浮力调节装置实验研究

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1、第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议浮力调节装置实验研究杨钢郭晨冰李宝仁（华中科技大学FESTO气动技术中心武汉430074）摘要：设计并构建了浮力调节装置实验测试系统，并对其在不同工作条件下的性能进行了实验研究。研究结果表明，所设计的浮力调节装置工作可靠，系统密封性能良好，在外部环境压力变化时，浮力调节装置泵油时间变化较小，系统效率高，整体功耗小，最大功耗不超过117W。该实验研究为浮力调节装置的研制奠定了基础。关键词：浮力调节，实验研究中图分类号：TH137耗低、可靠性高等技

2、术要求。0前言1实验测试系统随着我国对海洋研究的不断深入，海洋数据的[1]采集和监测也越来越重要，海洋垂直剖面测量平为了测试浮力调节装置功能的正确性，分析不台是我国针对这一要求提出的海洋高技术研究计同外部环境压力条件下对浮力调节装置工作性能的划。浮力调节装置是海洋垂直剖面测量平台的关键影响，设计了实验测试系统。装置，主要用于实现测量平台按给定要求上浮下沉，浮力调节装置的实验研究由两部分组成，第一从而实现在不同深度海层收集所需要的信息和数部分讨论了浮力调节装置的可靠性，测试其在据。20MPa外部压力条件下的密封性能；第

3、二部分讨论任何物体在水中实现沉浮动作通常有三种途浮力调节装置在不同外部环境压力时，外部环境对径，即①改变物体的体积而不改变质量；②改变物其泵油和回油工作时间、系统效率以及整体功耗等体的质量而不改变体积；③增加或减少所施加的外性能的影响。实验测试系统实验原理如图2所示。力。浮力调节装置采用第一方法，该方法原理与鱼[2][3]利用膘控制沉浮相似，主要依靠液压油泵、油囊、液压阀和高压管路等组成的液压驱动系统来实现，其原理如图1所示。油囊与外部海水接触，通过管路与液压系统相连。当液压泵通过进油液压阀将液压油注入油囊后会使油囊

4、体积增大，致使测量平台所受浮力逐渐增大而上升；反之，当外部环境压力将油囊里的油通过回油液压阀压回至油箱，油囊体积缩小，测量平台浮力随之减小，直至重力大于浮力，测量平台逐渐下沉。进油油囊液压泵油箱液压阀图2实验测试系统原理图回油如图2所示，浮力调节装置实验测试系统主要液压阀由气动加压系统、实验容腔、计算机测控系统和被图1浮力调节装置原理框图测系统等四部分组成。计算机测控系统一方面实现本文所研究的浮力调节装置根据海洋剖面测量电磁换向阀换向操作和直流电机的驱动，另一方面平台的实际需求，可以实现测量平台在水下100m～实现传

5、感器数据采集。被测系统即为浮力调节装置，1800m自动升降，即外部环境压力变化范围为浮力调节装置主要包括油箱、直流电机、液压泵、1MPa～18MPa，同时需要满足质量轻、体积小、功电磁换向阀和油囊等元器件，将油囊安装在实验容第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议腔内，如图3所示。实验容腔为高压容器，通过下机控制器减小了电机转速，以提高输出扭矩的结果。部充气口接气动加压系统向实验容腔内充入高压气图8给出了不同工况下直流电机电流曲线，由图8体，以模拟油囊外部环境压力变化。气动加压系统可

6、以看出随着外部环境压力增大，电机线圈电流增中气压换向阀5用于保持实验容腔压力稳定性，当加，最大电流不超过5A，整个系统的最大功耗不超实验容腔内由于油囊体积增加导致压力增高时，通过117W。过开启气压换向阀来维持实验容器压力稳定。表1实验数据分析油口，接浮力调节装置外部压力（MPa）流量（mL/min）功耗（w）5202.2350.510197.7477.618187.04116.4变化190.2107.4油囊充气口，接实验容腔气动加压系统图3实验容腔安装示意图2实验分析浮力调节装置外部环境压力高，最高可达18MPa，

7、为了确保其工作的可靠性和安全性，首先对其进行了耐压实验研究。通过气动加压系统向实图4外部压力5MPa时油囊体积变化曲线验容腔逐渐增压至20MPa压力，并在20MPa压力条件下保压1h后，经检查浮力调节装置具有良好的耐压性能和密封性能，无泄漏和渗漏现象。图4～图6为外部压力分别为5MPa、10MPa和18MPa时油囊体积变化曲线，图7给出了在外部压力持续变化时的实验曲线。实验时，首先通过气动加压系统向实验容腔充入相应压力的高压气体，然后开启浮力调节装置回油液压阀，油囊内部油液在外部压力的作用下被压回油箱。当油囊体积被压

8、缩至最小后，关闭回油液压阀，启动液压泵并开启进油液压阀，在不同的压力环境下重新将油液泵入图5外部压力10MPa时油囊体积变化曲线到油囊中。由实验结果可以看出，在不同环境压力条件下，浮力调节装置均可正常工作，并且在实验中未发生油囊泄漏、破裂等现象。从图中曲线可以看出，在5MPa、10MPa和18MPa环境压力下油囊回油时间分别为4.6min、2.