液压技术在ARGO浮标中的应用

2010年1月

FluidPowerTransmissionandControl

No．1(SerialNo．38)

Jan．2010

液压技术在ARGO浮标中的应用*

王世明

吴爱平

（上海海洋大学上海２０００９０）

摘要：该文介绍了ＡＲＧＯ浮标及其国内外发展状况，液压技术在浮标中的应用，从密封性和腐蚀性说明了海洋环境

对液压系统的特殊要求，阐述了高新技术对浮标液压系统的影响，并从用海水作为液压介质对ＡＲＧＯ浮标今后的发

展进行了展望。

关键词：ＡＲＧＯ浮标；液压技术；液压系统；液压介质

中图分类号：TH137．3文献标识码：A文章编号：1672－04（2010）01－0050－004

引言

海洋是一个巨大资源宝库，海洋浮标系统是开发海洋、综合利用海洋资源必备的综合性设备，是当今构成全天候海洋立体观测体系中的一个重要组成部分。浮标提供的实时资料和长期连续的观测资料不仅能用于海洋开发、海洋科学研究、海水养殖、海洋捕捞、海上工程建设、海上交通运输、海洋石油开发和海底矿产资源的开采，而且可用作国家制订近期和长期海洋规划的依据。ARGO浮标是覆盖全球面积最广，各国都参与合作开发的浮标项目，截止到目前已经有3300多个浮标在海上稳定的工作。

ARGO浮标通过液压系统来实现其上升和下沉由柱塞泵向皮囊中注入压力油，增大皮囊的体工作。

积从而使浮标体积增大，达到上升的目的；将压力油从皮囊中抽回，使皮囊的体积减小从而减小浮标的体积，实现浮标的下沉工作。

究阶段,尚未形成产品生产能力。目前,国外只有美

法国和加拿大有这种产品的生产能力,日本也在国、

研制这种浮标。我国剖面探测浮标的研究工作始于“九五”计划末期,课题研究解决了剖面探测浮标的数项关键技术。科研样机在水库进行过浮标升潜和水下定深控制等实验,研究项目通过863专家组验收。“十五”863海洋监测技术主题立项正式研制剖面探测浮标。2002年10月装载SB-41CP型CTD的国产剖面探测浮标科研样机试制成功并在第五届国际ARGO科学组会议展示。经有关专家商讨,将其命名为中国海洋剖面探测浮标,英文名为ChinaOceanProfilingExplorer简称COPEX。

2ARGO浮标发展现状

2.1ARGO浮标的发展规模

1998年由美国和日本等国家的大气和海洋科学家，在以前工作的基础上设计并提出建设全球ARGO实时海洋观测网。10年来，ARGO计划从无到有、从小到大，得到迅速发展，最初确定的由3000个剖面浮标组成的全球ARGO实时海洋观测网于2007年11月正式宣告建成。参与该计划的国家也由最初的10个发展到今天的27个，另有17个国家以不同形式参加了该计划的活动。到2008年底，全

目球累计在海洋上布放了6000多个ARGO浮标，

前仍在海上正常工作的浮标达3325个。

目前，该观测网正以前所未有的规模和速度，源源不断地为国际社会提供全球海洋深达2000m的温、盐度剖面资料和全球范围的海流资料。这些资料使得各国科学家获得了许多以往利用常规观测研究无法得到的新发现、新成果，提高了人们对海洋和气候等自然环境问题的认识。据介绍，全球ARGO实时海洋观测网所获得的海流数据，将会在天气和海洋业务化预报中得到广泛运用，从而大幅度提高人1ARGO浮标简介

ARGO浮标是一种自沉浮式剖面探测浮标,应用在国际ARGO计划时又称之为ARGO浮标,专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量。仪器布放后自行在大海中工作2年以上,直至内装电源耗尽;当中无法

对水中的指标进对其进行维护,当浮标沉入水下后，

行测量记录，当浮标上浮到海面后,将采集存储的数据通过ARGOS平台发射终端(PPT)传送给卫星,借助ARGOS卫星系统定位并将数据传输给用户。

该课题成果将为建设我国海洋监测系统、加强国防建设、参加国际ARGOS计划提供一种新的测量手段和先进装备。目前,该型浮标在我国尚处于研

*上海市地方院校能力建设重点项目（08210511900）和上海教委特色项目（09Y2269）资助。收稿日期：2009－10－13作者简介：王世明，教授，博士后。2010年1月王世明等：液压技术在ARGO浮标中的应用51

们对天气、气候和海洋环境预测预报的精度。许多国

家的海洋和气候业务中心也已开始把ARGO资料应用于海洋和天气、气候业务化预测预报中，并在海洋渔业、海事安全和海上交通等领域得到应用。2.2我国ARGO浮标的发展状况

ARGO浮标技术是一项有广泛应用价值的海洋监测高技术，在863—818主题经费支持下，国家海洋技术中心从2000年3月起开展了自持式剖面浮标关键技术研究。2002年正式列人“十五”863项目，并启动研究。目前已完成了单冲程柱塞泵、自沉浮控

耐压密封的ARGOS卫星通信和定位天线、数据制、

编码等关键技术研究和关键部件的研制，并完成了

2003年高压模拟试验和升潜模拟试验设备的研制。

2月4日，第一套自持式剖面浮标样机在东海进行了现场试验。布放位置在南海东沙海域，20.75N117.85E。浮标上有温度和压力传感器。水面停留时间为6小时，用于ARGOS卫星通信和定位。浮标的中性漂浮最大试验水深在300m左右，设计最大工作水深2000m。为试验浮标的定深控制功能，l0天内浮标在水下完成8次不同停留水深的升潜运动，并记录升潜过程。从浮标完成ARGOS卫星通信和定位并开始下潜算起，到浮标上浮又回到海面并进行下一次的ARGOS卫星通信和定位止，计算浮标的剖面测量周期。该浮标每1O天约有8组剖面数据，包括水深、温度、电池电压，而每组数据的数据量与剖面深度和测量间隔有关。数据组经ARGOS卫星通信发往法国土伦卫星地面中心，然后经Internet网传输，在天津接收并解码，处理数据，得到现场的实测数据。至今已获得了数千组数据。该浮标英文名为COPEX(ChinaOceanProfilingExplorer)。2.3国外ARGO浮标的发展状况

目前全球共享的ARGO浮标资料最早时间是1996年,数据量非常少。从表1中,可以看出,自2000年国际ARGO计划的全面实施,随着ARGO计划成员国的增加和ARGO浮标性能的改进,大洋中活跃的浮标数和资料剖面快速增加。2005年1月至6月,ARGO浮标测量剖面达到31497个,相当于2003年全年共享的ARGO资料量。其中2005年6月共享的ARGO资料量达到5757个剖面,平均每天190个。

表1历年ARGO浮标观测资料量及工作浮标

年份19968222

19972581618

19982243212229

19996711116307

2000763599351

200111742257535

200219747433847

20033110561257

2004461868291847

剖面总数增加浮标工作浮标

3ARGO中使用的液压技术

3.1浮标沉降原理

ARGO浮标是通过不改变其自身质量，改变自身体积，来实现上升和下沉。国际上通用的结构就是在浮标底部安装气囊（如图1所示），通过柱塞泵向其泵入和抽出液压油，而达到改变气囊体积的目的，进而改变浮标的体积，完成浮标的上下工作。用于改变浮标体积的关键部件是一台单冲程柱塞泵和置于浮标体之外的可变体积皮囊。我们将皮囊制造成双腔结构,用一坚韧的橡胶膜将皮囊分隔成两部分,分别用来盛油和气。当柱塞泵正向行程,将泵内的液压油推进油囊,浮标体积就增大。反之,油泵回程时,油囊内的油被抽回柱塞泵,体积就缩小。油囊的容积设计成,从“零”体积开始,容纳油泵推出的全部液压油后具有从水下最深点上浮到水面的最大浮力。并且,从理论上讲,可以通过改变其体积的变化量,实现在水面与最深处之间的任何深度上让浮标处于中性状态。为确保浮标漂浮在水面时的通讯正常进行,其内部还专门设计一气囊涨缩回路,它是由一台小气泵和单向阀、三通阀、管路,连通气囊组成。该系统可将浮标壳体内的剩余气体泵入气囊使之涨大,让漂浮在水面的浮标更高的浮出水面,抬高露出的天线,保证通信顺利进行。当浮标进入下潜动作,外压将气囊内的气体压回壳体,保证了浮标顺利下潜。

图1浮标下盖结构图522010年第1期

3.2浮标内部系统

（1）内腔真空处理

剖面探测浮标长期交替地在水面和水下2000m处工作,为防止浮标体在水面低压时出现泄漏,通常采用的是将浮标内部抽成真空状,对外形成负压.在常压时外界就已在上下端盖预加一外压力,确保高低压均不泄漏,还可保护内部电子器件减少氧化现象。

（2）高压油路和气路系统如图2所示，油路其实很简单,柱塞泵直通油囊。皮囊在浮标壳体之外,处在海水包围中,因此它所受到的外压直接反映了海洋深度。气囊中所充的气体是浮标壳体内抽真空所剩余的残留气,气路中需要用单向阀和三通阀实现气囊与壳体内空间在特定位置处接通与关闭。

高压柱塞泵:柱塞泵的动力是一台微型直流电动机;通过高减速比的微型减速器将电机转速降低和输出以较大的转距,使滚珠丝杠旋转带动活塞平移动,使活塞足以推动因20MPa深海压力产生1600N的阻力。

助油缸措施是加大△V/V0值的方法之一,借助压缩气体或弹簧在受外力不同时其活塞位移会发生变化来增大油囊体积的变化量。设计以某一预定压力为分界,皮囊中将有更多的油量出自辅助油缸,从而加

其工作原理如下,假如大△V值,提高浮标上浮能力。

设定值是3MPa,在以下3种情况时:一是处在水面,外界压力p=0,辅助缸内的油全部注入皮囊,使之膨涨到最大,稳定漂浮;二是下潜,外界压力p遂渐升高,即随外界压力的升高,皮囊中的油逐渐被压回辅助缸,3MPa时皮囊收缩到最小值,浮标可潜入到预定深度;三是上浮,外界压力p<3MPa,预置力将辅助缸油再次逐渐注入皮囊,到达水面后皮囊又可涨到最大,该过程有助于浮标上浮。

②可以现场拆卸检修和封装的抽真空设计:上盖结构特有的抽真空密封装置,使未布放的浮标可以在现场拆卸浮标进行内部检修。

4海洋条件对液压技术的要求

一般陆用液压泵站设计时,其布置方式有三种,即顶置式(泵、电机设在油箱顶部)、旁置式(泵、电机设在油箱旁侧)和浸没式(泵浸没于油中)。根据不同的使用条件,可以选择不同的布置方式。电机、泵一般为标准产品,油箱采用钢板焊制。除对清洁度要求较高外,其设计、制造相对简单方便。随着海洋技术的不断发展,液压系统也在水下浮标中得到推广使用。特别是ARGO浮标,一般均采用电、液控制。由于其特定的工作环境(如深海、高压、海水腐蚀等)、严格的条件(如重量、体积等)、可靠的安全保护措施(如防渗水报警等),对液压泵站设计提出了新的、更高的要求。

4.1液压系统的密封要求

ARGO液压系统和陆用液压系统相比，有很多独到之处，使用条件也较为苛刻。首先，它工作于水

其液压系统不仅承受内部高下，深到水下2000m，

压还应承受外部环境压力；密封件既要耐油腐蚀，还要耐海水腐蚀，这对密封材质提出了更高的要求。其次，浮标对密封性要求极高，一旦产生泄漏，就会导致浮标失效；第三，密封结构要耐海水腐蚀，尺寸重量都有严格。因此，对于浮标的设计来说，密封技术是一个很重要的问题。从目前已有的浮标来看，浮标密封主要有压力补偿密封和高压密封两种。4.2液压系统的防腐性能要求

海洋环境对液压系统正常工作的最大危害是对液压元件的腐蚀,海水是含有生物、悬浮泥沙、溶解气体、腐烂有机物和多种盐类的复杂溶液,它对金属图2浮标油、气路原理图

（3）为保证浮标可靠上浮的专项设计

①设置辅助油缸,增大浮标的上浮能力:海水密度随地理位置的分布会有较大区别,要将浮标用在不同海区,用户会遇到专业性很强的参数重新设置问题。此设计出于提高浮标上浮能力,即确保浮标可靠上浮,又不需用户针对不同海区的情况提出各自的要求。

从计算得知并经实验验证,浮标从水下上浮到水面的能力与皮囊体积和浮标本身体积之比有关(△V/V0),该比值愈大浮标上浮能力愈强。但由于受到浮标体积与耗电量须严格等原因,不能随意加大柱塞泵的油缸容积,采用不消耗能量的预置力辅2010年1月王世明等：液压技术在ARGO浮标中的应用53

的腐蚀受诸多因素的影响,其中主要的有海水中溶

氧浓度、海水温度、流速和生物活性等。溶氧浓度是影响金属腐蚀的重要因素,一般地,氧含量越高,腐蚀速度越快;温度升高通常能加快化学反应,提高腐蚀速度,但同时随着温度的升高,海水溶解氧的能力下降,从而又使腐蚀速度减缓;海水的流速增加时,使氧的传递容易,而使金属的腐蚀加重;而生物因素对金属腐蚀的影响非常复杂,有时它减轻金属的腐蚀,但大多情况下是增加金属的腐蚀。

5高新技术对浮标液压系统的影响

5.1电子与信息技术

电子技术和电子计算机的迅猛发展，特别是微处理机的出现，开始对液压控制的概念产生强烈的冲击。

从总体上看，浮标液压系统功率总量比很高；起停止快速，反向运动平稳性精准性，操作简单等，动、

因此具有可靠、精确、灵活特点。但是，在工作过程中，液压能需要经过2次能量转换，效率必然较低，这是它的先天不足。电子与信息技术与浮标液压系统结合，兼备了电气和液压的双重优势，作用与潜力都很大，形成了具有竞争力的自身技术特点。如浮标中复杂的时序控制系统，已经基本上趋向于采用微机控制。采用微机控制不仅价格低、便于组装、操作方便，而且可以利用微机的计算功能和逻辑功能，进行实时控制和优化控制。5.2材料科学和先进制造技术

浮标液压系统的基本原理很容易理解，但要地实现它的功能却有赖于材料科学及制造技术的进步。有资料表明，近20年来液压技术的发展来源于自身结构改进的科研成果仅约20％；而依靠材料、表面技术、加工工艺等方面研究成果的却占到了30％。笔者认为，以下材料科学的新成果和相关的先进制造技术将对今后浮标液压系统的发展产生重大的影响。

（1）陶瓷材料

新一代的工程陶瓷和陶瓷涂层是浮标液压元件内高应力、高耐磨、高抗蚀性功能零部件的很有希望的材料，特别是用纯木和海木作为介质。现已用陶瓷制出了配漉盘、斜盘衬板，换向阀芯、喷嘴等零件。

（2）高分子合成材料

各种工程塑料已广泛地用于液压元件作为结构

材料和密封、绝缘等材料，用合成材料制备的自润滑涂层已开始应用于清木或海水介质的液压元件。新的应用领域是用高强度合成纤维缠绕方法制造重量很轻的液压缸和蓄能器以及流动阻力更小也更为柔软的高压软管。

（3）纳米技术

纳米技术涉及的是尺度已达到了分子水平。和别的领域中的情况相类似，用纳米材料填充的增强塑料将在液压元器件那些需要高强度、高耐磨性的

采用纳米技术制作过滤材料，可以部件上获得应用。

显著提高过滤器的精度和滤材寿命。

6结论

海洋是一个巨大的资源宝库,合理开发和利用海洋资源是国家持续发展的需要。世界三分之二是海洋,人们对海洋的探知从来没有停止过,ARGO浮标的应用使人们对海洋的认识达到了新的高度。

在军事领域,ARGO的作用也越来越广,这应该引起我们的重视,适时开展该项技术的研究、开发和利用,以满足未来海洋战略的需要。为了尽快缩小与国外美国海军的差距,适应国际形势,满足国家海洋战略的需求,应该加大对ARGO浮标和液压系统的研究力度。

合理、充分、创造性的应用液压技术，加大高新技术在浮标中的应用力度，更好的服务于浮标系统是液压产业今后发展的一个方向。

参考文献

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ApplicationofHydraulicsinARGOBuoyage

WangShimingWuAiping