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1、第17卷第2期海洋技术Vol.17,No.21998年6月OCEANTECHNOLOGYJune,1998海水液压水下作业工具杨曙东李壮云余祖耀朱玉泉(华中理工大学,武汉430074)摘要21世纪人类将全面进入海洋开发时代,各种海洋水下工程都需要大量的水下作业。对体积小,重量轻、灵活方便、驱动功率又大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作业用机械工具特点的基础上,着重论述海水液压水下作业工具的突出优越性,并介绍近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考
2、。关键词水下作业海水液压传动水下作业工具1前言随着人类社会发展的需要和科学技术的进步,世界各国将全面进入海洋开发时代,伴随着大规模海洋开发的需要,特别是大深度海底矿物和海洋石油开采的需要,提出了大深度、大范围、长距离、高效率水下作业的需求。由于水下特殊的环境因素,如海水介质密度大、水温低、高压、黑暗,加之潮汐、潮流、海浪、暗流及海水腐蚀,给水下作业带来诸多困难。特别是对于大深度海洋地质地貌及资源调查、海洋石油勘探开采及运输工程、现代海洋救助打捞、水下军工技术等水下工程领域,需要很多如盘起固定钢索、拧紧或拧松螺栓及螺母、安装水下钻井装置、敷设及连接水下管道、
3、清除结构污物、打磨结构物表面、切割钢缆电缆等水下作业,要借助水下动力工具来完成。因此,体积小、重量轻、灵活方便而又驱动功率大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作业用机械工具特点的基础上,着重论述海水液压水下作业工具的突出优越性,并介绍近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考。2几类水下作业工具分析比较水下作业常用的机械工具有带锯、链锯、砂轮机、钻孔器、冲击扳手、冲击钻、清洗刷、钢缆收稿日期:1998-01-12第2期海水液压水下作业工具51切割器等
4、。驱动工具的动力源有手动、电动、气动及液压等。最初潜水员是借用陆用的手动工具在水下作业,属劳动密集型潜水作业,完全依靠潜水员的体能和经验,潜水员的体力消耗大,在水下持续作业的时间短,受制约的因素多,因而作业效率低,施工周期长,作业深度和范围受到很大限制,而且危险性大。为了减轻潜水员的劳动强度、提高作业效率、缩短施工周期(这在抢险救生作业中极其重要),人们在陆用动力工具的基础上发展了水下动力工具,包括电动工具、气动工具、液压工具等,这些动力工具不仅便于潜水员进行水下手持作业,更重要的是适于水下机械手和机器人使用。电动工具用电力来驱动,原动机是电动机,在所有动
5、力工具中其实际能耗率是最低的,目前有适于水下作业用的半干式和湿式专用电动机,可以在各种水深下运转,但要求电动机对海水完全密封,需要复杂的电缆绝缘系统、开关、插座及其他部分。为安全起见,潜水员要有很好的防电击保护措施,且需要减速器降低电动机转速。所以电动工具比相应的液压工具重5～10倍、体积也大好几倍,在水下使用很不方便,其工作可靠性差。基于这些原因,电动工具一般只在无法使用气动工具或液压工具时用于完成部分短时间的水下作业。气动工具用压缩空气来驱动,常采用开式系统,压缩空气作功后直接在水下排放,因而噪声大,放出的气泡会影响潜水员或操作员的视觉,甚至会导致潜水
6、员恶心和呕吐。此外,海水进入气动元件,会使工具的可靠性和寿命大大降低,因此需要频繁的维护;而且随着潜水深度的增加,平衡水深的压力也随着增加,耗气量剧增,能耗很大,工具的效率急剧降低,设备的体积、重量也急剧增加;动力源的输出压力需随着作业深度的不同进行相应的调整,以保证工具有效的作业功率,压力控制复杂。在水下动力工具中,气动工具设备多是体积、重量最大,效率最低。因此,气动工具一般仅在50m水深以浅区域使用。液压工具以液体的压力能作为动力来驱动工具工作,它与电动工具及气动工具相比,使用寿命长,性能可靠,能均匀地调速,不需减速装置,具有单位功率重量轻、体积小、输
7、出功率大、特性平稳等优点,已广泛应用于中、浅深度作业,并开始用于大深度到极限深度作业。在水下作业中使用最多,水下机器人及机械手使用的几乎全部是液压动力工具。但传统的液压工具是以矿物型液压油为工作介质,由于矿物型液压油与海水不相容,系统必须设计成闭式循环系统,因而存在一些难以克服的弊端。具体表现为:(1)液压油和环境海水不可避免地会相互渗漏,不仅污染环境,也加速系统元件的损坏,大大降低工具可靠性与使用寿命。(2)使用液压油存在潜在的火灾危险。(3)因液压油的粘度大,且其粘温、粘压系数大,随着作业深度、范围的扩大,系统进油管和回油管的沿程损失增大;同时需平衡水
8、深压力,使得油压工具的效率大大降低。另外,为保证有效的驱动功率,需
