变深环境下柱塞泵工作特性研究

发布时间：2020-06-29 22:01

【摘要】：海洋占有地表71%的面积,蕴含丰富的石油、天燃气等矿产资源以及生物资源。随着深海开采技术日益成熟,海洋开发从浅海逐渐走向深海。大水深下作业设备工作条件十分恶劣,对技术要求较高。美、日、俄、欧等发达国家或地区先后成功研制了一批成熟的海洋资源探测及开采产品。相比之下,我国相应海洋探测技术与作业装备起步较晚,成熟产品有限。本文以深海柱塞泵为研究对象,分析变深环境下液压油粘度、弹性模量等介质参数改变对柱塞泵控制特性、效率的影响,得到深海柱塞泵工作性能的变化规律,为深海液压设备的研制与液压介质的选用提供理论支撑,主要研究内容如下:(1)针对液压介质特性随水深变化的问题,首先建立了以水深为自变量的水下环境参数模型,并分析不同水深下环境参数的变化规律。据此构建以环境参数为变量的油液粘度-压力-温度特性与弹性模量-压力-温度特性的迁移规律模型,以水下较为常用的ISO VG 32液压油为例分析油液特性,得到油液粘度随水深呈快速增加、过渡调整、稳定增加等“三段式”变化规律增长与弹性模量则按快速增长、稳定增长等“二段式”变化规律增加。为揭示单一环境参数的作用机理,分别以环境压力、海水温度为变量进一步分析油液特性变化规律,得到油液特性变化规律原因是因环境参数随水深呈非线性变化所致,相关研究为深海柱塞泵性能分析提供了理论支撑。(2)基于变深下油液介质特性模型建立深海柱塞泵压力与流量控制系统模型,分别分析介质粘度、弹性模量等液压系统内部参数对系统性能的影响。考虑粘度影响时,随着水深的增加两控制系统稳定性增加,响应速度与控制精度下降;考虑弹性模量影响时,随着水深的增加两系统稳定性下降,响应速度与控制精度上升。粘度与弹性模量两参数复合作用时,随着水深的增加系统稳定性上升,响应速度与控制精度下降。综合变深环境下泵的控制特性变化规律,得出在水深0-1000m、1000-7000m两区间,控制系统分别可视为变粘度-动弹性模量控制系统、变粘度-定弹性模量控制系统的结论。(3)基于变深下油液粘度特性模型,建立了深海柱塞泵泄漏与功率损失计算模型,分别分析柱塞泵泄漏与功率损失。柱塞泵容积效率随着水深的增加呈非线性上升,且上升趋势由急变缓逐渐减小;机械效率随着水深的增加呈下抛物线状下降,下降幅度由大变小,最终趋于平稳。指出变深下柱塞泵容积效率与机械效率变化规律由液压油“三段式”的变化规律所致。综合二者变化后得出深海柱塞泵总效率的变化规律,表明总效率随着水深的增加先缓慢上升后快速下降,最后平稳下降;相关研究成果为深海动力源的能耗分析打下了基础。(4)建立深海柱塞泵仿真模型,对柱塞泵的压力与流量控制系统进行仿真分析,考虑粘度与弹性模量两参数复合作用时,系统稳定性随着水深的增加而上升,响应速度随着水深的增加而下降。此外,在考虑环境压力影响的情况下,对柱塞泵控制特性进行了实验分析,实验结果与理论分析结果、仿真结果均一致,表明了理论模型正确可见,仿真研究为深海下液压系统的性能分析提供了一种可行方法。本文对变深环境下液压介质粘度、弹性模量等参数变化规律及其对柱塞泵控制特性、效率影响的研究,为深海液压动力源的开发提供了依据,为深海设备的使用及液压介质的选择提供了良好的理论支撑。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE95
【图文】：

损耗是导致低压海水泵效率较低的主要原因。对于现有的液压泵，液压油粘度对泵的磨损损失有着较大的影响，根据经验知，液压系统功率损失与液压油粘度成正比关系，所以研究液压油在水下的特性变化规律以及特性变化对系统控制特性、工作效率的影响机理，对提高深海油压动力源的工作性能与深海技术的研发都有着重大的意义[9]。1.2 国内外研究现状1.2.1 深海液压源的发展作为传统海洋强国，日本国内的三菱公司于上世纪七十年代便着手开始深海液压技术的研发工作，其设备初始动力系统除了传统的泵、阀等液压元件外，还额外设计了压力补偿器，如 1.1（a）所示。日本海洋科技中心研发的缆控式水下无人机器人-＂海沟号＂潜水器，曾在马里亚纳海沟下潜至 11028 米，记录一直保持至今，潜水器装有的末端执行器于海底采集过多种样品，极大的促进了人们对海洋的了解[10,11]，如图 1.1（b）所示。

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图 1.3 OMI 深海金属矿开采系统居世界前列,由 Ifremer 海洋探测潜至水下 6000 米，可抵达世界绝大 1500 多次，执行过多次海底金属矿图 1.4 “鹦鹉螺”深海潜水器

【参考文献】