海洋机器人用水下电机的深水密封研究

海洋机器人用水下电机的深水密封研究

刘子俊          崔皆凡

( 中国科学院沈阳自动化研究所   110015) ( 沈阳工业大学   110023)

摘   要   本文研究了海洋机器人用水下电机各个部分的密封方法,   同时介绍了一个先进的动密 封装置以及检验密封性能的水压试验方法.   经测试及实际使用表明该密封方法和动密封装置完全满 足水下机器人在深水中运行的密封要求.

关键词   水下电机, 静密封, 动密封, 压力试验

1    引言

海洋机器人( 亦称水下机器人或无人遥控潜水器) 是用于深水观测、救助打捞、水下工程维 修、海洋石油开发、海军军事建设等各种水下作业的机器人.   水下电机带动螺旋浆旋转并产生 推力, 从而使水下机器人完成下潜、上浮、旋转、侧移、前进、后退等各种动作.   水下机器人最大 的性能指标之一就是下潜深度.   下潜深度标志着一个国家水下机器人的水平.   国外水下机器人 已可下潜至水下几千米.   例如苏联已研制成功水下 6000m   的机器人.   而我国已研制成功的仅为水下几百米.   目前, 已通过验收的国家“863 ”项目“探索者号 ”无缆水下机器人, 其潜深也只有 1000m.   而且只是样机阶段, 尚不能实用.   水下机器人下潜深度的一个关键性问题就是水下电 机的密封.   水下电机密封分为静密封和动密封两种.   静密封问题不难解决, 通常是采取加“o ”型 密封圈的方法.   而动密封问题的解决却比较困难.   动密封是指电机轴伸处的密封.   因为电机轴 只要转动, 轴与机壳内就会有间隙, 就容易漏水.   而且, 下潜深度越深, 压力就越高, 也就越容易 漏水.   在水下机器人中除水下电机涉及动密封外, 其余都是静密封, 由此可见, 水下电机密封问 题的解决显得非常重要.   由中科院沈阳自动化所研制的潜深 300m   的水下电机装在中型水下机器人RECON -IV   之后, 不仅为南海石油开采服务, 而且在大连渤海成功地完成了打捞日本 沉船MAYA -8 号的测察任务.   目前已随水下机器人多次销往美国.   实践证明: 该电机能可靠 地工作在 300m   深的海水下, 完全满足水下机器人的要求.   本文就研制该电机的一些经验, 介 绍一下它的密封方法以及检验密封性能的压力试验方法.

2    密封方法的研究

图 1 为该电机的结构图.   本文根据各部分所采取的不同密封方法, 分别给予介绍.

2.   1    机壳的密封

该电机由定子机壳、前、后端盖构成一个密封壳体.   它属于静密封问题.   为此, 我们在前、后 端盖处采取加“o ”型密封圈的方法.“o ”圈及其相应的密封槽均选取标准的结构及公差配合.   凡 与“o ”圈接触的地方不得有毛刺及锐角以防“o ”圈被划伤.   为了防海水的强烈腐蚀“o ”圈采用丁 腈橡胶材料, 以防接触海水杂质后变形而失去密封效果.   密封圈及其相应的槽装配时均匀上硅

脂.   这样做不易损坏密封圈, 而且安装、拆卸都更加容易.

2.   2     电机电刷引出线的密封

该电机为有刷直流机.   电刷与电源的连接线需从机壳引出.   电机引出线与机壳处的防水密 封, 不同于只加“o ”型密封圈的静密封, 它要比静密封更复杂一些.   因为引出线与电源连接时,   引出线可伸向任何方向, 它是可动的, 有时又要与电源断开.   因此仅采取加“o ”型密封圈的方 法, 在水压较高时, 并不可靠.   据此, 我们又设计了一个专用的三芯密封接插件, 一芯接电源正端, 一芯接负端, 一芯接地(机壳).   该插件象通常的电源插座一样,   由插头及插座两部分组成.   插座与机壳间加有“o ”型密封圈并固定在一起.   插座上注塑出一个半圆形的“凸 ”处, 插头与水 密封电缆硫化成一个整体, 且插头内硫化出一个相当于密封槽的“凹 ”处, 当插头与插座插在一 起时, 相应地凸处与凹处也紧紧接触在一起, 相当于采取“o ”型密封圈的结构形式, 但又有一个 很大的优点, 机器人潜水越深, 水压越高时, 二者接触得越紧, 密封性能就越好, 从而实现了密封作用, 同时也将引出线与电源连通.   当电机需从机器人本体上取下时, 只要将二者拔离即可,   安装、拆卸非常容易.

2.   3    轴伸处的动密封

水下电机中最难解决的问题之一便是轴伸处的动密封.   因为电机轴只要旋转, 轴与机壳处 就会有间隙.   如果仍然采取在轴与机壳间加“o ”型密封圈的方法, 当电机高速旋转时, 会导致 “o ”型密封圈的磨损、发热乃至变形, 在较高的水压下, 就容易漏水.   实践证明: 轴伸处采取仅加 “o ”型密封圈的方法已不可靠.   为此, 我们研制了一个先进的动密封装置, 其结构如图 2 所示.   该装置的实质是将轴与机壳之间的间隙转换为静环与动环之间的间隙.   静环通过“o ”型密封圈 与密封盖密封( 见图 3).   动环通过“o ”型密封圈与衬套之间密封, 而衬套则通过“o ”型密封圈与 电机轴密封, 这样就只存在着静环与动环之间没有密封.   但是, 静环由碳化钨加工而成, 称之为硬环, 动环则由浸渍树脂石墨加工而成, 称之为软环, 而且二者相互接触的表面均加工成镜面,   动环由弹簧压紧之后与静环紧紧贴在一起.   动环, 衬套, 弹簧座与紧箍固定成一体, 当将紧箍与电机轴箍紧之后, 动环便可与电机同轴旋转.   由于动环为软环易磨损, 当电机轴旋转之后, 动环 与软环之间形成油膜仿佛变成一个实体, 这样二者之间就“没有 ”了间隙, 从而保证了轴伸处的 动密封.   该装置经在压力罐中进行水压试验证明, 它可以承受 4.   5M PA   的水压而不泄漏, 相当 于水下深度 450m , 远远超出机器人在水下 300m   工作的要求.

2.   4    保护密封

动密封并不是绝对不漏的, 而是允许有少量的泄漏( 几滴水). 但是少量的泄漏对电机也是 不允许的.   因此, 我们在动密封装置之后, 又设计了第二道密封—— 保护密封.   其结构见图 3 所 示.   密封盖为空腔结构, 内部允许充以轻质机油.   为了防止油沿轴隙进入机壳, 在轴隙处安装有 一道四圆密封圈, 它相当于两道o(”)“型密封圈并排放在一起, 起两层密封作用.   由于密封盖内油 受到的压力很小, 相当于空气中大气压, 因此, 即使电机转速较高, 四圆密封圈也能防止油进入 机壳.   四圆密封圈靠保持环定位.   密封盖与电机后端盖之间加有一道“o ”型密封圈, 密封盖与静 环之间也加有一道“o ”型密封圈.   密封盖上开有两个注油孔,   由此灌入轻质机油, 然后用密封螺 塞盖紧.   从这两个孔可以定期观察到密封盖中油的情况, 当发现油已混浊时, 说明动密封处已有少量水泄入, 这时, 将混浊的油全部倒出, 泄入的少量水也跟着倒出, 重新充以轻质机油后,   锁紧螺塞.   这样, 这道密封就起到了保护的作用.

3    水压试验方法

电机加工完成后, 应做耐水压试验.   对于潜深 300m   的电机, 其耐压值应达到标准值的 1.   2 倍即 3.   6M PA.

3.   1   壳体压力试验

通常, 电机的水压试验是在电机全部装配完成后进行.   但是, 我们发现, 在试验中有一台电 机漏水, 而密封处又没有问题.   后来发现电机壳体有一微小的砂眼.   结果, 不得不将电机全部拆 卸, 重新堵住砂眼, 造成了人力、物力的浪费.   故而我们在整机水压前增设了壳体水压试验, 这 样也可检验壳体上堵座与壳体焊接处焊缝的效果.   将机壳与前、后端盖锁紧( 后端盖为中心无 孔的假端盖).   端盖与机壳间用“o ”型密封圈来密封.   机壳的堵座处连接一特制的密封气嘴, 将 气嘴与空气压缩机相连接.   把壳体放人盛满水的水槽中, 往壳体内加气压至 0.   6M PA , 维持 5 分钟, 观察水中情况, 如无气泡产生, 证明壳体无砂眼、而且焊缝良好, 可进入整机装配.

3.   2    整机压力试验

电机全部装配完成后, 放入装满水的压力罐中, 做水压试验.   压力由零开始逐渐增加, 并随 时测量绕组对地绝缘电阻, 其值应大于 20 兆欧姆.   下表为我们研制的水下电机压力试验数据.

试验是在电机加额定电压, 电机做正反转运行条件下测得的.   试验时同时测电机电流, 其

目的是检查动密封压紧弹簧的松紧度.   弹簧压的较松则容易漏水, 压的较紧则电机动密封处的

损耗加大, 影响电机出力, 同时亦会加快石墨环的磨损速度.   因此, 根据电流值可在试验后适当 调整弹簧的松紧度.   当加压至 4.   5M PA   后, 将电机关机同时进行保压.   保压 24 小时, 将电机从 压力罐中取出, 测绝缘电阻, 其值大于 500M 8.   将密封盖上的油塞拆开检查, 密封盖中油的进水量为一滴, 合格.   实际试验中, 该电机承受的压力已达 4.   5M PA , 远远超过标准值.

水下电机压力测试数据表

4    结束语

( 1) 经测试、试验及运行结果表明, 该电机所采取的各种密封方法完全适合于海洋机器人 用水下电机的密封.   (2) 动密封装置结构合理、体积小、性能可靠, 是一种较先进的动密封装置,   (3) 由于压力罐容量所限, 该动密封装置所能承受的最大压力尚未测出, 其是否为最佳结构, 寿 命如何, 还有待于进一步地研究.