水下液压同步控制系统研究

液压传动技术具有在水下设备中应用的独特优势，其功率重量比大，相同功率下能够减小水下设备的体积和重量，易获得较大的力或力矩，系统结构简单、可靠性高、快速性好、传动平稳，易于防止过载，易于实现功率调节，便于提高水下设备的效率，减少动力消耗。液压传动技术的众多优势使其在水下设备中得到了广泛应用。

某型水下 200 mm UUV动作机构长度将近 8 m，由于任务的要求，机构中间位置不允许支撑，同时为减轻机构的水中重量，其刚度和强度也会受到-定的影响，为防止其在动作过程中产生过大变形甚至遭到破坏，必须要求同步动作。本研究结合该水下机构的同步控制，分析研究水下液压同步控制系统的特殊要求及解决措施，研制-套水下液压同步控制系统并进行试验验证。

1 水下液压系统的特殊要求及设计措施1.1 水下液压系统的特殊要求水下液压系统要在大深度水下工作，考虑到工作环境的不同以及液压系统故障对水下设备的工作风险具有较大的影响，水下液压系统的设计难度和复杂性要高于陆地或船舶中的液压系统。相对普通液压系统其特殊要求如下：(1)要有足够的强度。适应不同水深压力变化对液压系统结构和特性的要求；(2)要有可靠的密封性。水下液压系统对密封性要求极高，-旦海水渗人到液压系统内部，将导致液压系统不能正常工作；(3)重量要轻，体积要校满足水下载体布置和收放的要求；(4)安装、检修方便。便于进行维修以及功能的快速恢复；(5)机械加工工艺合理及耐腐蚀等。满足海水和海洋环境下长时间工作的要求。

1.2 水下液压 系统的设计措施在实际设计过程中，针对水下液压系统的实际要求、具体的工作环境等特点采用-些相关技术措施 ：1)采用闭式结构由于水下液压系统工作在海水环境中，而工作介质是液压油，因此必须将系统设计成封闭结构。

2)设置压力补偿器水下液压系统与普通液压系统的重要不同点在于其环境压力相差很大，而且随着水深的变化，环境压力不断变化，水下液压系统在深度达到-定程度时，必须收稿 13期：2013-01.10作者简介：石生龙(1985-)，男，辽宁辽阳人，助理工程师，硕士，主要从事液压技术方面的科研工作。

2013年铬1翱 液压与气动 49采用水深压力补偿的方式工作。水下液压系统设置压力补偿器有以下几个方面的作用。首先 ，避免了海水压力对液压系统的影响，通过对系统回油压力的补偿，使系统压力建立在外界海水压力的基础上，这样液压系统执行器的负载能力不受海水压力的影响，系统可以按照常规液压系统的方法来设计；其次，减小了系统的体积和重量，由于采用了压力补偿，油箱、阀箱等不必采用耐压结构，-些非受力部件还可采用尼龙等非金属材料，不仅重量轻，而且抗海水腐蚀性能较好；第三，有效防止海水渗入到液压系统内部，由于弹簧的预压缩力作用，使系统的回油压力略高于外界海水压力，这样既使产生微渗漏，也只是液压油向外渗出，外界海水则无法渗入到液压系统内部，保证了液压系统的安全；第四，消除了单出杆缸、蓄能器等在工作过程中造成的体积变化对油箱的影响，起到了体积补偿的作用；第五，改善液压泵吸人条件，有利于泵的平稳运行。

3)选择体积孝重量轻的元件水下液压系统在体积和重量方面都有严格限制，体积孝重量轻是提高水下液压系统功率重量比的关键。由于采用了补偿措施，各液压元件的内外压力均在原来的基础上增加了海水压力，因此承压情况与常规液压元件完全相同。在选择液压件时，可关注国内外各种功能的微、小型液压控制阀，以减轻系统体积和重量。

4)采用集成化和板式连接在结构设计上，旧能将系统中油箱、补偿器及阀箱集成于-体，提高系统集成化水平，液压阀件采用叠加式或板式连接，进-步减姓间和体积。

5)采用开式布置液压系统采用开式布置，将水密电机、油泵、油箱直接暴露在海水中，有利于系统的散热。同时通过连接法兰将电机与液压泵的轴端密封并充满液压油，通过油管与油箱连通，实现液压泵轴封的压力补偿。

6)材料选择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。除把液压控制元件布置在油箱内，无需特殊考虑外，其余工作在海水中的液压元件，如水下液压执行器、补偿器、液压泵、接头等都需采用不锈钢材料或进行表面防海水腐蚀的处理。

在铝合金的应用上，除了考虑强度的因素外，可采用-种称为硬质阳极氧化表面处理的工艺方法。

1.水密接插件 2.注油排气阀 3.集成阀板 4.油箱5.压力补偿器 6.皮囊与弹簧组 7.导向杆 8.标尺图 1 水下液压同步控制系统液压源2 同步控制方案选择及消除同步误差的措施2.1 同步控制方案的选择在液压系统中，实现液压同步的回路较多，包括同步阀同步回路，调速阀同步回路，液压缸串联同步回路，同步马达同步回路，闭环控制同步回路等，而在实际的应用中，需要根据液压系统的执行机构，工作条件及同步精度要求等来合理选择同步控制方案。分流阀的结构简单、体积孝重量轻，负载变化对同步精度影响小，但同步精度较低，且压力损失较大，系统效率低，调速阀同步精度受调速阀性能和油温影响，而且各个调速阀比较难调到相同流量，所以误差也较大。闭环控制同步回路同步精度较高，但系统组成复杂，可靠性相对较低，对于同步精度要求不高的诚，不宜采用。

本系统中采用齿轮式同步马达实现同步控制，可满足实际应用要求，其控制精度比其他调速阀高得多，控制精度可达±3%，且控制简单，易于实现。

2.2 同步误差产生原因同步马达在液压系统中用于同步控制，其控制精度较高，但在实际使用中，同步马达也存在-定的同步误差，主要表现为系统同步精度达不到液压同步马达样本标定的同步精度，使用液压同步马达的系统中，其同步精度主要受以下-些因素的影响：(1)同步马达和液压执行机构的加工精度；(2)负载的均匀性和动作的连续性；(3)液压油中气体的含量；(4)系统工作时的压力级别(压力越高，内泄漏越大，同步精度越低)；(5)介质的黏度和温度；(6)安装调试规范性(包括液压管道布置的不合理，造成管道沿程阻力不同，两油缸未处于同-起始位置等)。

50 液压与气动 2013年第7期2.3 消除同步误差的措施1)选择加工精度较高的同步马达和液压执行机构- 般来说，齿轮式同步马达的同步精度比柱塞式要低-些，齿轮式同步马达控制精度-般在 ±1%～±3%，柱塞式同步马达精度可以达±0.5%～±1.5%。

选择同步马达的类型和合适的生产厂家是至关重要的，元件精度保证了，系统的同步精度才能有保障。

2)消除液压同步马达的累计误差液压同步马达的加工精度虽然较高，但不可能完全-样。另外，还有其它原因产生的同步误差，如负载不均匀、液压管路设计不-样等等，这些误差综合在-起 ，形成了同步控制的累计误差。因此同步马达内部必须设置溢流阀和单向阀，以实现终点补偿，满足液压执行机构的同步要求。

3)同步马达与负载的匹配同步马达的溢流 阀能起到消除累计误差的作用，但其压力设定必须与负载相匹配，压力设定高了，对消除同步误差有影响，设定低了，如遇负载偏载较大，负载大的液压缸还没推动负载，就已经憋成高压而溢流了。-般来说，溢流阀的设定压力高于负载液压缸工作压力 2 MPa即可，否则就不能达到同步的要求。

4)液压系统介质的影响液压介质中含气量较大，尤其是新安装的同步系统，管道排气不彻底，管道和液压执行机构中含有大量的空气，介质的弹性模量就越小，流过同步马达的实际排量就受到影响，由于空气的压缩比大，这样，介质中空气含量小的液压执行机构，先达到终点，而介质中空气含量大的液压执行机构动作就相对慢-点，从而产生相当大的同步误差。所以，液压管道设计和施工要注意排气，特别是新装的、维修后的和长时间不工作的液压管道重新工作时，要排气充分。

5)液压同步马达管道的布置液压同步马达出口到液压执行机构的管道布置必须合理，否则会对其同步精度产生影响。因为管道的压力损失是比较大的，当这种压力损失与负载偏置叠加在-起，就将在管道内产生较大的压差，如果在液压马达进出口两端的压差变化很大时，那么在相同转速下，液压马达的流量就发生变化，所以在液压同步马达配管时，要旧能地将管道远近距离、弯管形式、管道通径等配置得-样。

3 水下液压系统的注油及排气3.1 水下液压系统中气体危害液压系统在安装时，油液中会产生气体，油液中混有气体不但破坏油液的连续性，而且系统运行时由于气体的存在，不利于散热且增加了压力损失，加速了油液的温升和氧化、缩短了油液的使用寿命，影响系统的刚性和响应特性，使运动部件的运动速度不均匀，产生低速爬行及换向精度的下降；使系统压力产生脉动，元件、管路等连接松动，甚至产生误动作；系统工作压力变化时，由于气泡急剧缩型放大，即产生气穴与气蚀现象，使系统产生振动、噪声、甚至遭到破坏；对于同步控制系统，影响执行机构的同步控制精度；对于带压力补偿器的油箱，空气的存在会影响压力传递的精度。因此，在工作之初及调试过程中，需要对液压系统进行排气。

3.2 水下液压系统的注油及排气普通液压系统的注油和排气相对简单，排气可以通过空载运行-段时间，由油箱 自然排气即可，但水下液压系统工作在海水环境中，液压系统是与海水相隔离的封闭结构，其注油和排气与普通液压系统不同，需要设计专门的注油和排气装置，以解决初始空系统充液问题。为此，在闭式油箱上设计专门的注油阀和排气阀，即自锁式单向阀。系统注油时，通过专用的注油设备经过注油阀向系统注油，同时排气阀-直处于打开状态，边注油边排气，直到油液充至设定位置。由于水下液压系统的油箱是自带补偿器的闭式结构，从而无法承受较大的内部压力，因此，对注油过程有-个重要的要求就是不能超压，为保证注油过程的安全，注油速率必须稳定