1、密 级 公 开学 号 120534毕 业 设 计（论 文）基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计院（系、部）： 机 械 工 程 学 院姓 名：班 级： 机 122 班专 业： 机械设计制造及其自动化指 导 教 师 ： 高 辉教 师 职 称 ： 副 教 授2016 年 06 月 17 日基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计xx 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部）机械工程学院专业 机械工程及自动化 班级 机 122 学生姓名 指导教师/职称 xx/副教授 1.毕业设计（论文）题目基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设
2、计2.任务起止日期： 2014 年 2 月 22 日 至 2014 年 5 月 27 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）（1）课题简介我国在南海海域拥有近 10 个油气田群，近年来不仅油气田开发数量不断增长，而且开采深度也在不断加深。例如：西江油田平均水深 100 米、惠州油田群平均水深 98116 米、流花油田平均水深 305 米、陆丰 221 油田平均水深 332 米、番禺 51 油田平均水深 110 米、崖城 131 气田平均水深 100 米、文昌 131 油田平均水深 117 米。另外，从投产时间上来看绝大多数油田服役
3、期限已达到 10 年以上，有的甚至超过 20 年。例如：涠洲 103 油田 1986 年 08 月投产、惠州 211 油田 1990 年 9 月投产、陆丰131 油田 1993 年 10 月投产、崖城 131 气田 1995 年 10 月投产。不论从油田数量还是从服役年限来看，可以预计在未来几年中，海底管道维修以及更换牺牲阳极的工作量必将大幅攀升。因此，研究一套水下管道摩擦螺柱焊装置对提高我国海底管道牺牲阳极修复技术水平具有重要意义。通过本课题的研究，力争使学生掌握基本的设计方法和技巧，提高知识的综合运用的能力。（2）任务与要求1) 查阅相关国内外文献资料。2) 对海底管道摩擦螺柱焊液压系统进
4、行模块化设计、计算及元器件选型。3) 绘制绘制油路块三维图和二维图。（3）预期培养目标通过该毕业设计，使学生将所学的知识系统化，并得到扩展和补充，将理论与实践相结合使其学会独立解决实际工程技术问题的初步技巧，掌握基本的文献检索方法，熟练掌握 Solidworks、CAD 等机械绘图软件和 AMESim 系统仿真软件，了解液压系统设计的基本过程，提高综合运用所学知识基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计独立解决问题的能力，为将来的工作打下坚实的基础。（4）原始数据1) 实现主轴头旋转、进给动作的控制2) 按照安装方便的原则将对液压阀的油路块进行拆分并进行模块化设计3) 主油路最大流
5、量为 90L/min4) 进给油路最大流量为 5L/min5) 液压系统压力为 32MPa6) 油路块耐压等级为 3000 米水深（5）应提交的成果1) 开题报告2) 外文资料翻译3) 液压系统设计图 4) 油路块设计图5) 毕业论文6) 工作日记4.主要参考文献1) 赵卫军,机械设计基础课程设计M.北京:科学出版社,20102) 王守城,液压元件及选用M.北京:化学工业出版社,20073) 李松晶,液压系统原理图分析技巧M.北京:化学工业出版社,20095.进度计划及指导安排周次 设计任务及要求1 完成课题相关文献检索2 完成并提交外文资料翻译3 阅读所有文件并完成文献综述4 完成总体方案设
6、计、开题报告，进行开题报告答辩5 液压系统总体方案设计6 绘制液压原理图 7 绘制液压原理图8 液压系统参数计算、校核与原件选型9 绘制油路块图纸10 绘制油路块图纸11 液压系统仿真12 液压系统仿真13 书写毕业论文14 预答辩；所有毕业设计资料的修改、整理及定稿打印基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字） 基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计摘 要本文主要对水下管
7、道摩擦螺柱焊装置液压系统进行设计。文章首先简单阐明了摩擦螺柱焊装置液压系统的选题背景，阐述了摩擦螺柱焊的研究意义，对摩擦螺柱焊技术的起源及成型过程进行描述，并介绍了摩擦螺柱焊技术的特点及局限性、应用等，明确了影响焊接质量的几个主要焊接工艺参数的范围和设计技术要求。第二，根据设计要求进行了摩擦螺柱焊液压系统设计。设计工作主要分为：液压系统的计算和元件选型，焊接泵站液压系统的设计、油路块的设计、油箱的设计及其液压系统辅件的一些选型。液压系统的计算时，需要根据转速的要求，先确定主轴的扭矩，然后选择液压马达，根据扭矩计算出液压泵的最大工作压力，然后选择出合适的液压泵和电机。在液压缸的设计计算时，根据主
8、轴头中轴的直径，逐步推导算出液压缸的外径。在液压缸壁厚方面，以防液压缸的强度不够，要进行壁厚的校核。第三，设计的重点部分是焊接泵站的系统设计。根据设计出的液压原理图，进行液压阀的选型，油箱的设计以及管件压力表、液位计等辅助元件的选型。在选型时，一定注意要满足液压系统的最高压力、温度、流量等要求。最后，阐述了液压系统常见故障及其排除方法。关键词：水下焊接、摩擦螺柱焊、液压传动、液压系统设计基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计AbstractThis article mainly discusses the underwater pipeline friction stud wel
9、ding device of the hydraulic system design. The article first briefly illuminates the friction stud welding device of the hydraulic system of the selected topic background, this paper expounds the research significance of friction stud welding, the origin of friction stud welding technology and the
10、molding process was described, and introduces the friction characteristics and limitations of stud welding technology, application, etc., has been clear about the main welding technological parameters affecting the quality of welding the scope and design of the technical requirements. Second, accord
11、ing to the design requirements for a hydraulic system of friction stitch welding. Design work is mainly divided into: the calculation of the hydraulic system and component selection, welding pump hydraulic system design, the design of the tank and some of the hydraulic system accessories selection.
12、Calculation of the hydraulic system, it is necessary according to the requirements of speed, make sure the spindle torque, and then select the hydraulic motor, the torque is calculated according to the maximum working pressure of the hydraulic pump, and then select a suitable hydraulic pumps and mot
13、ors. Design and calculation of the hydraulic cylinder, the axis of the spindle head according to the diameter of the cylinder gradually derive the calculated diameter. The cylinder wall, the strength is not enough to prevent the hydraulic cylinder, the wall thickness to be checked. Third, the focus
14、of the design part is welded main pump station and auxiliary pumping system design. According to design a hydraulic schematic diagram, the hydraulic valve selection, design and fitting tank gauge, level gauge and other auxiliary component selection. In the selection, we must pay attention to the hyd
15、raulic system to meet the highest pressure, temperature, flow and other requirements. Finally, elaborated hydraulic system faults and troubleshooting.Key Words: underwater welding, friction stitch welding, hydraulic transmission, hydraulic system design.基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计目 录第一章 绪 论 11.1 选题背景
16、 11.2 研究意义 11.3 文献综述 21.3.1 螺柱焊方法研究和发展现状 21.3.2 螺柱焊国内外发展现状 41.3.3 水下焊接技术的发展应用 5第二章 液压系统设计 92.1 液压传动的发展概况 92.2 液压传动在机械行业中的应用 92.3 液压传动系统的组成 102.4 液压与气压传动的优缺点 102.5 水下机器人的海水液压执行机构系统 112.5.1 海水液压执行机构系统 112.5.2 海水液压系统的伺服特性 142.5.3 远程操作系统 152.5.4 控制系统 182.6 液压系统的计算和元件选型 182.6.1 确定主轴扭矩 182.6.2 液压马达的选型 202
17、.6.3 液压泵的选型 212.6.4 电机的选型 222.6.5 轴的校核 232.6.6 轴承的校核 242.6.7 液压缸的设计计算 252.6.8 液压控制阀 272.7 焊接泵站液压系统设计 362.8 电动机与液压泵的联接方式 372.9 液压泵结构设计的注意事项 37基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计第三章 油箱的设计 383.1 油箱 383.1.1 油箱的作用 383.1.2 油箱的种类 393.1.3 油箱的容量、箱顶、通气孔 393.2 箱壁、清洗孔、吊耳、液位计 423.3 箱底、放油塞、支脚 43第四章 压力表辅件及管件 454.1 压力表辅件 45
18、4.1.1 压力表 454.1.2 压力表开关 464.2 管件 464.2.1 管路的配置 46第五章 结论与展望 47致 谢 48声 明 49基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计1.1 选题背景目前，随着海上油气勘探和生产活动的不断增加，海洋石油的开采逐渐由近海向深海发展。在我国南海海域，其平均水深为 1212 米，中部深海平原最深处则达 5567 米，而我国目前在南海海域拥有的近 10 个油气 ICI 群中除澜洲南海油田群(水深 30-40 米)和东方气田水深 63-70 米)外，其余作业水深均接近或超过 100 米，尤其流花油田水深达到 305 米，荔湾气田水深更深达
19、1500 米。一方面是随着海洋开发力度的增加，深水海洋结构物数量快速增长;另一方面是部分平台、管道的在役时间也逐渐接近其设计寿命(如 1986 年投产的南海澜洲油田服役已经超过了 20 年)，水下结构物修复及其牺牲阳极更换工作的重要性日益突出。摩擦焊属于新型的固相连接技术，在水下应用具有独特的技术优势，但是，对于具体的工程应用而言，仍然有不少工艺和设备问题需要进行进一步的研究。为此，我国在“十五”期间便开始了水下摩擦焊接技术的探索性研究，在“十二五”期间开始了其工程化应用研究。研究开发的基于 ROV 平台的水下摩擦焊系统，可替代饱和潜水焊接作业，完成海底管道及水下结构物牺牲阳极组件的更换工作，
20、从而大大降低施工成本，提高生产效率 1。1.2 研究意义制造业的发展迅速，使得螺柱焊所涉及的领域越来越广，目前，汽车、航空航天、建筑业、医疗器械、船舶等均会采用螺柱焊，这是由于螺柱焊具有其独特的优点和特性，螺柱焊接工艺简单易学、装夹方便、焊接速度快、接头成型好、质量可靠，并且焊接螺柱的设备成本低。螺柱焊可以代替大部分常规的连接工艺，如螺纹连接件、铆接件、焊条电弧焊等。螺柱焊可以焊接的金属多种多样，如常用的碳钢、不锈钢、铝及铝合金等同种或异种材料。很多焊接方法可以实现螺柱焊，如电弧焊、钎焊、摩擦焊、电阻焊等。所以，自从 20 世纪 20年代初出现这种新型的焊接方法之后，就引起了广大学者的研究热潮
21、，最近几年，螺柱焊在平稳快速的发展 2。但是现阶段大多数螺柱焊接方法采用手工焊条电弧焊、以及半自动气体保护焊工艺。采用这些焊接工艺虽然能够实现焊接。但是焊接接头缺陷多、质量差、效率低，使得螺柱焊向智能化的发展受到限制 3。目前铝合金装甲车辆的螺柱焊接采用手工 TIG 焊，即由操作工手工围绕螺柱与车体的焊接面焊接一圈从而实现焊接，此操作繁基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计琐，质量不稳定，可重复性低;如采用钢螺柱以螺纹的方式与车体连接，虽然暂时解决了钢一铝的连接问题，但由于铝合金自身的特性，螺纹易脱丝，导致此连接方式不可靠;现阶段大量采用的工艺为先将中空的铝螺柱焊接于铝合金车体上
22、，在中空的铝合金内部过盈配合一钢套，在钢套内车内螺纹，再将钢螺柱以螺纹的形式与钢套配合，此工艺复杂，很难满足工业中的大批量生产;钎焊也是实现铝合金装甲车辆的螺柱焊接的方法，但钎焊接头的强度低，难以满足使用要求 4。因此，研究新型的焊接工艺解决现有瓶颈成为迫切需要解决的问题。与电弧螺柱焊相比摩擦螺柱焊接技术是固相焊，接头组织晶粒细小，热影响区窄，不会产生缩颈、气孔、熔合不好、焊偏等缺陷；且能够实现异种材料之间的焊接，是一种新型的焊接工艺，该焊接技术可以用于汽车车身、船体、结构桥梁等建筑，钢螺柱一铝板异种材料摩擦焊接技术成熟后提升军事力量的同时可降低成本，既有军用价值又有民用价值，前景广阔。为了解
23、决上述焊接难点，并对螺柱焊的材料、结构、工艺进行分析。本项目采用一种新的焊接工艺 5:摩擦螺柱焊接工艺，该方法可以解决上述难题，直接将钢螺柱焊接在铝合金基体上，能够保证焊接接头为固相接头，适用于同种或异种材料之间的焊接，可焊接头形式为棒材和棒材或棒材与板材。并且操作简易，质量可靠，可重复性强。1.3 文献综述1.3.1 螺柱焊方法研究和发展现状电弧焊 从世界范围的焊接材料产业来说焊条产业始于上世纪三十年代，埋弧焊是从四十年代中期发展起来的，到五十年代中期发展了气体保护焊，已经走过了几十年的发展历程。国外发达国家，焊接材料产业经历了六十年代到八十年代的高速发展时期，优胜劣汰后，均已步入比较成熟的
24、传统产业范畴。焊条如图 1 所示 7。图 1 焊条基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计电弧螺柱焊是一种电弧焊接方法。焊接过程中，螺柱（或类似的紧固件）和焊件的接触表面被在它们之间引燃的电弧加热和熔化，然后快速挤压在一起形成焊缝。其中引弧、电弧燃烧时间和挤压过程是自动控制的。实现电弧螺柱焊接，必须具备的设备有焊接电源、焊接时间控制器以及螺柱焊枪 6。图 2 电弧螺柱焊的分类 图 3 电弧螺柱焊示意图爆炸焊:爆炸焊接是利用炸药爆炸产生的巨大能量，将 2 种或多种不同熔点、不同度、不同厚度、不同热膨胀系数以及硬度差别很大的金属焊接在一起，甚至能够对金属与非金属(如陶瓷)材料实施焊接爆
25、炸焊接是 L.凡 aCd 于 1944 年提出，并 1959 年由美国人 Philiphcuk 首次成功地应用于钢一铝焊接。之后,爆炸焊接技术的工业应用以及理论、试验研究便在前苏联、英国、联邦德国、捷克、日本等国迅速展开。20 世纪 60 年代，我 国也开始了爆炸焊接技术与理论的研究，尤其是 20 世纪 80 年代以来，爆炸焊接技术的理论研究和应用得到了，长足的发展，其应用领域在不断地拓宽，尤其是在造船、核工业、航空航天等领域显示出了不可代替的独特作用。但由于爆炸焊接过程的瞬态性以及爆炸作用过程的复杂性，关于爆炸焊接的理论、实验方法和手段等仍存在许多有待解决的问题 7。电阻焊电阻焊具有较高的生
26、产效率，焊接质量易于控制，易实现生产机械化和自动化化，在大规模的自动化生产线中得到了极其广泛的应用。在电阻焊设备中，点焊机的应用范围最广，焊缝机和对焊机相对较小，专用电阻焊机所占比例就更小一些。以电阻电焊机为例，气发展经历了工频交流、直流脉冲、三相低频、二次整流以及电容储能点焊机的过程。20 世纪 80年代中期，随着计算机技术和电力电子技术的。基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计发展，发达国家还先后推出了逆变式电阻焊机和柔性化的电阻焊成套设备，促进了电阻焊设备的自动化、智能化的进一步发展 8。图 4 对焊机示意图 图 5 电阻焊工作原理1.3.2 螺柱焊国内外发展现状国外螺柱焊
27、接技术的发展阶段与动向国外螺柱焊的发展大体划分为三个阶段。第一阶段是 20 世纪 40 年代后期到 70 年代中期,是螺柱焊接技术发生与发展成为一种成熟的焊接工艺阶段 9。从 1947 年到 1974 年大部分文献报导的是螺柱焊在工程上的应用及简单的产品介绍,70 年代中期美国、德国及前苏联相继集中发表了讨论螺柱焊机控制原理及规范参数对接头质量影响的文章,标志了螺柱焊接工艺的成熟 10。70 年代中期到 80 年代中期是国际上螺柱焊长足发展与技术水平发生跳跃的几年。1974年美国薄金属工业杂志以螺柱焊的设计思路为题指出了带自动送料系统与多枪单元是当前的发展方向。1974 年澳大利亚推出了带送料
28、装置及多枪单元的螺柱焊接系统新产品,正常焊接生产率可达每分钟 35 个钉,一机可带 2-12 把焊枪。随后螺柱焊的功能进一步完善,德国UTCKER 公司及美国 NEI3N 公司于 1982 一 1984 年间推出了具有手工、半自动及全自动多种模式的短周期拉弧式螺柱焊机。这一时期称作第二阶段,其特征是螺柱焊接技术实现了自动化,即带自动送料系统及多枪单元的螺柱焊方法在这一阶段完成商品化 11。螺柱焊发展的第三个阶段是最近几年,即 80 年代中期至 90 年代中期。其特征是计算机技术、ORBOT 技术与逆变技术在螺柱焊接系统中的成功应用 12。使螺柱焊接技术提高了一个新的水平,1985 年之前所有螺
29、柱焊机的电源除了储能电容外就是二极管整流抽头式及 SCR 整流式,作为短周期拉弧式螺柱焊接法,因为焊接时间只有 6 一 8ms(电容拉弧式)及 20ms(电弧短周期拉弧式)左右,如果采用上述电源则不可能进行闭环控基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计制。闭环控制是电流波形上前一个波头控制后三个波头,电容放电,电流只一个波头,无法取信号,普通整流电源,从取信号到反馈回去所需时间整整大于焊接时间。作为单个的螺柱焊接接头只能进行规范优化,无法抗拒外界各种干扰。连网路电压波动的补偿都解决不了。计算机技术及逆变技术的应用,顺利地解决了螺柱焊接的质量保证系统问题。90 年代是螺柱焊接电源摆脱
30、了普通整流电源及电容组电源而进人了逆变电源的应用时代 13。国内螺柱焊接技术发展现状与差距据有关资料介绍，目前国内有 15 家在生产螺柱焊机。基本上都在同一个低水平上，这个水平都是在生产通用标准化螺柱焊机，要么是陶瓷套圈电弧螺柱焊机，要么是电容贮能(尖端放电式)螺柱焊机，而且都是手动形式。虽然各有特色，但并不鲜明，虽然都不一套图纸,但相互之间都可以非常熟悉对方的技术包括使用维护,而且都是用在建筑、桥梁、炉窑、化工电站等领域；极小部分用于汽车车身。再查一下近十年的国内期刊及成果公报、专利索引、及机械文献数据库等，国内高等院校及研究所和一些大企业，亦都在根据国内生产提出的新问题在研究开发一些针对工
31、厂具体产品的专用焊机，如川焊多枪单元小电容贮能螺柱焊机、船舶工艺所为某企业研制的电容贮能式带自动送料系统的多枪焊系统(虽然自动送料是靠机器人定时给焊枪单个地代替人手装钉)等等。但如凤毛麟角至今不能作为商品面市 14。国家计委“九五”科技攻关项目轿车车身用螺柱焊接成套设备国产化科技攻关于19 盯年 9 月通过了国家阶段鉴定,开发出了四种成套设备，(RZN71000A、RZN71000AA、RZN51000B、RZN51000B 型)均带自动送料系统及多枪单位，IGBT 逆变电源微机控制有良好的人机界面 15。有 ORBOT 接口及群控接口，属于短周期拉弧式式。具有国内领先及国际先进水平，这套技术
32、本身缩短了与国际水平的差距，将为国内螺柱焊接技术打开新的局面。1.3.3 水下焊接技术的发展应用海洋工程结构因常年在海上工作，工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋工程结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋、石油和天然气工业的发展，海洋管道工程日益向深海挺进16。基于 ROV 的水下摩
33、擦螺柱焊装置液压系统模块化设计目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法：水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下电子束焊接、水下激光焊接和水下铝热剂焊接等。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在还是将来，都将是一项非常有意义的工作 17。水下电弧焊接技术：水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。从工作环境上区分，水下焊接方法可以分为两大主要类型：湿法焊接和干法焊接。前者是不采取特殊的
34、排水措施，焊件的接缝在水湿状态下进行焊接的方法。湿法水下焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出，采用这类方法难以得到质量好的焊接接头。干法水下焊接包括局部干法水下焊接，高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。常压干法焊接既不受水深的影响，也不受水的作用，焊接过程和焊接质量与陆上焊接时一样。图 6 水下电弧焊接 图 7 局部干法水下焊接实验装置摩擦螺柱焊接技术：摩擦螺柱焊(Friction Stud Welding )是英国焊接研究所(TWI)在 20 世纪 80 年代发明的，属于摩擦焊技术领域最早发展成熟的一种。因该技术不受压力环境的影响且焊接接头性能优异而在水下连接领域得到了迅速发展。从目前的文
35、献报道来看欧盟、美国、巴西，日本等国围绕摩擦螺柱焊技术在水下连接中的应用展开了一系列研究工作，并逐步应用于牺牲阳极等非重要结构物的连接，而国内对此关注极少。随着海洋油气资源开发力度的不断加强，海洋钢结构物的数量和油气田开采的深度逐年增加，海洋工程钢结构的连接及其安全保障技术也日益受到业界的关注。摩擦螺柱焊成形过程可分为接触加热、稳定摩擦、停转顶锻三个阶段，如图 8 所示，其中螺柱转速、轴基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计向进给速度、轴向压力等是影响成形质量的主要参数 19。摩擦焊属于新型的固相连接技术，在水下应用具有独特的技术优势，但是对于具体的工程应用而言，仍然有不少工艺和
36、设备问题需要进行进一步的研究。为此，我国在“十五”期间便开始了水下摩擦焊接技术的探索性研究，在“十二五”期间开始了其工程化应用研究。本研究开发的基于 ROV 平台的水下摩擦焊系统，可替代饱和潜水焊接作业，完成海底管道及水下结构物牺牲阳极组件的更换工作，从而大大降低施工成本，提高生产效率 20。图 8 摩擦螺柱焊形成过程水下摩擦螺柱焊接技术：水下摩擦焊主轴头（图 9）以液压作为动力, 通过安装在其顶部的高速液压马达实现旋转运动，液压缸实现焊接过程中的进给运动。该主轴头为了适应水下作业的需要，零配件全部采用不锈钢材料，液压马达最高转速 10000rpm，最高工作压力 32MPa，液压缸最大行程80
37、mm。另外，传动轴部分亦采用了机械动密封结构，可在外部压力 2.5MPa、最高转速8000rpm 的条件下正常工作 21。水下摩擦焊系统的液压控制模块（图 10）与 ROV 的工具用液压驱动模块相连，采用整体耐压密封壳密封，由 ROV 携带下水。该阀组由两个调速阀、一个减压阀、三个电磁换向阀组成, 其控制电缆通过水下密封插头与加装在 ROV 电子舱内的摩擦焊电控系统的主控单元相连接，可对焊接主轴头液压马达的转速、液压缸的进给速度等参数进行调节以满足焊接工艺的需要 22。基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计图图 9 水下摩擦焊主轴头 图 10 液压控制模块原基于 ROV 的水下摩
38、擦螺柱焊装置液压系统模块化设计第二章 液压系统设计2.1 液压传动的发展概况液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。我国的液压工业开始 20 世纪 50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。60 年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系
39、统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。目前，我国的液压件已经从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、点液伺服阀、电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。2.2 液压传动在机械行业中的应用机床工业-磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、数控
40、机床、加工中心等。工程机械-挖掘机、装载机、推土机等。汽车工业-自卸式汽车、平板车、高空作业车等。农业机械-联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等。轻工机械-打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等。冶金机械-电炉控制系统、轧钢机控制系统等。起重运输机械-起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等。矿山机械-开采机、提升机、液压支架等。基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计建筑机械-打桩机、平地机等。船舶港口机械-起货机、锚机、舵机等。铸造机械-砂型压实机、加料机、压铸机等。2.3 液压传动系统的组成液压与气压传动系统主要由以下五部分组成：（1）能源装置：将机械能转化成流体压力能
41、的装置。常见的是液压泵或空气压缩机，为系统提供压力油或压缩空气。（2）执行元件：将流体的压力能转换成机械能输出的装置。它可以是作直线运动的液压缸或气缸，也可以是作回转运动的液压马达、气马达、摆动缸。（3）控制元件：对系统中流体的压力、流量及流动方向进行控制和调节的装置，以及进行信号转换，逻辑运算和放大等功能的信号控制元件，如溢流阀、流量控制阀，换向阀等。（4）辅助元件：保证系统正常工作所需的上述三种以外的装置，如过滤器、油箱、管件等。（5）工作介质：用它进行能量和信号的传递，液压系统以液压油液作为工作介质。2.4 液压与气压传动的优缺点与机械传动和电力拖动系统相比，液压与气压传动具有以下优点：
42、（1) 液压与气动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统。（2) 可以在运行过程中实现大范围的无极调速，调速范围可达 2000:1（3) 液压传动和液气联动传递运动平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。（4)操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。液压与气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大。因为液压传动的动力元
43、件可采用很高的压力（一般可达 32MPa,个别场合更高），因此，在同等输出功率下具有体积小、质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计液压与气压传动的缺点：（1)在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。（2)由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。（3)液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油机液压油作传动介质时还需注意防火问题。（4)液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。2.5 水下机器人的海水液压执行机构系统潜水机器人的海水液压执行机构系统已经发展起来。这个系统包括一个高压轴向柱
44、塞泵，流量控制伺服阀和用来使约束流量运动的执行机构，而且这个系统可以非常有效的使潜水机器人小型化。为了确认这个系统的全部特性，建立了一个为水下工作的远程操作器。操作器控制系统是依据主人阀思想，还带有些电子控制技术使操作简单。通过水下操作实验海水液压系统的所有特性和机器人模型的工作表现都被证实足够用于实际。液压系统作为潜水机器人的能量系统是非常流行的。如果这个系统应用海水作为液体，那么将对潜水机器人更有益。因为这个系统也就是海水液压执行机构系统可以消除液压油的额外重量。没有笨重的液压灌，管道系统和机械运动的润滑油膛提升了潜水机器人的移动性。海水低粘度高压缩的特性为水下执行机构提供了较高的效率和良
45、好的控制性能。另外海水十分干净和安全，因为不可能发生油污染和意外火灾。但是海水液压执行机构系统有几个问题。海水具有腐蚀性和磨损性，而且海水较低的粘度（大约是油的 1/30）使组件内部巨大的泄露。2.5.1 海水液压执行机构系统（1）液压泵图 2-1 展示了海水液压泵的结构。主要的结构是参考常见的油压轴向柱塞泵。内部零件被用于其它组件最恶劣的环境中。为了避免缠绕和磨损保证较低的内部泄露，轴承和摩擦零件(活塞、阀门挡板、推力板等)由 CFRP、陶瓷或者镀铬不锈钢做成。而且，海水静态压力润滑装置也用于这些零件中。使用海水润滑装置后，一切油润滑罐都不需要。获得的输出能量的质量比是 0.65kw/kg，
46、这几乎是以前使用的油压泵的四倍。最大压力为210(300psi),额定流量是 35L/min，可获得的最大效率为 92%。基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计图 2-1 海水液压泵的结构（2）伺服阀伺服阀的流量控制特性是决定操纵器精确平稳运动的重要因素之一。因此一个直接驱动型的芯阀被采用，这个阀是用压电陶瓷驱动器驱动的。由于这个驱动器的位移太小无法获得符合要求的流速，因此采用一个带有柔性铰链的位移放大装置。图 2-2 显示了这个海水伺服阀的轮廓。阀芯的位移通过使用张力测量仪测量回程封锁弹簧的弯曲张力测得。额定流量为 4.5L/min,额定压力为 140(2000psi),内部泄
47、露不到 0.1L/min。频率响应能够达到大约 200Hz（-90）。图 2-2 海水伺服阀的结构基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计（3）执行机构两种不同种类的执行机构技术已经成熟。一种是偏心叶片式马达，另一种是橡胶肌肉式执行机构。1）用于机器人手臂的偏心叶片马达：作为机器人手臂的驱动器，良好的控制性能是依靠线性扭矩特点和较高的效率。图 2-3 为已经成熟的偏心叶片马达略图。考虑到应用海水作为液压流体，内部泄露和机械连接零件的摩擦是严重的问题。因此特别设计了叶片的密封装置用来减少内部泄露和摩擦。马达的主体部分是用较轻的钛或者铝合金做成的，并且轴承是用陶瓷制成的以减轻质量。这个
48、马达具有高达 13kgm/kg 质量比的输出转矩，并且在额定压力 140（2000psi）下产生足够的输出扭矩 19.2kgm，这足以直接驱动机器人的关节。扭矩的传递效率超过 90%。2）用于机器人手腕和手指的橡胶肌肉执行机构：橡胶肌肉式执行机构被称为McKiben 人工肌肉，在图 2-4 是这种驱动器的略图。人工肌肉式由薄橡胶管制成，橡胶管由合成光纤做的十字绳索缠绕。受压液体被压人管中，在十字绳索的作用下管由膨胀变为收缩。人工肌肉质量很轻，大约为 5g。在额定压力 20(286psi)下，收缩压力为 50kg。这个驱动器用于机器人的手腕和手的机械装置，以用一个回程弹簧互拉的原理工作。图 2-
49、3 偏心叶片马达的结构基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计图 2-4 橡胶肌肉驱动器的结构2.5.2 海水液压系统的伺服特性为了了解这些构件的基本特点，建立了图 2-5 所示的位置反馈伺服系统，并且做了实验。图 2-6 显示了静态和动态特点：图 2-5 海水液压伺服系统基于 ROV 的水下摩擦螺柱焊装置液压系统模块化设计（1）偏心叶片驱动器：定位精确度和响应速度与油压系统的相同。（2）橡胶肌肉驱动器:位移信号上小的震动是由于一个小负载单元上的噪声。对阶梯响应来说，拉伸的静态决定时间比弯曲的长很多，因为橡胶肌肉内的压力由于管阻变小的不快。图 2-6 基本特征2.5.3 远程操作系统图 2-7 是这个系统的简要原理图。在较远的位置，在盛满人造海水或者生水的水罐里放着一个由胳膊和手组成的机器人。海水伺服阀和驱动器安装在手臂上。一个泵装置（泵本身和电子马达）在灌中吸水并给水加压。高压流体被注入
