴合而 无间隙。为了防止介质从静环与壳体之间和动环与轴 之间的间隙泄漏 ． 静环与壳体及动环与轴之间均装有 O 形 圈 ． 机 械密封 的特 点是 1 密封性 能可靠 ， 泄漏 量极小 ， 通 常 可控 制在 3 5 mL／ h。 2 使用范 围广 ， 适用于各种工况条件 ， 在高速 、 高 压 、 高温 、 低温 、 高真空 、 腐蚀性介质 、 高黏度介质等工 况下 ， 都有 良好 的密封效果 ， 压力可 以达到 4 5 MP a ， 温 度为 2 0 0 ～ 4 5 0 1 2 ． 旋转速度高达 1 5 0 m ／ s 。 3 使用寿命长 ， 有 的工况可以达到 l 0年不需 维 修， 不需经常更换 ， 功耗小。 4 抗振性强 ， 缓冲性好。 5 结构复杂 ， 装配较 困难 ， 价格较贵。 正由于这些特点 ，在我国研制的水下作业系统中 很多都采用机械密封这种密封方式嘲 。 图 2机 械 密 封 结 构 和 原 理 图 2 ． 3加装 压 力补偿器 在液压系统中加装补偿器 ，是防止海水渗入液压 系统的有效措施 ．因为一个水下机器人液压系统常常 是油源以及多个阀件 、 执行器 液压缸 、 液压马达 通过 管路相连而成 ，一处环节 的密封不可靠都会对整个 系 统带来危害。加装补偿器， 除了可以补偿工作油液因本 身的弹性模量 、温度及下潜深度而产生 的油液体积变 化外 ， 更主要 的是可以平衡内外压力 ， 使系统 内压等于 工作水深外 压或稍大于外压 ， 这样 ， 系统如有渗漏 ， 只 能是工作油液的外渗 ， 而确保海水个会渗入液压系统 下转第 1 9页 ； ；； ； y d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 3 ． 2 0 1 2 ； ； - 一 由于系统动态过程 的压力含有该段压力范围，所 以在 模型中不应把油液体积弹性模量看成为一常数 ，应采 用拟合方程表示某一压力下的油液体积弹性模量 。当 压力大于 1 0 MP a ， b 变化不明显 ， 这时 b 可被视为一个 常量 ． 约为 1 6 0 0 MP a 。 2 拟合值与实测值吻合得很好 ， 尤其在 中、 低压范 围内。通过实验得出的油液体积弹性模量随压力的变 化曲线为 L] b 一 一 1 3 ． 3 7 ． 一 8 ． 5 9 e 4 8 ．3 1 2 1 ．4 3 推导出的油液体积弹性模量的压力模型适用于 任何油温变化不大 ， 系统供油条件 、 吸油能力不变的液 压系统的动态分析 、 建模仿真。 参 考 文 献 [ 1 ]I 盛敬超． 液压流体力学【 M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 2 ． [ 2 】 王静 ， 龚国芳． 油液 弹性模量 检测 装置设计及仿真分析[ J 】 ． 液 压与气动 ． 2 0 0 6 7 ． [ 3 】 胡泓 ， 姚伯威． 机电一体化原理及应用【 M 】 ． 北 京 国防工业 出 版社 ． 2 0 0 2 ． 图 2 弹性模量与压力变化关 系曲线 实验结果表 明。 当压力较低时 。 油液的体积弹性模 量值随着压力变化比较大。当压力比较高时， 油液的体 积弹性模量值随着压力变化趋于平缓 ，通过指数衰减 拟合得到的曲线与实测值吻合的较好 。 3 实验结 论 。 根据上述结果可以得出以下结论 1 由图 1 ． 2可见 ， 在油温不变的情况下 ， 系统压力 在 中、 低压 范围内 约为 0 1 0 MP a ， b 的变化 比较大 。 一 一 十*一 - - 上接第 l 6页 中。图 3是静水压力补偿器的示意图。结构上是一个 由 薄膜或浮动活塞隔开的空腔。 补偿现有的压力补偿器大 多采用滚动膜片作为弹性元件 ， 滚动膜片是由橡胶等纤 维织物复合而成 ， 既是密封元件又是压力传递的敏感元 件 ． 滚动膜片在 自由状态下 的形状如同一个礼帽， 它是 由夹有丝布的橡胶制成 ， 丝布是滚动膜片的骨架 ， 主要 起到增加强度的作用 ， 橡胶则起到密封的作用。滚动膜 片的顶部通常设有 中间孔 。 用于安装活塞 ， 活塞带动滚 动膜片在活塞缸内运动 ， 活塞与活塞缸之间留有一定 的 间隙 ， 活塞运动时 ， 膜片沿着活塞缸内壁做无滑动的滚 动， 所以称为滚动膜片， 为了便于安装和密封 ， 滚动膜片 底部通常设计成 O型边或周边带孑 L 等形式[7 1 。 补偿 排气。 --- 3 1釜芒 ] 三 I I 充油 口 一 动膜片 图 3 采用滚动膜片的压力补偿器 补偿器的效率是按照体积 、工作油液体积的使用 程度 、结构的重量系数和隔离器对深度变化的灵敏度 来判定的。 3 结束语 海水液压系统虽然具有众多优势 ，但是在水下作 业设备 中并没有得到广泛应用 ，主要原因是各类适应 海洋环境的液压元件正处于研制阶段 ，一些关键技术 有待解决。以液压油为工作介质的水下液压系统通过 采取密封措施和压力补偿后可以在不 同海水深度下作 业 ．且常规液压系统 中的众多成熟技术均可 以移植到 水下液压系统中 ， 因此相对于海水液压系统 ， 以液压油 为工作介质的水下液压系统在水下作业设备 中的应用 更加广泛 。 参 考 文 献 【 1 】 王峰． 基于海水压力的水下液压 系统关键 技术 研究【 D ] ． 杭州 浙江大学博士学位论文 ， 2 0 0 9 ． [ 2 】2 蒋新 松， 封锡盛， 王棣 棠． 水下机A[ M I ． 沈阳 辽 宁科学技术 出版 社， 2 0 0 0 ． [ 3 ]3 G r e e n e a， W． N a v y 7 S d e e p o c e a n t e c h n o l o g y p m j e c t e v o l u t i o n a n d p r o g r e s s ． O C E A N S ， 1 9 7 1 3 5 0 5 3 ． [ 4 ] A M E T E K 2 0 0 6水 下机 器人 液压系 统分 析[ J ] ． 液 压气 动与密 封 ． 1 9 9 7 2 ． 【 5 】 赵立新， 丁筱玲， 张亚民 ， 等． O形密封圈功能的充分发挥【 J 】 ． 排 灌机械 ， 2 0 0 0 ． [ 6 】 胡征宇， 吴大转， 千乐 勤． 高压组合机械 密封 装置的设计[ J ] ． 工 程设计学报 ． 2 0 0 5 1 2 ． 【 7 】 李延 民． 潜器 外置设备液压 系统 的压力补偿研究【 D 】 ． 杭州 浙 江大学博士学位论文 ． 2 0 0 5 ． 1 9