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基于海水压力的水下液压系统关键技术研究

王峰  
【摘要】:水下液压系统在水下作业设备中发挥着重要作用,由于海水的特殊环境,对水下液压系统在可靠性、安全性、体积重量等方面都提出了更高的要求。为了使水下液压系统适应不同深度下的作业要求,在系统中设置压力补偿器,使系统的回油压力与海水压力相等,并随海水深度变化自动调节,从根本上避免了海水压力的影响。然而,对于一些功率不大、作业时间较短的水下作业设备,采用由电池、水下电机、液压泵等组成的水下液压系统,不仅系统结构复杂,同时由于电池、水下电机等工作在海水环境中,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系统无法工作,严重降低了系统的可靠性。为此,提出一种利用海水压力为水下液压系统提供动力的方法,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,这样不仅省去了电池、水下电机、液压泵等设备,简化了水下液压系统的结构,减小了系统的体积和重量,同时还提高了系统的可靠性,此外还可充分利用水下作业设备框架中的耐压空腔,提高水下液压系统的功率重量比。 论文以液压油为工作介质的水下液压系统为研究对象,在参阅和分析国内外大量文献和各类水下作业设备液压系统的基础上,采用理论分析、计算机仿真和试验研究相结合的方法,分别对两种不同原理水下液压系统的关键技术进行了研究。针对基于压力补偿原理的水下液压系统,对压力补偿的设计方法进行了较深入的研究,针对基于海水压力的水下液压系统,分别对系统的可行性、能量回收技术以及负载驱动技术进行了较系统的研究。论文内容具有一定的新颖性,为进一步研究不同原理水下液压系统的应用,提供了一定的设计和试验依据。 有关各章内容分述如下: 第一章介绍了水下液压系统的概况,对以液压油为工作介质的水下液压系统进行了综述。从水下液压系统的特点出发,论证了基于海水压力的水下液压系统的意义及可行性,在此基础上,提出了课题的研究内容及论文要进行的研究工作。 第二章从水下液压系统的原理出发,将水下液压系统分成基于压力补偿原理的水下液压系统和基于海水压力的水下液压系统,通过对不同原理水下液压系统原理及特性的分析,提出了不同原理水下液压系统的应用场合。针对基于压力补偿原理的水下液压系统,对其关键技术-压力补偿技术进行了研究,提出了基于容积变化的压力补偿设计方法。 第三章从基于海水压力的水下液压系统原理出发,对水下液压系统的特性进行了研究,在此基础上提出了水下液压系统的应用方法。针对系统的可行性,研制了基于海水压力的水下液压系统原理样机-基于海水压力的水下能量供给系统,基于系统的能量转换效率对系统参数进行了优化设计,并进行了仿真研究和深海试验研究。结果表明,基于海水压力的水下液压系统在原理和工程上都是可行的。 第四章针对基于海水压力的水下液压系统能量有限的特点,提出了基于高速开关原理的液压能量回收方法,利用高速开关阀的高速开关将系统多余的能量回收,并在适当的时间释放,同时将负载流量循环利用,以此提高系统的效率。建立了液压能量回收系统的数学模型,分析了系统的稳态特性、波动特性以及效率,并进行了仿真研究和试验研究。结果表明,基于高速开关原理的液压能量回收方法能够有效提高水下液压系统的效率。 第五章针对基于海水压力的水下液压系统工作深度变化大的特点,提出了基于高速开关原理的液压升压方法,通过高速开关阀的高速开关使液压马达制动产生高压,并利用液容使产生的高压持续,以此来提高系统的负载能力。建立了液压升压系统的数学模型,分析了系统的稳态特性、波动特性以及动态特性,并进行了仿真研究和试验研究。结果表明,基于高速开关原理的液压升压方法能够有效提高水下液压系统的负载能力。 第六章概括了全文的研究工作和成果,并展望了进一步的研究工作和方向。


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