CN105443503B - 深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法 - Google Patents

深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法，主要包括海水液压马达试验系统，监测控制系统，深海模拟舱，压力加载系统，循环水冷却系统，深海模拟舱通过压力加载系统为被测海水液压马达的性能测试提供不同水深环境工作时所要承受的背压；被测海水液压马达的试验负载由循环水冷却管路中安装的高压流量控制阀自由调节；循环水冷却管路能够有效地避免因带载运行的海水液压泵，马达等产生热量将舱内水温升高；本方法可以模拟既定海洋深度下的背压环境并实现对海水液压马达的性能测试，操作简单，易于实现，不但克服了将海水液压马达下放到大深度深海中测试技术困难，而且可以准确地得到海水液压马达进行性能参数。

Description

深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法
技术领域
本发明涉及一种深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法，适用于海水液压马达研制，属于海洋技术领域，尤其适用于海水液压马达在深海高背压环境下性能测试。
技术背景
海洋开发是各个国家争相发展的重要领域，无论是海下救捞、海洋资源勘探、海洋建筑还是海洋国防工程，都需要高效的水下作业工具。
传统的液压是以矿物型液压油作为工作介质，因而存在泄漏污染，系统必须为配置油源的闭式循环系统等一些难以克服的弊端。海水液压传动技术在水下机械臂，水下潜器，水下作业工具等领域都有着不可替代的优势。海洋开发的深度不断增加，工作环境背压越来越高，海水液压传动技术的优势就更为明显。系统传动介质为海水，无需附加沉重的油源，系统直接从海洋中吸入海水作为传动介质，也无需配置压力补偿装置，系统为开式海水液压系统，工作后的海水直接排入海洋，无需考虑冷却问题。海水液压传动技术，降低系统复杂性，系统可靠性高，对环境无污染，极大降低系统重量和成本，因此尤为适合在深海水下工程中应用。
海水液压马达作为海水液压系统的重要执行元件，其性能的优劣直接决定了水下作业系统的性能。若是将研制的海水液压马达直接下放到工作深度的海洋中进行背压环境试验，尤其是在大深度海洋背压试验时，不仅试验条件及技术要求极高，并且需要耗费大量的人力，物力和财力，对于试验数据准确采集更是难以实现。然而通过背压试验来真实可靠的测试海水液压马达在深海环境中工作时的各项主要性能参数，是判断其能否能够再深海可靠工作的依据。目前针对海水液压马达的试验是在实验室内做常压下的试验台试验为主，没有对高背压环境下海水液压马达试验方法的研究，更未见到有关深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法。
发明内容
针对上述情况，本发明公开了深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法。能够进行拟定海洋深度的模拟试验，实现高背压情况下海水液压马达的性能测试，真实准确地采集海水液压马达在高背压环境下的性能指标。为了实现上述试验，本发明采用如下技术方案：
深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置，该装置包括海水液压马达试验系统，监测系统，深海模拟舱，压力加载系统，循环水冷却系统；其中，海水液压马达试验系统位于深海模拟舱28内部，海水液压马达试验系统主要包括过滤器I1、海水液压泵I3，深海电机2通过联轴器与海水液压泵I3连接，在海水液压泵I3的出口管路支路接有溢流阀I4，通过穿舱管路j接有压力传感器IV23，两位三通电磁阀5的P口与海水液压泵I3的出口相接；两位三通电磁阀5的出水口A、B口分别连接到穿舱管路c和被测海水液压马达6的入口，穿舱管路c通过单向阀I17连接到循环水冷却系统18；被测海水液压马达(6)的出口通过穿舱管路b，依次连接流量计II16和压力传感器II15，之后通过单向阀II14连接到循环水冷却系统18；被测海水液压马达6通过联轴器与海水液压泵II8相连，海水液压泵II8的入口接有过滤器II7，海水液压泵II8的出口管路支路接有溢流阀II9，海水液压泵II8的出口通过穿舱管路a依次连接流量计I10、压力传感器I11，高压流量控制阀12，之后通过单向阀I13连接到循环水冷却系统18，循环水冷却系统18通过穿舱管路d将冷却后的水流回深海模拟舱28内部。
监测系统包括流量计I10、压力传感器I11、流量计II16、压力传感器II15、温度传感器I21、压力传感器III22、液位传感器I24、水下照明摄像系统25，数据采集卡26和工控机27。深海模拟舱28舱体上装有温度传感器21I、压力传感器III22、液位传感器I24，并且都通过信号线连接到数据采集卡26的端子上；水下照明摄像系统25安置在深海模拟舱28内部，水下照明摄像系统25的供电线与信号线通过穿舱水密接口k导出到舱外，并连接到数据采集卡26的端子上；流量计I10、压力传感器I11、流量计II16、压力传感器II15通过信号线与数据采集卡26相连；深海模拟舱28内部的深海电机2的电缆线通过动力电水密接口h导出到舱外，并且与变频调速器19连接，深海电机2的信号线通过信号水密接口i导出到舱外并连接到变频调速器19的端子上，变频调速器19与数据采集卡26通过信号线连接在一起；循环水冷却系统18、压力加载系统20的高压水出口通过穿舱管路e与深海模拟舱28连通，信号控制接在数据采集卡26的端子上；数据采集卡26插装在工控机27内部，上述信号线通过数据采集卡26集成与工控机27相连接。
深海电机2的电源线和信号线、压力传感器IV23的信号线、水下照明摄像系统25的供电线和信号线分别通过动力电水密接口h、穿舱管路j、穿舱水密接口k导出到舱外。
穿舱管路a、穿舱管路b、穿舱管路c、穿舱管路d、信号水密接口i与深海模拟舱筒壁之间也能采用螺纹连接，并通过密封装置密封。
所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，主要包括以下步骤：
1)开始试验时，压力加载系统20的抽水泵开始向深海模拟舱28内注水，当液位传感器I24监测到舱内注满水后，抽水泵停止注水，在工控机27上设置试验所需的背压压力值，压力加载系统20的加压泵开始对高压舱进行加压，由压力传感器III22监测高压舱内的压力，并将舱内的压力信号通过数据采集卡26传回到工控机27，当舱内压力达到预设的背压压力值，压力加载系统20停止加压并进行保压；
2)试验时，两位三通电磁阀5处于右位，工控机27通过数据采集卡26、变频调速器19来控制深海电机2的转动驱动海水液压泵I3工作，海水液压泵I3通过过滤器I1直接从深海模拟舱28内吸水，此时泵空载运转，排出的水经过穿舱管路c、循环水冷却系统18冷却，从穿舱管路d流回高压舱；当深海电机2驱动海水液压泵I3稳定转动时，两位三通电磁阀5电磁铁得电，使阀处于左位，海水液压泵I3输出的高压水驱动被测海水液压马达6转动，马达出口的工作水经过流量计II16、压力传感器II15、循环水冷却系统18冷却，流回高压舱，同时，被测海水液压马达6带动海水液压泵II8转动，海水液压泵II8通过过滤器I7直接从深海模拟舱28内吸水，排出的水经过穿舱管路a、流量计I10、压力传感器I11、高压流量控制阀12、循环水冷却系统18冷却，从穿舱管路d流回高压舱；流量计II16、压力传感器II15能够实时监测马达的出口流量和压力，通过调节高压流量控制阀12开口的不同大小，能够改变被测海水液压马达6所需要带动的负载压力，流量计I10、压力传感器I11测得的数据能够得出马达的负载压力以及输出扭矩，通过监测控制系统能够监测被测海水液压马达6在不同负载工作情况下工作性能，得到海水液压马达6的性能参数；
3)试验结束后，首先将高压流量控制阀12调为全开状态，为被测海水液压马达6卸荷，再将两位三通电磁阀5处于右位，为海水液压泵I3卸荷，通过工控机27控制压力加载系统(20)为深海模拟舱28卸压排水。
通过水下摄像机观测海水液压泵出口处压力表指针变化即可反映海水液压泵及先导电磁溢流阀的工作状况。
深海模拟舱28内的背压压力由压力传感器III22实时监测，得到的压力信号传回工控机27，通过控制系统控制压力加载系统20来自动补偿舱内压力损失，保持舱内背压压力为稳定值。
深海模拟舱28内的温度由温度传感器I21实时监测，得到的温度信号传回工控机27，通过控制循环水冷却系统18的工作，来保持舱内水温在正常的工作温度范围。
溢流阀I4和溢流阀II9作为安全阀，保证海水液压泵I3、被测海水液压马达6、海水液压泵II8在安全的压力下工作。
水下照明摄像系统25能够实时观测舱内各个元件的工作状态，记录深海模拟舱28内的情况。
有益效果
1)深海模拟舱通过监测控制系统控制压力加载系统能够为海水液压马达试验系统试验提供不同水深工作环境所承受的背压，通过监测压力并补偿压力维持背压稳定；
2)海水液压泵直接从深海模拟舱内吸水作为被测海水液压马达的工作介质，避免了油水混合的问题，保证被测马达在符合试验要求的水质下进行测试；
3)具有补偿水深压力的功能。海水液压马达测试系统为开式系统，泵直接从深海模拟舱吸水，随着舱内背压压力的增加，使得泵的吸入口的压力增加，在电机输入到泵的功率不变的情况下,泵的出口压力也将增加相应的部分，无需额外增加复杂压力补偿系统；
4)被测海水液压马达的负载由管路中安装的高压流量调节阀自由调节，克服了深海试验中负载无法自由调节的问题；
5)循环水冷却系统对舱内水温进行热交换，有效地避免因带载运行的海水液压泵，马达等产生热量将舱内水温升高的问题；
6)监测控制系统能控制海水液压马达的试验工况，实时采集试验中的温度、压力、流量等参数，通过照明摄像系统实时监测并记录试验过程；
所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法，操作简单，易于实现，不但克服了将海水液压马达下放到大深度深海中测试技术困难，而且能够准确地得到海水液压马达进行性能参数，节省了大量的人力、物力和财力。
附图说明
图1深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置原理图。
图1中：1.过滤器I，2.深海电机，3.海水液压泵，4.溢流阀I，5.两位三通电磁阀，6.被测海水液压马达，7.过滤器II，8.海水液压泵II，9.溢流阀II，10.流量计I，11.压力传感器I，12.高压流量控制阀，13.单向阀I，14.单向阀II，15.压力传感器II，16.流量计II，17.通过单向阀I，18.循环水冷却系统，19.变频调速器，20.压力加载系统，21.温度传感器I，22.压力传感器III，23.压力传感器IV，24.液位传感器I，25.水下照明摄像系统，26.数据采集卡，27.工控机，28.深海模拟舱。
具体实施方式
本发明公开一种深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置及试验方法，如图1所示，深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置包括海水液压马达试验系统，监测控制系统，深海模拟舱，压力加载系统，循环水冷却系统，其中：
海水液压马达试验系统位于深海模拟舱28内部，其主要包括过滤器I1，海水液压泵I3，深海电机2通过联轴器与海水液压泵3连接，在海水液压泵3的出口的出口管路支路接有溢流阀I4，通过穿舱管路j接有压力传感器IV23，两位三通电磁阀5的P口与海水液压泵3的出口相接；两位三通电磁阀5的出水口A、B口分别连接到穿舱管路c和被测海水液压马达6的入口，穿舱管路c通过单向阀I17连接到循环水冷却系统18；被测海水液压马达(6)的出口通过穿舱管路b，依次连接流量计II16和压力传感器II15，之后通过单向阀II14连接到循环水冷却系统18；被测海水液压马达6通过联轴器与海水液压泵II8相连，海水液压泵II8的入口接有过滤器II7，海水液压泵II8的出口管路支路接有溢流阀II9，海水液压泵II8的出口通过穿舱管路a依次连接流量计I10、压力传感器I11，高压流量控制阀12，之后通过单向阀I13连接到循环水冷却系统18，循环水冷却系统18通过穿舱管路h将冷却后的水流回深海模拟舱28内部。
监测系统包括流量计I10、压力传感器I11、流量计II16、压力传感器II15、温度传感器I21、压力传感器III22、液位传感器I24、水下照明摄像系统25，数据采集卡26和工控机27。深海模拟舱28舱体上装有温度传感器21I、压力传感器III22、液位传感器I24，并且都通过信号线连接到数据采集卡26的端子上；水下照明摄像系统25安置在深海模拟舱28内部，水下照明摄像系统25的供电线与信号线通过穿舱水密接口k导出到舱外，并连接到数据采集卡26的端子上；流量计I10、压力传感器I11、流量计II16、压力传感器II15通过信号线与数据采集卡26相连；深海模拟舱28内部的深海电机2的电缆线通过动力电水密接口h导出到舱外，并且与变频调速器19连接，深海电机2的信号线通过信号水密接口i导出到舱外并连接到变频调速器19的端子上，变频调速器19与数据采集卡26通过信号线连接在一起；循环水冷却系统18、压力加载系统20的高压水出口通过穿舱管路e与深海模拟舱28连通，信号控制接在数据采集卡26的端子上；数据采集卡26插装在工控机27内部，上述信号线通过数据采集卡26集成与工控机27相连接。
所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，主要包括以下步骤：
1)开始试验时，压力加载系统20的抽水泵开始向深海模拟舱28内注水，当液位传感器I24监测到舱内注满水后，抽水泵停止注水，在工控机27上设置试验所需的背压压力值，压力加载系统20的加压泵开始对高压舱进行加压，由压力传感器III22监测高压舱内的压力，并将舱内的压力信号通过数据采集卡26传回到工控机27，当舱内压力达到预设的背压压力值，压力加载系统20停止加压并进行保压；
2)试验时，两位三通电磁阀5处于右位，工控机27通过数据采集卡26、变频调速器19来控制深海电机2的转动驱动海水液压泵I3工作，海水液压泵I3通过过滤器I1直接从深海模拟舱28内吸水，此时泵空载运转，排出的水经过穿舱管路c、循环水冷却系统18冷却，从穿舱管路d流回高压舱；当深海电机2驱动海水液压泵I3稳定转动时，两位三通电磁阀5电磁铁得电，使阀处于左位，海水液压泵I3输出的高压水驱动被测海水液压马达6转动，马达出口的工作水经过流量计II16、压力传感器II15、循环水冷却系统18冷却，流回高压舱，同时，被测海水液压马达6带动海水液压泵II8转动，海水液压泵II8通过过滤器I7直接从深海模拟舱28内吸水，排出的水经过穿舱管路a、流量计I10、压力传感器I11、高压流量控制阀12、循环水冷却系统18冷却，从穿舱管路d流回高压舱；流量计II16、压力传感器II15能够实时监测马达的出口流量和压力，通过调节高压流量控制阀12开口的不同大小，能够改变被测海水液压马达6所需要带动的负载压力，流量计I10、压力传感器I11测得的数据能够得出马达的负载压力以及输出扭矩，通过监测控制系统能够监测被测海水液压马达6在不同负载工作情况下工作性能，得到海水液压马达6的性能参数；
3)试验结束后，首先将高压流量控制阀12调为全开状态，为被测海水液压马达6卸荷，再将两位三通电磁阀5处于右位，为海水液压泵I3卸荷，通过工控机27控制压力加载系统(20)为深海模拟舱28卸压排水。
通过水下摄像机观测海水液压泵出口处压力表指针变化即可反映海水液压泵及先导电磁溢流阀的工作状况。
深海模拟舱28内的背压压力由压力传感器III22实时监测，得到的压力信号传回工控机27，通过控制系统控制压力加载系统20来自动补偿舱内压力损失，保持舱内背压压力为稳定值；深海模拟舱28内的温度由温度传感器I21实时监测，得到的温度信号传回工控机27，通过控制循环水冷却系统18的工作，来保持舱内水温在正常的工作温度范围；溢流阀I4和溢流阀II9作为安全阀，保证海水液压泵I3、被测海水液压马达6、海水液压泵II8在安全的压力下工作；水下照明摄像系统25能够实时观测舱内各个元件的工作状态，记录深海模拟舱28内的情况。

Claims (9)

1.深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置，其特征在于：该装置包括海水液压马达试验系统，监测系统，深海模拟舱，压力加载系统，循环水冷却系统，其中：
海水液压马达试验系统位于深海模拟舱(28)内部，其主要包括过滤器I(1)，海水液压泵I(3)，深海电机(2)通过联轴器与海水液压泵I(3)连接，在海水液压泵I(3)的出口管路支路接有溢流阀I(4)，通过穿舱管路(j)接有压力传感器IV(23)，两位三通电磁阀(5)的P口与海水液压泵I(3)的出口相接；两位三通电磁阀(5)的出水口A、B口分别连接到穿舱管路(c)和被测海水液压马达(6)的入口，穿舱管路(c)通过单向阀I(17)连接到循环水冷却系统(18)；被测海水液压马达(6)的出口通过穿舱管路(b)，依次连接流量计II(16)和压力传感器II(15)，之后通过单向阀II(14)连接到循环水冷却系统(18)；被测海水液压马达(6)通过联轴器与海水液压泵II(8)相连，海水液压泵II(8)的入口接有过滤器II(7)，海水液压泵II(8)的出口管路支路接有溢流阀II(9)，海水液压泵II(8)的出口通过穿舱管路(a)依次连接流量计I(10)、压力传感器I(11)，高压流量控制阀(12)，之后通过单向阀I(13)连接到循环水冷却系统(18)，循环水冷却系统(18)通过穿舱管路(d)将冷却后的水流回深海模拟舱(28)内部；
监测系统包括流量计I(10)、压力传感器I(11)、流量计II(16)、压力传感器II(15)、温度传感器I(21)、压力传感器III(22)、液位传感器I(24)、水下照明摄像系统(25)，数据采集卡(26)和工控机(27)；深海模拟舱(28)舱体上装有温度传感器I(21)、压力传感器III(22)、液位传感器I(24)，并且都通过信号线连接到数据采集卡(26)的端子上；水下照明摄像系统(25)安置在深海模拟舱(28)内部，水下照明摄像系统(25)的供电线与信号线通过穿舱水密接口(k)导出到舱外，并连接到数据采集卡(26)的端子上；流量计I(10)、压力传感器I(11)、流量计II(16)、压力传感器II(15)通过信号线与数据采集卡(26)相连；深海模拟舱(28)内部的深海电机(2)的电缆线通过动力电水密接口(h)导出到舱外，并且与变频调速器(19)连接，深海电机(2)的信号线通过信号水密接口(i)导出到舱外并连接到变频调速器(19)的端子上，变频调速器(19)与数据采集卡(26)通过信号线连接在一起；循环水冷却系统(18)、压力加载系统(20)的高压水出口通过穿舱管路(e)与深海模拟舱(28)连通，信号控制接在数据采集卡(26)的端子上；数据采集卡(26)插装在工控机(27)内部，上述信号线通过数据采集卡(26)集成与工控机(27)相连接。
2.根据权利要求1所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置，其特征在于：深海电机(2)的电源线和信号线、压力传感器IV(23)的信号线、水下照明摄像系统(25)的供电线和信号线分别通过动力电水密接口(h)、穿舱管路(j)、穿舱水密接口(k)导出到舱外。
3.根据权利要求1所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试装置，其特征在于：穿舱管路(a)、穿舱管路(b)、穿舱管路(c)、穿舱管路(d)、信号水密接口(i)与深海模拟舱筒壁之间也能采用螺纹连接，并通过密封装置密封。
4.深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：该方法包括以下方法步骤：
1)开始试验时，压力加载系统(20)的抽水泵开始向深海模拟舱(28)内注水，当液位传感器I(24)监测到舱内注满水后，抽水泵停止注水，在工控机(27)上设置试验所需的背压压力值，压力加载系统(20)的加压泵开始对高压舱进行加压，由压力传感器III(22)监测高压舱内的压力，并将舱内的压力信号通过数据采集卡(26)传回到工控机(27)，当舱内压力达到预设的背压压力值，压力加载系统(20)停止加压并进行保压；
2)试验时，两位三通电磁阀(5)处于右位，工控机(27)通过数据采集卡(26)、变频调速器(19)来控制深海电机(2)的转动驱动海水液压泵I(3)工作，海水液压泵I(3)通过过滤器I(1)直接从深海模拟舱(28)内吸水，此时泵空载运转，排出的水经过穿舱管路(c)、循环水冷却系统(18)冷却，从穿舱管路(d)流回高压舱；当深海电机(2)驱动海水液压泵I(3)稳定转动时，两位三通电磁阀(5)电磁铁得电，使阀处于左位，海水液压泵I(3)输出的高压水驱动被测海水液压马达(6)转动，马达出口的工作水经过流量计II(16)、压力传感器II(15)、循环水冷却系统(18)冷却，流回高压舱，同时，被测海水液压马达(6)带动海水液压泵II(8)转动，海水液压泵II(8)通过过滤器I(7)直接从深海模拟舱(28)内吸水，排出的水经过穿舱管路(a)、流量计I(10)、压力传感器I(11)、高压流量控制阀(12)、循环水冷却系统(18)冷却，从穿舱管路(d)流回高压舱；流量计II(16)、压力传感器II(15)能够实时监测马达的出口流量和压力，通过调节高压流量控制阀(12)开口的不同大小，能够改变被测海水液压马达(6)所需要带动的负载压力，流量计I(10)、压力传感器I(11)测得的数据能够得出马达的负载压力以及输出扭矩，通过监测控制系统能够监测被测海水液压马达(6)在不同负载工作情况下工作性能，得到海水液压马达(6)的性能参数；
3)试验结束后，首先将高压流量控制阀(12)调为全开状态，为被测海水液压马达(6)卸荷，再将两位三通电磁阀(5)处于右位，为海水液压泵I(3)卸荷，通过工控机(27)控制压力加载系统(20)为深海模拟舱(28)卸压排水。
5.根据权利要求4所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：通过水下摄像机观测海水液压泵出口处压力表指针变化即可反映海水液压泵及先导电磁溢流阀的工作状况。
6.根据权利要求4所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：深海模拟舱(28)内的背压压力由压力传感器III(22)实时监测，得到的压力信号传回工控机(27)，通过控制系统控制压力加载系统(20)来自动补偿舱内压力损失，保持舱内背压压力为稳定值。
7.根据权利要求4所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：深海模拟舱(28)内的温度由温度传感器I(21)实时监测，得到的温度信号传回工控机(27)，通过控制循环水冷却系统(18)的工作，来保持舱内水温在正常的工作温度范围。
8.根据权利要求4所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：溢流阀I(4)和溢流阀II(9)作为安全阀，保证海水液压泵I(3)、被测海水液压马达(6)、海水液压泵II(8)在安全的压力下工作。
9.根据权利要求4所述的深海高背压环境下海水液压马达的性能测试试验方法，其特征在于：水下照明摄像系统(25)能够实时观测舱内各个元件的工作状态，记录深海模拟舱(28)内的情况。
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