基于环境压力在线调节的水-乙二醇深海阀控液压缸系统设计与性能研究学术报告
作者与发表信息
本研究的通讯作者为Qifeng Zhang（张启峰），来自中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室（State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Science）。合作单位包括广东省智能无人系统研究院（Guangdong Institute of Intelligent Unmanned System）和中国科学院机器人与智能制造研究院（Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences）。研究团队由Yuqi Wang、Baoqi Zhai、Yanzhuang Chen等8位作者组成，成果发表于2024年10月的《Ocean Engineering》期刊（Volume 313, Article 119492）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于深海机电液一体化控制领域，聚焦极端海洋环境下液压驱动系统的性能优化。深海液压装备是科学考察和海底资源开发的核心工具，但随深度增加，静水压力（可达115 MPa）会导致液压油运动粘度急剧上升，引发以下问题：
1. 传输链路损耗显著增加（管道压力损失超10 MPa）；
2.系统负载能力下降33%；
3.执行机构响应迟滞，控制精度恶化。
传统解决方案存在局限性：
- 矿物油系统：依赖弹性元件压力补偿器，但在6000米以深时粘度呈指数增长；
- 海水液压系统：虽能自适应深度变化，但高压下海水物化性质改变会引发润滑、腐蚀等问题。
研究目标
提出以水-乙二醇（water-glycol）为工作介质的新型深海阀控液压缸系统（DvHCS），通过在线压力补偿机制，解决全海深（0-115 MPa）环境下执行机构响应一致性问题，并与传统矿物油系统进行性能对比。
研究方法与流程
1. 系统设计与数学模型
1.1 系统架构创新
- 传统矿物油系统（图1a）：包含电机、泵、压力补偿器、伺服阀等标准组件，但补偿器动态响应受粘度影响显著。
- 水-乙二醇系统（图1b）：
- 采用双回路设计：工作回路（水-乙二醇）与补偿回路（油）；
- 核心改进：动态压力补偿器（公式1-2）与静态油压补偿器协同工作，实时平衡内外压力；
- 伺服阀采用零开口四通滑阀模型（公式4-6），忽略阀芯动态响应。
1.2 关键组件建模
- 压力补偿器：基于流连续性方程（公式1）与活塞动力学方程（公式2），考虑流体弹性模量β_w；
- 泵：恒压变量泵模型（公式3），输出流量与斜盘有效面积线性相关；
- 液压缸：牛顿第二定律建立力-运动关系（公式7），结合腔室流量方程（公式8）推导传递函数（公式18-19）。
1.3 流体特性建模
通过Vogel-Barus联合方程描述粘度-温度-压力关系：
- 粘度-温度（Vogel方程）：μ_o=ke^(b/(t+c))
- 粘度-压力（Barus方程）：ν_p=ν_o e^(αp)
实验验证显示，水-乙二醇在115 MPa下粘度仅增加9.7%，而矿物油增加超过5.5倍。
2. 半物理仿真实验平台
2.1 实验装置
- 压力环境模拟：140 MPa压力舱实现0-115 MPa梯度加压（步长10 MPa，每级保持30分钟）；
- 数据采集：PCI-6229采集卡（采样率1 kHz），压力传感器精度0.1%，位移传感器精度0.15%-0.25%；
- 控制策略：基于xPC快速原型技术，采用PID闭环控制（图3）。
2.2 实验流程
- 流体特性测试：对比10#/22#矿物油与水-乙二醇在-18°C至55°C、0-115 MPa下的粘度变化（图4）；
- 开环测试：伺服阀输入±5V正弦/斜坡信号，记录液压缸全行程时间（表3）；
- 闭环测试：PID位置控制下，分析位移跟踪性能（图10-13）；
- 性能指标量化：
- 流量特性：系统可用功率（公式26）与效率（公式27）；
- 运动特性：活塞速度（公式28）与响应滞后时间；
- 数据预处理：采用db5小波基函数进行5级分解滤波（图5）。
主要结果
1. 动态响应性能
- 全行程时间：在115 MPa下，10#/22#矿物油系统延伸时间分别增加37.69%/71.68%，而水-乙二醇仅增加5.5%（表3）；
- 运动速度：矿物油系统在115 MPa时最大速度下降35.2%-53.5%，水-乙二醇仅下降5.6%（图8）；
- 可用功率：水-乙二醇系统功率波动<10%，显著低于矿物油的20%-52.2%（图9）。
2. 响应一致性
- 闭环跟踪误差：矿物油系统滞后时间变化44%-133%，水-乙二醇稳定在13.3%-27.3%（图13）；
- 位移一致性：水-乙二醇在115 MPa下位移偏差仅24.8%，而矿物油达40.3%-58.0%（图7）。
结论与价值
科学价值
- 首次建立水-乙二醇深海液压系统的全参数数学模型，揭示粘度-压力-温度耦合效应；
- 验证环境压力在线补偿机制可有效抑制粘度变化引起的非线性增益。
工程应用价值
- 为全海深作业装备提供高响应、低波动的液压驱动方案；
- 兼容现有电液控制系统架构，改造成本低。
研究亮点
- 介质创新：水-乙二醇兼具矿物油的润滑性与海水的环境适应性，粘度稳定性优于传统介质；
- 方法创新：开发半物理仿真平台，实现115 MPa环境下的在线性能验证；
- 控制优化：证明简单PID算法即可实现稳定控制，降低深海装备算法复杂度。
局限与展望
- 未考虑实际负载变化对系统性能的影响；
- 未来需在真实深海环境中验证系统可靠性。
（注：文中Fig.1-13及公式编号均引用原文献内容）