【摘 要】
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海洋中蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源,但是海洋开发环境恶劣,需要使用水下机器人或机械手进行开发。油压驱动的水下机械手在深海环境中使用时会面临系统结构复杂、油水互渗等问题,而采用海水液压驱动将会解决这些难题。目前水下机械手普遍采用比例伺服系统控制,针对深海水液压驱动精密作业系统对控制元件的迫切需求,本文以深海水液压比例控制阀为基础,对比例换向阀的海洋适应性结构形式、控制方案优化方法、深海环境下的
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“全海深载人潜水器可调压载装置集成技术研究”（编号:2016YFC030060201）; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深海水液压伺服控制关键技术研究”（编号2019kfyRCPY108）; 国家自然科学基金“全海深潜器浮力调节海水泵的基础理论与实验研究”（编号5150090646）
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海洋中蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源,但是海洋开发环境恶劣,需要使用水下机器人或机械手进行开发。油压驱动的水下机械手在深海环境中使用时会面临系统结构复杂、油水互渗等问题,而采用海水液压驱动将会解决这些难题。目前水下机械手普遍采用比例伺服系统控制,针对深海水液压驱动精密作业系统对控制元件的迫切需求,本文以深海水液压比例控制阀为基础,对比例换向阀的海洋适应性结构形式、控制方案优化方法、深海环境下的性能迁移特性进行了研究,并完成了样机的研制与试验,论文主要研究内容如下:（1）针对深海的特殊工况,确定了旋转比例换向阀的结构,通过端面密封和充油补偿等方式解决了比例换向阀的泄漏以及海深压力问题。同时建立了海洋深度、介质粘度等多参数的旋转比例换向阀数学模型,通过数值计算研究了不同控制方式对比例换向阀静态性能与动态性能的影响,仿真结果表明采用三闭环控制使得比例换向阀输出信号的跟踪性能增强。（2）研究了旋转比例换向阀在深海环境下的性能迁移特性。通过数值计算发现采用海水作为工作介质使得比例换向阀的稳定性提高。有限元仿真结果表明,相比于传统比例换向阀,所发明的端面密封旋转比例换向阀解决了深海压力导致的形变卡死等问题,但是充油电机的转子在补偿油液中旋转带来的粘滞损耗会减少电机的有效功率。因此进一步研究了不同补偿介质以及海洋深度对粘滞损耗的影响,仿真结果表明随着介质粘度、电机转速以及海深压力增大,粘滞损耗不断增大,最终采用10号航空液压油作为补偿介质,相比于46号液压油,电机的粘滞损耗降低约50%;（3）通过静动态特性试验,对旋转比例换向阀的各项性能进行了研究。试验结果表明旋转比例换向阀可以实现零泄漏,死区约为7.33%,在15 MPa下的最大工作流量为6 L/min,流量具有一定非线性,阶跃响应上升时间0.1 s。在5%输出幅值的情况下幅频宽为30 Hz,在100%输出幅值的情况下幅频宽为6 Hz。最后,研制的比例换向阀应用于水下机械手肘关节的螺旋摆动缸控制系统中,摆动缸运行平稳,系统的控制精度可以达到±0.1°。进行了6500m深海工况模拟试验,比例阀控制性能良好,为深海水液压驱动精密作业控制系统提供核心控制元件。
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