摘 要: 針對(duì)深海工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)了深海雙法蘭液位變送器，介紹了該裝置的特點(diǎn)及其工作原理;設(shè)計(jì)了雙法蘭液位變送器液壓單元，介紹了雙法蘭液位變送器液壓參數(shù)的確定及其工作原理;同時(shí)，對(duì)封閉式液壓油箱的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)深海海底溫度低、壓力高的特點(diǎn)，介紹相應(yīng)的補(bǔ)償計(jì)算，對(duì)深海海底沉積物物理特性的探測具有重要的應(yīng)用價(jià)值。保持原位環(huán)境，直接在海底測試沉積物的特性參數(shù)，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。利用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)將探桿貫入到沉積物中，對(duì)沉積物擾動(dòng)小，探桿貫入深度可控，應(yīng)用前景廣闊。

引言

隨著國內(nèi)外油氣資源開采邁向深水，水下生產(chǎn)裝備的使用量劇增［1］ ，液壓系統(tǒng)應(yīng)用于石油鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)已成為石油鉆采工作者研究的熱點(diǎn)，備受關(guān)注［2］ 。對(duì)于未知深海資源的探索，原位測試［3 －4］ 已經(jīng)成

為我們了解海洋的常用手段。“海底沉積物力學(xué)特性的原位測試裝置”是通過 CPT 探頭、球形探頭、十字板探頭原位測量海底沉積物 ［5 －7］ 力學(xué)性質(zhì)的大型水下設(shè)備。深水雙法蘭液位變送器［8 －10］ 是該設(shè)備的核心裝置之一，完成上述探頭貫入和拔出沉積物的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)海底沉積物力學(xué)特性原位量測。

深水雙法蘭液位變送器使用液壓方式驅(qū)動(dòng)，包括深水液壓動(dòng)力單元、貫入油缸、貫入行程放大機(jī)構(gòu)、探桿位移傳感器、探桿接口等部件，如圖 1 所示。

深水液壓動(dòng)力單元為雙法蘭液位變送器提供動(dòng)力，控制貫入油缸伸出和縮回，通過行程放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探桿拔出和貫入沉積物，完成傳感器對(duì)沉積物力學(xué)性質(zhì)的測量［11 －12］ 。

1 液壓單元設(shè)計(jì)要求

工作水深 11000 m，系統(tǒng)工作壓力 7 MPa，系統(tǒng)額定流量1． 7 L/min，電機(jī)工作電壓 DC48 V，#大工作電流 15 A，控制電壓 24 V，貫入油缸缸徑 50 mm，活塞桿直徑 30 mm，有效行程 700 mm。

2 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水雙法蘭液位變送器液壓單元包括水下電機(jī) 5、齒輪泵6、控制閥組 12、閥箱 2、補(bǔ)償器 4、壓力變送器 7、貫入油缸 13、高壓管路、接頭、油液過濾器 3、水密接插件、水密電纜等部件，液壓原理如圖 2 所示。

2． 1 工作原理

水下電機(jī) 5 通過泵架和聯(lián)軸器和齒輪泵 6 連接，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油經(jīng)過過濾器進(jìn)入齒輪泵吸油口，經(jīng)齒輪泵轉(zhuǎn)變成高壓油通過齒輪泵壓油口進(jìn)入控制閥組，通過控制閥組的溢流閥設(shè)定系統(tǒng)#高工作壓力為 7 MPa。初始位置壓力油經(jīng)過電磁換向閥 P 進(jìn)入電磁換向閥，經(jīng)過電磁換向閥從電磁換向閥 B 口輸出，通過高壓管路和接頭進(jìn)入貫入油缸有桿腔，使油缸處于縮回狀態(tài)，此時(shí)探桿處于拔出位置;電磁換向閥電磁鐵通電，電磁換向閥閥芯向右移動(dòng)，使電磁換向閥 P 口和 A 口接通，壓力油經(jīng)過電磁換向閥 P 口進(jìn)入電磁換向閥，經(jīng)過電磁換向閥從電磁換向閥 A 口輸出，通過高壓管路和接頭進(jìn)入貫入油缸無桿腔，推動(dòng)油缸活塞向上移動(dòng)，活塞桿伸出，帶動(dòng)探桿向下移動(dòng)，把探桿貫入沉積物中。

貫入油缸缸徑 50 mm，活塞桿直徑 30 mm，海底沉積物力學(xué)性質(zhì)測量要求探桿貫入速度為 1． 2 m/min，#大貫入力 3 kN。活塞桿伸出時(shí)，探桿貫入沉積物，所以探桿的貫入速度和貫入力通過貫入油缸無桿腔計(jì)算。

因此設(shè)計(jì)油缸時(shí)，油缸進(jìn)出油口增加阻尼孔，降低壓力油進(jìn)出油缸腔室的速度。根據(jù)沉積物的力學(xué)特性，其在垂直方向上近似為均勻分布，不會(huì)引起貫入過程中液壓缸負(fù)載的波動(dòng)，因而不會(huì)對(duì)貫入速度造成較大影響，故采用固定孔徑的阻尼孔，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其中，Q s 為貫入速度為1． 2 m/min 時(shí)液壓缸的流量，為 1． 17 L/min; α 為阻尼孔的節(jié)流系數(shù)，取 0． 78;A s 為阻尼孔面積，mm 2 ; Δp 為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得的液壓缸負(fù)載壓力，為 0． 4 MPa; ρ 為液壓油密度，取 0． 9g/cm 3 。

加入阻尼孔后，控制貫入油缸活塞桿的伸出速度降低到期望的 0． 6 m/min，使探桿以 1． 2 m/min 的速度勻速貫入沉積物中，提高了測量精度。

2． 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 閥箱設(shè)計(jì)

閥箱采用圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為 3 段，上段為補(bǔ)償膜片和防護(hù)罩，中段為艙體，下段為底部法蘭。艙體和補(bǔ)償膜片、艙體和底部法蘭之間采用軸向密封的方式，保證艙體內(nèi)部密封。閥箱采用補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償隨壓力升高和溫度降低而引起的內(nèi)部油液的體積變化和油缸兩腔的體積差，防止閥箱因外部壓力過大而損壞和液壓單元出現(xiàn)吸空現(xiàn)象而造成元件的損壞，閥箱結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

底部法蘭材質(zhì) 6061 鋁合金，采用圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直徑 330 mm，厚度 42 mm，上端面加工密封圈槽、定位止口和 12 處 M12 螺紋孔。密封圈槽內(nèi)安裝 O 形密封圈，實(shí)現(xiàn)艙體和底部法蘭之間的密封。定位止口和艙體內(nèi)壁配合，保證艙體和底部法蘭同軸。底部法蘭和艙體使用 8 件 M12 高強(qiáng)度螺釘連接，保證連接的強(qiáng)度和兩部分之間的密封。底部端蓋直徑方向設(shè)計(jì) 2處 7/16-20UNF-2B 螺紋孔 2 處 5/8-18UNF-2B 螺紋孔，安裝水密接插件，通過法蘭上端面的出線口將水密電纜引出，從而方便連接電池艙和控制艙。法蘭周圈設(shè)計(jì) 9 處 G1/4 螺紋孔，1 處用來補(bǔ)充液壓油，另 8 處安裝高壓接頭，通過高壓油管連接 4 條貫入油缸。法蘭下端面設(shè)計(jì) 2 處 G1/4 螺紋孔，1 處用來加注液壓油，1 處加注液壓油時(shí)排氣;法蘭上端面設(shè)計(jì) 8 處 G1/4螺紋孔安裝高壓接頭，通過高壓油管與控制閥組出口相聯(lián)接，底部法蘭如圖 4 所示。

艙體材質(zhì) 6061 鋁合金，兩端為安裝法蘭，中間為殼體，殼體內(nèi)徑 260 mm，外徑 272 mm，兩端法蘭直徑330 mm，厚度 16 mm。兩端法蘭加工 ��272 × 4 mm 止口，加工 3 ×45°倒角，使用氬弧焊和中間殼體焊接為一體，焊接完成后加工兩端面及密封槽，如圖 5 所示。

補(bǔ)償膜片材質(zhì) NBＲ65，采用圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如

圖 6 所示。

補(bǔ)償膜片的圓形凸起安裝在艙體的密封槽內(nèi)，保護(hù)罩把補(bǔ)償膜片和艙體固定在一起，保證艙體密封。艙體內(nèi)部油液隨環(huán)境壓力增大和環(huán)境溫度的降低，體積減小，補(bǔ)償膜片材質(zhì)為 NBＲ65 是柔性體，隨油液體積減小向艙體內(nèi)部凹陷，保持內(nèi)外壓力平衡，完成油液隨環(huán)境變化的補(bǔ)償。

2) 液壓系統(tǒng)補(bǔ)償量計(jì)算

深海設(shè)備的液壓系統(tǒng)與地面設(shè)備比較，還有一個(gè)特殊要求，即水深壓力平衡及油液補(bǔ)償問題。深海設(shè)備的液壓系統(tǒng)安裝在密封的箱體內(nèi)，為減小設(shè)備重量，箱體一般僅密封不承壓，由水深產(chǎn)生的環(huán)境壓力須通過油液補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行平衡。

由此確定了補(bǔ)償器容積，既滿足了實(shí)際使用需要，也減小了總體體積。

3 結(jié)論

本研究介紹的雙法蘭液位變送器采用皮帶和帶輪的聯(lián)接方式，有效避免了工作過程中出現(xiàn)的打滑，更準(zhǔn)確地測量出實(shí)際貫入深度。深水液壓單元，將水密接插件及油缸出入口全部集成在底部法蘭上，更利于現(xiàn)場操作和維護(hù)。隨著深海科學(xué)研究和資源能源開發(fā)活動(dòng)及海洋安全國防工程進(jìn)入全海深時(shí)代，迫切需要獲悉深海、海斗深淵沉積物力學(xué)性質(zhì)。本研究介紹的深水液壓單元為海底沉積物力學(xué)特性的原位測試裝置提供了有力的技術(shù)保障，對(duì)我國深海探測技術(shù)快速發(fā)展具有推動(dòng)作用。