双泵隔离式液压系统在工作级水下机器人中的应用.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 8-0 6;修回日期:2 0 2 3-1 1-2 0作者简介:徐亚国(1 9 8 8),男,硕士,工程师,主要从事水下机器人相关设计和水下专用工具设计等方面的研究工作,E-m a i l:x u y gc o s l-f u g r o.c o m。第3 2卷 第1期2 0 2 4年3月北京石油化工学院学报J o u r n a l o f B e i j i n g I n s t i t u t e o f P e t r o c h e m i c a l T e c h n o l o g yV o l.3 2 N o.1M a r.2 0 2 4文章编号:1 0 0 8-2 5 6 5(2 0 2 4)0 1-0 0 1 2-0 3双泵隔离式液压系统在工作级水下机器人中的应用徐亚国(中海辉固地学服务(深圳)有限公司,广东 深圳 5 1 8 0 6 7)摘要:工作级水下机器人R OV的液压系统由于使用外接工具频繁而发生系统渗漏崩溃失压的概率较大。为了减少R OV在水下工作时液压系统的故障风险,介绍了一种采用由主液压系统和工具液压系统组成的双泵隔离式液压系统的水下机器人,其主液压系统和工具液压系统两个子系统完全隔离,当其中一个子系统发生故障时,另一个子系统仍能正常工作,在一定程度上保障R OV安全。关键词:水下机器人;主液压系统;工具液压系统;双泵隔离中图分类号:T E 9 5 2文献标志码:AD O I:1 0.1 9 7 7 0/j.c n k i.i s s n.1 0 0 8-2 5 6 5.2 0 2 4.0 1.0 0 3开放科学(资源服务)标识码:A p p l i c a t i o n o f D u a l P u m p I s o l a t e d H y d r a u l i c S y s t e m o n W o r k i n g-c l a s s R O VXU Y a g u o(C h i n a O f f s h o r e F u g r o G e o s o l u t i o n s(S h e n z h e n)C o.,L t d,S h e n z h e n 5 1 8 0 6 7,C h i n a)A b s t r a c t:A s t h e f r e q u e n t u s i n g o f e x t e r n a l t o o l s o n t h e W o r k i n g-c l a s s R OV,I t s h y d r a u l i c s y s t e m h a s a h i g h p r o b a b i l i t y o f p r e s s u r e l o s s d u e t o s y s t e m l e a k a g e.A n k i n d o f R OV u s i n g d u a l p u m p i-s o l a t e d h y d r a u l i c s y s t e m w h i c h c o m p o s e d o f t h e m a i n h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e t o o l i n g h y d r a u l i c s y s t e m w a s i n t r o d u c e d.T h e m a i n h y d r a u l i c s y s t e m a n d t o o l i n g h y d r a u l i c s y s t e m a r e c o m p l e t e l y i s o l a t e d,a n d w h e n o n e s u b s y s t e m m a l f u n c t i o n s,t h e o t h e r s u b s y s t e m c a n s t i l l f u n c t i o n n o r m a l l y,t o s o m e e x t e n t e n s u r i n g t h e s a f e t y o f t h e R OV.K e y w o r d s:r e m o t e o p e r a t e d v e h i c l e;m a i n h y d r a u l i c s y s t e m;t o o l i n g h y d r a u l i c s y s t e m;d u a l p u m p i-s o l a t e d 水下机器人作为人类探索和开发海洋的重要工具,一直是水下工程装备领域关注的焦点1-3。国际海事承包商协会(I MC A)将遥控水下机器人(R e-m o t e l y O p e r a t e d V e h i c l e,简称R OV)分为纯观测型R OV、具有带负载能力的观测型R OV、工作级R OV、海床拖曳式或履带式R OV和研发型R OV这5类。R OV的驱动方式有液压驱动和电力驱动,一般中小型R OV采用电力驱动,大中型R OV采用液压驱动4。现阶段的工作级R OV主流机型都是采用液压驱动方式,由于工作环境为深海,R OV的液压系统同时承受着水环境压力和海水渗入系统及海水腐蚀的风险。为了减少R OV在水下工作时液压系统故障风险,笔者介绍一种双泵隔离式液压系统在工作级R OV上的应用,即采用1个水下电机驱动2套完全隔离的液压系统,主液压系统为R OV提供动力;工具液压系统为R OV辅助系统及外接工具提供动力。1 工作级R O V液压系统的基本要求及双泵隔离式液压系统的优点1.1 工作级R O V液压系统的基本要求液压系统主要特点是功率密度大、水深适应性强、安全可靠性高、安装灵活,通过流量控制容易实现R OV推进系统在较大范围的无极调速,加装压力补偿装置平衡环境压力容易实现系统的静密封和动密封,这是大中型R OV多数采用液压系统的原因。工作级R OV的主要工作环境为深海,特殊的工作环境决定 了其液压 系统必 须 具 备 如 下 基 本要求5-6:(1)液压系统采用闭式回路,外形尺寸尽量小、质量尽量轻;(2)深海低温环境对液压系统的工作介质液压油黏度要求更高;(3)液压系统除内部承受液压油工作压力,还承受深海环境的海水压力,因而对液压系统的静密封和动密封要求更高;(4)海水的强腐蚀性要求液压系统设备外观需进行防腐处理,如结构涂刷油漆与加装牺牲阳极。1.2 工作级R O V采用单泵液压系统的风险分析工作级R OV液压系统采用单泵系统时,R OV的动力系统和使用外接作业工具会使R OV在作业中面临较大的系统崩溃失压的风险。在实际水下作业中,液压系统除了保障R OV的液压推进系统,还需要携带各种外接作业工具,并且切换频繁,多数水下作业工具为液压驱动,需要连接R OV的液压系统进行工具驱动和控制,由于作业工具本身存在密封不良的风险、作业中拆装频繁,深海环境的海水压力会使液压系统进水的风险较大,对于采用单泵液压系统的R OV,液压系统进水会直接影响到R OV的推进系统,严重时可能导致R OV在水下瘫痪。1.3 工作级R O V采用双泵隔离式液压系统的优点双泵隔离式液压系统应用于工作级R OV,可以在一定程度上减少此类风险的发生,该系统由1个水下电机驱动2个变量柱塞泵,即主泵和工具泵,产生2个液压动力源,其中主泵主要为R OV的推进系统提供动力源,组成主液压系统,保障R OV自身的运动;工具泵为R OV辅助系统(如液压云台和液压机械手臂)和外接作业工具提供动力源,组成工具液压系统。双泵隔离式液压系统的2个子系统完全隔离、互不影响,即使发生外接作业工具密封不良造成泄露系统进水、工具液压 系统崩溃失压,也不会对R OV自身动力造成影响,确保R OV可以回到安全位置并回收到甲板进行维修。而当主液压系统发生故障崩溃失压时,工具液压系统可以驱动R OV辅助系统继续工作,保障R OV安全和协助制定R OV营救方案,如主液压系统发生故障时机械手臂是抓在水下设施上面把手的状态,可以确保R OV不被水流冲走,云台摄像头多角度观察主液压系统故障时R OV的周边环境,为制定R OV营救方案提供帮助。2 工作级R O V双泵隔离式液压系统的组成及工作原理 以3 0 0 0m级1 5 0马力的工作级R O V为例介绍双泵隔离式液压系统的组成及工作原理。液压系统由三相交流电动机提供动力,电机两端轴同时驱动力士乐A 1 0 V S O 1 4 0 m L/r变 量 柱 塞 泵 和 力 士 乐A 1 0 V S O 4 5m L/r变量 柱塞泵,其中A 1 0 V S O 1 4 0m L/r变量柱塞泵为主泵,A 1 0 V S O 4 5m L/r变量柱塞泵为工具泵。双泵隔离式液压系统中的液压动力单元布局如图1所示。图1 双泵隔离式液压系统中的液压动力单元F i g.1 H y d r a u l i c p o w e r u n i t i n d u a l p u m p i s o l a t e d h y-d r a u l i c s y s t e m 2.1 工作级R O V主液压系统组成及工作原理工作级R OV主液压系统的液压原理图如图231第1期徐亚国.双泵隔离式液压系统在工作级水下机器人中的应用所示,该系统主要为R OV推进系统提供动力,与工具液压系统完全隔离。A 1 0 V S O 1 4 0m L/r变量柱塞泵输出高压油经过高压滤器后进入推进器伺服阀组,伺服阀组内共布置8个伺服阀,其中7个伺服阀分别控制7个推进器,并留出1个作为备用伺服阀,每个伺服阀接收模拟信号并输出对应的压力与流量,控制7个推进器(4个水平方向推进器和3个垂直方向推进器)的正反转和转速,实现R OV在前后、左右、上下、顺时针旋转和逆时针旋转这几个自由度上的运动。该系统为闭式液压系统,容量为2.5L的圆柱形集油舱是系统的低压液压油存储区,经低压滤器和泵吸入口相连,为了缓冲液压系统运行过程中液压油容积变化的冲击,泵吸入口并联1个1 3.5L补偿器,用于补偿系统液压油压缩体积变化带来的压力变化和当系统发生少量泄露时对闭式液压系统的油液补充。R OV在深海环境中运行,为避免微量海水渗入及液压快速接头连接时带入微量水分,在系统中并入油水分离器,用于过滤系统中的水分,保障液压油的清洁。图2 主液压系统原理图F i g.2 H y d r a u l i c s c h e m a t i c d i a g r a m o f m a i n h y d r a u l i c s y s t e m 图3 工具液压系统原理图F i g.3 H y d r a u l i c s c h e m a t i c d i a g r a m o f t o o l i n g h y d r a u l i c s y s t e m(下转第3 7页)2.2 工作级R O V工具液压系统组成及工作原理工作级R OV工具液压系统的液压原理图如图3所示,该系统主要为R OV的液压云台、液压机械手臂及外接作业工具提供动力,与主液压系统完全隔离,A 1 0 V S O 4 5m L/r变量柱塞泵输出高压油经过高压滤器后进入电磁阀组,电磁阀组内共布置1 5组三位四通电磁换向阀,并根据功能需要配置相应的双液控单向阀(俗称液压锁),根据R OV作业常规配置,第15组电磁换向阀用于控制液压机械手臂;第68组电磁换向阀用于控制R OV前方的2个液压云台;第91 4电磁换向阀组为备用接口,用于外接作业工具;第1 5组电磁换向阀用于控制工具41北京石油化工学院学报2 0 2 4年第3 2卷参考文献1 朱明霞,石立华,薛颖,等.新型水驱特征曲线研究与应用J.非常规油气,2 0 2 2,9(4):6 5-7 0,1 2 8.2 解伟,石立华,吕迎红,等.特低渗透非均质油藏周期注水方案研究J.非常规油气,2 0 1 6,3(1):4 7-5 2.3 张学刚,王秀宇,代明春,等.周期注水实验研究及力学机理探讨J.石油化工高等学校学报,2 0 1 5,2 8(6):6 6-8 6.4 邓晴阳,罗元,郭宇,等.低渗砂岩油藏脉冲注水研究J.石油化工应用,2 0 1 5,8(4):2 9-3 3.5 李晓娜.周期注水与脉冲注水的理论研究J.石油化工应用,2 0 1 8,3 7(6):6 6-6 7.6 周延军.脉冲注水技术应用探讨J.长江大学学报(自然科学版),2 0 1 1(4):6 6-6 7.7 雷登生,杜志敏,付玉,等.周期注水吸入过程机理研究J.西南石油大学学报(自然科学版),2 0 1 0,3 2(1):1 0 1-1 0 4.8 康胜松,肖前华,高峰,等.特低渗油藏非稳态周期注水机理及应用J.石油钻采工艺,2 0 1 9,4 1(6):7 6 8-7 7 2.9 闫健,张宁生,刘晓娟.低渗透油田超前注水增产机理研究J.西安石油大学学报(自然科学版),2 0 0 8(5):4 3-4 5.1 0邱勇松,杨正明,李捷,等.低渗透油层注水开发的层间突进研究J.西安石油大学学报(自然科学版),2 0 0 3(1):2 7-2 9.1 1尚宝兵,刘义刚,吴华晓,等.海上油田定向注水井安全注水压力研究J.西安石油大学学报(自然科学版),2 0 0 3(1):2 7-2 9.1 2李晓娜.周期注水与脉冲注水的理论研究J.石油化工应用,2 0 1 8,3 7(6):6 6-6 7.1 3毛庆凯,牛贵锋,王良杰,等.中渗砂岩油藏脉动注水驱油机理研究J.当代化工,2 0 2 1,6(6):1 4 1 9-1 4 2 4.1 4KO S T R OV S,WOO D E N W.P o s s i b l e M e c h a n i s m s a n d C a s e s t u d i e s f o r e n h a n c e m e n t o f o i l R e c o v e r y a n d p r o d u c t i o n u s i n g I n-S i t u s e i s m i c s t i m u l a t i o nC.S P E 1 1 4 0 2 5,2 0 0 8.1 5KA R E V V I,KOVA L E NKOY U F,O D I N T S E V V N.M e c h a n i c s o f t h e e f f e c t o f w a t e r-g a s p u l s a t i o n s o n f i s s u r e d-p o r o u s r o c k s s u b j e c t e d t o h y d r a u l i c h o l e m i n-i n gJ.M i n i n g S c i e n c e,1 9 9 5,3 1(6):4 5 9-4 7 0.1 6解伟,石立华,吕迎红,等.特低渗透非均质油藏周期注水方案研究J.非常规油气,2 0 1 6,3(1):4 7-5 2.(上接第1 4页)液压系统的高中低3种系统压力的切换。由于工具液压系统泵的排量小,R O V自身设备及外接工具对流量的需求都很小,因而该系统内未设置低压油的集油舱,低压油在低压油路块汇集后经低压滤器与泵吸入口相连。与主液压系统的需求相同,工具液压系统设置了2个2.7 5L补偿器和1个油水分离器。3 结论(1)工作级水下机器人R OV的液压系统由于使用外接工具频繁而发生系统渗漏崩溃失压的概率较大,采用由主液压系统和工具液压系统组成的双泵隔离式液压系统的水下机器人可有效降低这种风险的发生。(2)双泵隔离式液压系统的工作原理是根据功能特点将R OV的液压系统分成主液压系统和工具液压系统,主液压系统主要为R OV推进系统提供动力,工具液压系统主要为R OV的辅助系统(如液压云台和液压机械手臂)和外接作业工具提供动力。(3)双泵隔离式液压系统的优点是2个子系统完全隔离、互不影响,当其中1个子系统发生故障时,另1个子系统仍能正常工作,在一定程度上保障R OV安全。参考文献1 王立忠.论我国海洋石油工程技术的现状与发展J.中国海洋平台,2 0 0 6,2 1(4):1 1-1 8.2 晏勇,马培荪,王道炎,等.深海R OV及其作业系统综述J.机器人,2 0 0 5(1):8 2-8 9.3 沈克,严允,晏红文.我国深海作业级R OV技术现状及发展展望J.控制与信息技术,2 0 2 0(3):1-7.4 罗凌波,涂绍平,朱迎谷.深海工作级液压R OV系统供电设计研究J.电子世界,2 0 1 9(1 2):1 1-1 3.5 杨申申,王璇,刘浩,等.深海潜水器液压系统的设计J.机床与液压,2 0 1 7,4 5(9):9 3-9 5.6 李林,陈皓,陈雷.R OV液压推进系统的基本组成及其控制原理J.中国石油和化工标准与质量,2 0 1 7,3 7(1 0):6 5-6 6,6 9.7 于会民,刘可安,罗凌波.深海装备压力补偿器及测试系统的设计J.液压气动与密封,2 0 2 0,4 0(5):5 1-5 3.8 周锋.深海R OV液压推进系统的稳定性和控制方法研究D.杭州:浙江大学,2 0 1 5.9 马新军.作业型R OV液压系统研制与艏向控制技术研究D.杭州:浙江大学,2 0 1 3.73第1期邹 剑等.水力脉冲在储层内传播及衰减性研究