（机械电子工程专业论文）气密采水瓶压力补偿器设计与密封性能试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 气密采水瓶的密封性是由压力补偿器来保证的，因此压力补偿器的设计是采 水瓶设计的核心，本文主要完成对气密采水瓶压力补偿器的设计并通过高压舱试 验和海上试验来检测安装压力补偿器后采水瓶的密封性能。首先，对压力补偿器 密封件o 形橡胶密封圈的非线性特性进行理论研究，确定橡胶的本构模型，对o 形橡胶密封圈建立有限元模型，结合0 形圈的密封机理和摩擦特性，对其进行 有限元仿真分析，得到几个不同参数对其密封和摩擦性能的影响，从而得到优化 的设计参数。为了验证仿真结果，在试验室进行了简单的试验，试验与仿真结果 一致性较好。接着，通过设计高压舱试验，使采水瓶内部压力升高到4 0 m p a 模 拟真实的水下4 0 0 0 米工作环境，通过预充气体的方法来验证采水瓶的密封性能， 该高压试验初步证明了安装压力补偿器后采水瓶具有良好的密封性能。最后，把 气密采水瓶带到海上试验，下放时同时携带非气密采水瓶，利用l a b v i e w 编写 的测控软件和温盐深仪、释放机构组成的测控系统，实现对海水自动采样，通过 试验对比发现在同一深度下气密采水瓶采集的样品中甲烷和二氧化碳气体含量 明显高于非气密采水瓶采集的样品，进一步验证了安装压力补偿器后采水瓶具有 良好的密封性能，同时说明了利用有限元法设计压力补偿器的正确性。 关键词：压力补偿器气密采水瓶有限元分析非线性优化设计 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h e t i g h t n e s so fg a s t i g h ts a m p l eb o t t l ei sg u a r a n t e e db yp r e s s u r ec o m p e n s a t o r ， t h e r e f o r et h ed e s i g no fp r e s s u r ec o m p e n s a t o ri st h ef o c u so fd e s i g n i n gg a s t i g h t s a m p l eb o r i c 。t h ep r i m a r yw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nd e s i g n i n gt h ep r e s s u r e c o m p e n s a t o r a sw e l la st e s t i n gt h et i g h t n e s so ft h eg a s - t i g h ts a m p l eb o t t l e ，b o t hi nt h e h i g h - p r e s s u r et a n k ，a n di nt h es e a 。 f i r s t l y , b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c ho nt h eg e o m e t r i ca n dm a t e r i a ln o n l i n e a r i t y ， b u i l du pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e0 - r i n ga c c o r d i n gt or e l e v a n tc o n s t i t u t i v e m o d e l ，a n dc a r r yo u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h e0 一r i n g ，a sar e s u l tg e tt h e i m p a c to fs e v e r a lp a r a m e t e r so nt h et i g h t n e s sa n df r i c t i o n 。a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ， c h o o s et h eo p t i m u mp a r a m e t e r s 。t h ee x p e r i m e n tc a r d e di nt h el a bt e s t i f yt h ev a l i d i t y o f t h ea n a l y s i s 。s e c o n d l y ，d e s i g nt h ee x p e r i m e n ti nt h eh i g h - p r e s s u r et a n kw h i c hc a n s i m u l a t et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h eg a s - t i g h ts a m p l eb o t t l e ，a n dt h er e s u l tp r o v e d t h a tt h es a m p l eb o r i cw i t ht h ep r e s s u r ec o m p e n s a t o ri sg a s t i g h t 。l a s t l y ，c a r r yo u tt h e s e at r i a lo nt h eg a s - t i g h ts a m p l eb o t t l e ，t a k ea d v a n t a g eo ft h et e s t & c o n t r o l s y s t e m c o m p o s e do f t h et e s t & c o n t r o ls o f t w a r e 、c t d 、a n dr e l e a s ea p p l i a n c et oo b t a i nt h es e a w a t e ri nac e r t a i nd e p t h ，i nc o n t r a s tw i t ht h es a m p l eb o t t l ew h i c hi sn o tg a s - t i g h t ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc h 4a n dc 0 2c o n t a i n e di nt h es a m p l eo b t a i n e db yt h eg a s - t i g h t s a m p l eb o r i ci sh i g h e rt h a nt h eo n et h a ti sn o tg a s - t i g h t ，w h i c hp r o v e t h et i g h t n e s so f t h eg a s t i g h ts a m p l eb o r i cf u r t h e r ，m e a n w h i l et e s t i f yt h ev a l i d i t yo fd e s i g n i n g p r e s s u r ec o m p e n s a t o r 。 k e yw o r d s ：p r e s s u r ec o m p e n s a t o r ，g a s t i g h ts a m p l eb o t t l e ，f e a ，n o n l i n e a r i t y ， o p t i m u md e s i g n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 靴敝储鹳：】f 父蚰知瓤2 0 一3 肿汕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 签字日期：工口口年 导师签名： 签字日期：年月日 也 日 工 矽 蛆1 月 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 值本文行将付梓之际，谨向两年半以来，在硕士阶段的学习和研究过程中 关心、帮助和支持我的老师、同学、朋友及家人致以最诚挚的谢意! 本文是在导师杨灿军教授的悉心指导下完成的，杨老师治学严谨，思维活跃， 做事有条理，具备很高的学术水平，并且为人热情，对学生认真负责，在我最困 难的时候，一直鼓励我度过难关，在我犯错误的时候，悉心的教诲，帮我指正自 身存在的缺点感谢杨老师在科研、学习、生活上对我的教育和指导。 感谢课题组的各位同学，从你们身上我学到很多东西，特别感谢实验室的黄 豪彩师兄、吴世军师兄、李风波师弟，感谢黄豪彩师兄在我研究生阶段给予的无 私关怀和热情帮助，耐心指导我一次次克服困难。感谢吴世军师兄给予无私的建 议和帮助，使我少走了很多弯路。感谢李风波师弟，在我实验的过程中热心帮忙 并提出很多巧妙的方案。感谢周丽娟师姐和实验室其它的师兄弟们，你们的帮助 和支持令我走出了一度的迷茫。 感谢一直关心我的父母，你们在我最脆弱的时候不厌其烦的鼓励着我，呵护 着我，陪我一次次走出失落，勇敢的面对困难和挫折。 最后，感谢我挚爱的朋友们，感谢你们带给我的真诚和快乐，使我的性格变 得乐观、开朗，感谢你们。 牛文达 2 0 1 0 年1 月1 2 日于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 压力补偿器简介 1 1 1 压力补偿器的作用 采水瓶在采样完毕回收的过程中，随着采水瓶的提升，内部压力高于外部压 力，若没有压力补偿器，则在内外压差的作用下，采集的水样和气体会从端盖处 泄漏，而无法保证采集样品的气密性。压力补偿器的作用就是使采水瓶在回收提 升的过程中，能够自身调节采水瓶内外压力，使得内外压力时刻近似平衡，从而 保证采水瓶采集样品的气密性，所以说压力补偿器对于采水瓶的气密性起着至关 重要的作用，是采水瓶设计的核心。 1 1 2 压力补偿器的分类 器。 压力补偿器按其原理分为以下两种类型，传统压力补偿器和电控压力补偿 ( 1 ) 传统压力补偿器 漉日馨 妻窆囊 海承 繁、 ： 卜川 渡绞管 保护 海敷 入嚣、 ， 、 1 0 m p a ； 氮气减压阀，进1 ：1 压力p j ：1 5 m p a ，出口压力p 2 ：0 1 1 m p a ，自带进出 口压力表( 量程2 5 m p a ，1 6 m p a ) ； 数字压力表1 个，量程0 1 m p a ，普通压力表一个，量程1 m p a 。 三通阀2 个，二通阀2 个，l 8 管若干，水槽一个。 3 、试验硬件连接图： 圈2 2 0 试验硬件连接图 * 旺大学磺学位论戈 气g 采求 g 有m i 优化设” 试验中所用到不同压缩率、不同直径o 彤匿相对应配有相对应的活塞如下田 22 i 所示： 田2 j i 朴蕾一彝敲太田 一 翁一，羚矧 敏一崖：l 圈2 2 2 试奠片 4 试验步骤： ( 1 ) 水槽注满水，夸采末瓶平赦在其中可以使所有的营接头没入水中，以 观察试验中是否有明显泄漏产生： ( 2 ) 将补偿腔活塞推到最靠近瓶体的位置； ( 3 ) 按照如图22 0 所示的连接圈连接好回路，初始位置阎i 阀2 、阀3 阎4 处于右旋关死状态； ( 4 ) 打开氟气瓶，调节减压阀，使出口压力为0 2 m p a 左右； ( 5 ) 阀l 和闻3 开口略微打开打开数字压力袭l ，观察袅l 的读散。当 袁i 的读数下降的一刻记录此时的压力值，同时观察整个采水瓶是否有气泡溢 出，整个过程中，表i 的读散会因活塞的移动而下降，当读数稳定增加时说明 此时活塞已经到达最大行程此时右旋关闭闲4 ，观察压力裹2 的读数，当稳定 浙江大学硕士学位论文气密采水瓶压力补偿器有限元优化设计 在某一压力值，关闭阀3 ，保压5 分钟，看整个采水瓶是否有气泡溢出，整个过 程中，阎2 是起到安全保护的作用，当压力达到快要超出压力表量程时，可以左 旋打开阀2 ，实现快速卸荷降压的作用； ( 6 ) 试验过程中记录现象和数据如下表所示： 表2 1 仿真与试验结果 静密封性启动摩擦力( n ) 参数动密封性 仿真试验仿真值试验值误差率绝对值 6 密封有气泡 8 运动中有气泡 压缩率( o 形 9 密封无气泡 圈直径均为 1 0 运动中无气泡3 9 4 63 5 2 8 1 0 5 2 r a m ) 1 2 密封无气泡运动中无气泡 5 0 5 64 3 5 21 3 9 1 5 密封无气泡运动中无气泡7 0 0 86 6 5 45 0 o 形圈直径 2密封无气泡 运动中有气泡 ( 1 1 1 1 1 1 ) ( 压 2 5 运动中有气泡 缩率均为 3密封无气泡运动中无气泡4 3 5 44 5 6 22 1 8 ) 4密封无气泡运动中无气泡5 8 1 45 4 8 85 6 5 、试验结果分析 由表2 1 可以看出：对于静密封而言，理论上，压缩率和o 形圈直径都很小 的情况下也很容易保证其可靠性，但是实际上如果压缩率过小，考虑到加工误差 的影响，可能会引起密封失效。因此在仿真的基础上，适当加大压缩率来保证静 密封的可靠性。对于动密封而言，试验与仿真结果相同，同一o 形圈直径下， 随压缩率增加，动密封可靠性增加，同一压缩率下，随o 形圈直径增加，动密 封可靠性增加。对启动摩擦力而言，试验值与仿真值比较接近，误差在1 5 之内。 综合比较密封性和启动摩擦力，可以看出，o 形圈直径为2 m m ，压缩率8 时， 活塞在运动时有气泡，o 形圈直径不变，增加压缩率到1 0 时，活塞运动时气泡 消失，试验测得此时摩擦力3 5 2 8 n ，而保证压缩率不变通过增加o 形圈直径至 3 m m 时活塞运动时气泡消失，试验测得此时摩擦力4 5 6 2 n ，所以得出结论选取 较小的o 形圈直径而较大的压缩率可以获得比较小的摩擦力而相对较可靠的密 封性，与仿真的结论基本吻合。 浙江大学硕士学位论文气密采水瓶压力补偿器有限元优化设计 2 6 压力补偿器密封件主要参数选择 根据上面的分析可知，选择补偿器0 形圈设计参数时，压缩率适当大、直径 适当小的o 形圈可以满足密封性可靠、启动摩擦力相对较小的要求。根据这样 的原则，选取气密采水瓶压力补偿器0 形圈压缩率为1 2 ，直径为3 。 2 7 本章小结 本章通过对压力补偿器密封圈建立有限元分析模型，选取合适的设计参数对 其进行有限元仿真分析，得出结论选取较大的o 形圈压缩率、较小的o 形圈直 径可以保证密封性的前提下得到相对较小的启动摩擦力，通过试验验证了仿真的 正确性，并根据上面的结论给出气密采水瓶压力补偿器设计参数。 浙江大学硕士学位论文 采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 3 采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 3 1 引言 为了测试安装压力补偿器后采水瓶的气密性，利用高压舱加压来模拟海上高 压试验环境，由于设计的指标适用于水下4 0 0 0 米，对应于高压舱试验压力为 4 0 m p a ，通过高压试验来模拟采水瓶采集完水样后回收过程中的密封效果，来验 证气密采水瓶压力补偿器设计的可行性和可靠性，同时也为进一步研究和改进提 供依据和参考。 3 2 高压舱试验硬件连接图 如图3 1 所示，整个高压舱试验系统的硬件连接如下： 图3 1 高压舱试验连接圈 1 氮气瓶2 减压阀3 压力表4 三通阀5 二通阀6 压力补偿器7 试压泵 8 二通阀9 三通阀l o 压力表l l 三通阀1 2 压力表1 3 压力表 1 4 高压仓端盖 浙江大学硕士学位论文采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 3 3 气密性检测试验原理 把采水瓶充满水，活塞推到中间某位置并充满水，把高压仓端盖的气体排空 后冲入氮气使活塞推到端部继续增压到某一压力值只，将整个采水瓶放入高压仓 中，随着高压仓内压力的增加，活塞开始向内侧移动，使采水瓶内部压力增加， 当瓶内压力到达4 0 m p a 时，开始卸压，此时模拟的是在4 0 0 0 米海水中采水瓶采 集水样后提升的过程，随高压仓内压力的下降，活塞又缓慢向外移动，当高压仓 压力卸到零时，若气体完全没有泄漏，活塞的位置应该在最外端，且此时瓶内的 压力值只应该等于充气压力值只，全程使用两个数字压力表分别读取瓶内外的压 力。根据这两个指标来判定采水瓶的密封性能。 3 4 试验参数理论分析 为了保证高压仓加压过程中，采水瓶内部的压力可以升高到4 0 m p a ，充入 的氮气不能过多，以防止活塞未达到预定压力时活塞即已推到最内侧。同时为保 证充入氮气后，气体不能完全溶解在水中，故充入气体不能过少。选择的试验参 数如下： 选择活塞位置为距离外侧1 3 处，互= 0 0 5 m p a ，进行如下核算： 3 4 1 核算加压后采水瓶内部的压力 若要保证高压舱加压过程中，采水瓶内部压力升高到4 0 m p a 以上，需保证 如下条件：假定压力升高的过程中，采水瓶瓶体没有变形，对内部水压不产生影 响，则需保证充入气体的体积压缩量、采水瓶充入水样的体积压缩量、高压舱空 腔与管路中充入水样的体积压缩量三者之和需小于补偿器容积，否则，在内部压 力未达到4 0 m p a 之前补偿器的活塞便已经到达靠近瓶体的最内侧，压力不会继 续随高压舱压力升高而升高。 l 、先假设采水瓶瓶体不变形，做如下讨论： ( 1 ) 充入气体的体积压缩量 当活塞位置为距离外侧1 3 处，由于压力补偿器的有效容积为2 7 m l ，故充 气的体积为9 m l ，由于预充的压力很小，气体压力增加到4 0 m p a 时体积几乎为 浙江大学颤学位论文 采m 瓶高e 齄* 性能幢试t 日r 霉，另井考虑到高压时气体溶解度增加，可以认为升压到4 0 m p a 气体体积为霉 故充入气体压缩量9 m l ( 2 ) 采水瓶充入水样、高压舱空腔与管路水样体积压绾量总和 经试验测得高压舱空腔与菅路水样体积总和为5 0 m l ，采水瓶瓶体体积 1 7 5 m l ，故采水瓶中充入水样的体积1 9 2 m l ，总共充入水样的体积为2 4 2 m l 根据公式可知e = - ! 塑为水的体积弹性模量，p 为水压r 为水的体积 d p 解此微分方程可得，矿= c x e - i c 为常数 初始杂件：= 01 m p a ，h - 2 4 2 m l ，并取e - 21 9 x 1 0 9 p a , 求得c = 2 4 2o i ，故算得当最叫oi m p a 时，吒= 2 3 76 2m l 水的体积压缩量a v = k k = 43 8 m l 缘上，水气的体积压缩量的综合1 33 8 m l 2 7 m l ，故在不考虑瓶体变形的四 素在内，采水瓶内部压力可以升高到4 0 m p a 以上 2 、考虑采水瓶瓶体的变形对内部压力影响 秉水瓶的瓶体变形会对内部压力造成影响，若瓶体变形后容腔的体积增大， 则内部压力会因此下降，若瓶体变形后容腔的体积减小，则内部压力会因此增加， 下面针对栗水瓶瓶体的变形做如下有限元仿真分析 对呆水瓶体进行二雏有限元仿真计算取对称模型的一半，单元选取对称属 性，利用c a d 划出二维图形，转化为s a t 文件，在a n s y s 软件中调用该s a t 文 件二维网格划分如下围： 卜 留3 2 秉木赢= 肇目罄姑舟田夥 限制模型中【可截面的东平位移为翠，在内外各条线上施加均布载荷4 0 m p a 聩大学颤学位论z采女$ * 口n 性睦检窝验日究 模拙内外均承受4 0 m p a 高压采水瓶体的变形情况经仿真得到，瓶体在高压下 水平方向x 和竖直方向y 的位移如下图所示： x 方向位移： y 方向位移 圈3 4 y 方向位# 从上田可以看出，采水瓶瓶体内壁水平方向x 呈现被压缩状态，竖直方向y 也呈现裢压缩状态，故采水瓶体在内外水压的作用下，内部空问处于被压缩状恋， 田此在采水瓶置于高压舱内部升压的过程中，瓶体会进一步压缩内部的水样，使 其压力继续升高，采用上面选用的活塞初始位置，可以保证高压舱升压过程中， 呆永瓶内部水压升高到4 0 m p a 以上 3 屯2 植算充入气体是否完全溶解 为保证充入气体后气体不能完全溶解，需要考虑气体在克气压强下的溶解 浙江大学硕士学位论文采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 度。假设充入气体后压强只为0 0 5 m p a ，即绝对压强为0 1 5 m p a ，根据克拉百龙 方程： p v = n r t ， 其中尸为气体压强，y 为气体体积，r 为气体常数，r 为开氏温度，玎为 气体的摩尔量； y - - - 9m l ，p = 0 1 5 m p a ，r = 8 3 ，t = 2 9 3 k ； 求得n = 5 5 5 x 1 0 4 m o l ，气体质量为1 5 5 m g ， 查得n 2 在水中溶解度1 5 m g 1 0 0 9 水，故计算算得溶解的氮气质量为 2 8 8 m g 1 25 m p a ； 氮气减压阀，进口压力p ，：1 5 m p a ，出口压力2 ：o l i m p a ，自带进出口 压力表( 量程2 5 m p a ，1 6 m p a ) ： 数字压力袁1 2 、1 3 ，量程6 0 m p a 普通压力表i o ，量程oi m p a ； 三通闽4 9 ，i l 和二通阀5 、8 选用江苏海安阎门公司的产品，耐压6 0 m p a 以上 圈3 5 亮压试壁 浙江大学学位* 女采术瓶高齄镕封性能幢测试究 3 6 试验结果 田3 6 高压特硬件连接圈 试验过程中高压舱内压力和呆水瓶内部压力变化曲线 高压舱内压力变化曲线： 1 4 22 8 34 2 4 5 e s7 0 68 4 7 嘟1 1 2 9 l z 7 0 1 4 1 1 1 s 5 2 * # 采水瓶内部压力变化曲线 田3 , 7 高压魁内部压力 _ v i 目目* 浙江大学硕士学位论文采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 l1 8 2 3 6 3 5 4 4 7 2 59 0 61 0 8 71 2 6 8 1 4 4 9 采样点 圈3 8 采水瓶内部压力 由上图可以看出，加压过程中，采水瓶内部压力仅仅跟随高压舱压力升高， 直到上升到4 0 m p a 以上，故该试验可以真实模拟海下4 0 0 0 米采集到海水后提升 的过程。 2 、出舱后气体压力与活塞的位置记录 表3 1 高压舱试验结果 进舱前( 已充气)出舱后 压力表1 0 读数0 0 57 m p a0 0 5l m p a 活塞距外侧长度 o m mo m m 从上面的表格可以看出，活塞能够回到进舱前的位置，但是压力表所测得的 采水瓶内部压力有所损失，泄漏率口计算如下： 口：0 0 5 7 - 0 0 5 1 ：1 0 5 口= = ) 物 0 0 5 7 3 7 试验结果分析与结论 考虑到以下几个因素会造成压力的损失： ( 1 ) 高压舱加压到如此高的压力下，各个阀和管接头处可能会有所泄漏。 ( 2 ) 充气的压力如此小，泄漏量很小的情况下也会引起相对较大的压力损 失。 ( 3 ) 由于环境的温度变化，有可能造成气体溶解度的变化，这种因素造成 的损失相对很小。 故可以下定结论，采水瓶密封性能良好。 3 9 钙踮拍加坫m 0 0 一h)出望稚*眯 浙江大学硕士学位论文 采水瓶高压舱密封性能检测试验研究 3 8 本章小结 本章通过高压舱使采水瓶内部压力升高到4 0 m p a ，利用降压过程来模拟采 水瓶采集样品后回收过程，经高压舱试验验证了采水瓶的气密性，同时也证明了 压力补偿器设计的合理性。 浙江大学硕士学位论文气密采水瓶深海密封性能检测联调试验 4 气密采水瓶深海密封性能检测联调试验 4 1 引言 为了进一步验证安装压力补偿器后采水瓶密封性能的可靠性，需要进行海上 试验，为了实现试验中能够精确控制采样的深度，设计了一套由c t d ( 温盐深 仪) 、p d i m ( 电源、数据接口模块) 、甲板单元和上位机测控软件组成的测控系 统。利用c t d 设备探测海水的深度，通过p d i m 、甲板单元将探测的海水参数 反馈给上位机，上位机根据所获取的海水参数来通过释放机构来释放挂放其中的 采水瓶。其中上位机测控系统软件实现海水参数采集并依据采集的数据来控制采 水瓶在预定的深度下完成分层采样，经过调试证明了该测控系统的可靠性，利用 该测控系统进行海上试验，经过试验对比发现气密采水瓶采集样品中气体含量明 显高于非气密采水瓶，证明采水瓶密封性能良好。 4 2 气密采样测控系统总体设计 甲板单 p d ! m c t d 传感器 图4 1 系统硬件结构示意图 为了实现对深海气密采水系统的数据采集与控制，建立了如图4 1 所示的控 制系统硬件原理框图。船上的甲板单元提供两路串口通道给岸上的计算机，一路 浙江大学硕士学位论文气密采水瓶深海密封性能检测联调试验 串口通道用于和c t d 传感器通讯，另一路串口通道用于和采水瓶释放机构进行 通讯。甲板单元通过一根单芯电缆完成和水下单元的通讯和供电。在水下，c t d 传感器和采水瓶释放机构都与p d i m 相连接，p d i m 作为它们的中继，给它们供 电和提供通讯接1 ：3 模块。其中p d i m 的两个串口通道均为全双工模式，与c t d 通讯时波特率9 6 0 0 ，与释放机构通讯时波特率3 0 0 。c t d 传感器把实时采集的 数据通过p d i m 、单芯电缆、甲板单元传输给计算机，计算机接收到深度数据后， 在达到预取样的深度时通过手动或自动的方式给释放机构发送指令，释放采水瓶 【1 1 。 4 3 测控软件流程图 根据上面的总体设计原理，设计软件的流程图如下图所示： 4 4 测控软件设计 否 串口接收c t d 4 # 来的宁 慰宁符串分离并处 理成温盐深数据 焉赢一籁断输入方式1 1 赢藤 一 l 反馈的深度与ll 选择触发i 馨孽 发送相关命令 触发采样瓶 二二 搂牧释放装置 的反馈信息 戍的粟水瓶状态 指示灯点亮 图4 2 系统软件流程图 否 l a b v i e w 软件采用可视化编程语言，具有各种各样功能强大的函数库，包 浙e 大学硬学位论文气密采水瓶潍海封性能检测联调试验 括数据采集、g p i b 、串行仪器控稍，数据分析、数据显示及数据存储，甚至还 有目前十分热门的网络功能。它可以利用计算机强大的图形环境和接口通信功能 借助开发软件平台编制虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示改变 7 传统仪器的使用方法。相比较传统的语言简单方便，开发周期短，因此选取 l a b v l e w 软件开发测控软件，该测拉软件包括以下几个部分组成： ( 1 ) c t d 初始化配置模块 根据c t d 手册所提供的初始化命令，完成对c t d 状态的初始化配置，井同 时检剥上位机与c t d 之问是否能移完成正常通讯利用c o m i 串口对c t d 发 送字符串命令，c t d 接收到字符串命令詹，舍反馈当时的参数状态，上位机利 用串口根据与c t d 的通讯协议循环读取c t d 反馈的字符串，直到接收到通讯结 束状态的标识符，然后把所有读取的字符串信息显示在圈示的窗口中如图4 3 所示，该视窗的左侧完成串口的设置功能，设置串口通讯的协议，窗口中阿部分 为对c t d 发遵命令，在c o m a a d t o w r i t e 窗口中精入发送命令后，按下s e n d 按 钮上位机便发送命夸给c t d 。窗口的右侧完成对c t d 反馈状态的显示，如果上 位机与c t d 能够正常通讯，则图中p e a l ) s t r i n g 窗口中会显示出c t d 所反馈 的状态，包括c t d 的采样模式、c t d 与上位机之间通讯鼓据的传输格式、c t d 完成采样触发的方式、使c t d 携带泵打开的最小传导率等等 。够s a m p l e r c o n t r o lp a n e l 塞1 一。 口_ o ! 鼍 “ e = - ，- 日日- 浙大学硕士学位论文气密采水瓶海密封性检联月试验 后面板程序框图如下 日辱i15=! 捅 一。，i 芽崮 自日再1窜管 口莉 。 田4 4 c t d 韧始化配置后面扳 利用该子程序实现c t d 初始化配置，三个顺序结构的外框是一个w h i l e 主循 环及串口的初始化设置，从左至右依次排列的三个顺序结构功能如下，第一个顺 序结构为给串口炭命令，第二个顺序结构通过w h i l e 循环结构来反复把每次串口 读出来的数据叠加起来，一直到接受字符串的束两位为c t d 返回数据终止的标 志位位置停止循环，形成完整的反馈数据，第三个顺序结构为清空前面用的字符 串变量，防止接受下一次命令累加到新的数据里面形成错误的反馈信息。 ( 2 ) 数据采集及控制模块 数据采集模块 通过设置，计算机从串1 3 每次读入的数据均为2 2 位的1 6 进制鼓，为字符串 形式，韫据c t i ) 手册提供的转换公式，把该原始数据转换为我们需要的深度数据 同时为了加快保存速度，把获取的参数实时保存于指定的z - 进制文件中。计算深 度参数的计算公式如下所示嗍： m v = 下n 1 石- 5 矿2 4 2 8 8 一= 篝等等筹 4 i 42 “i 百石i n 再r 不缶砰i 丽。7 3 15 43 口o + 口i + 口2 ( 1 n r ) 2 十4 ) x ( 1 n r ) 。 f = p t e m p a o + p t e m p a lx n 3 ，1 3 1 0 7 + c r e m e 4 x ( 1 3 1 0 7 ) 24 4 n 2p t c a o p 7 mx f p t c a z x t 2 4 5 * 壤学* !气亩采 * 瞢封性t 檎睚* 4 一1 而西了雨x 历。p i t c b 可u 示：i 万 p = “- + p a l p a 2 x 46 47 p = o 6 8 9 4 7 5 9 ( ，一1 47)48 h = ，10 1 9 7 1 64 9 以上公式中日表示深度m y 、 、t 、p 、t 、z 、h 、p 为中问变量，其 余均为标定系数，为常数，可由c t d 受用手册壹取，其中屿，n 2 ，屿，分别为温度、 压力、压力传惑器温度补偿的a d 转换值，数值上为对应的1 6 进制数转换为1 0 进制数的值。 在实时读取c t d 采集数据时，发现存在串口读取数据错误的问戆，具体表 现为有时串口读取的数据丢失经过分析，原因为如下几点： 1 ) 由于c t d 采集数据的速度很快，若传送到串口的数据不及时读出，便会 丢失 2 ) c t d 发送的宇符串太长，计算机处理速度慢遣成软件硬件之问配合不好 5 0 1 基于上面对问题的分析，采用逻辑循环来解央该问惠，若串口读取的字符牵 达不到目标字粹串的长度，则循环叠加反复判断，直到与目标字符串长度相同， 从而获得正确的反馈数据 数据采集的后面板程序框图如下所示 口铲 i i ； 彳 酽j ；目 田4 5 蠹据呆羹后面板 与图4 4 所示的子程序工作原理类似，利用该子程序来读取c t d 反馈回来 的2 2 位原始1 6 进制数据，数据比较长，直接利用串口即时读出来的数据会有错 新扛大阜磺学位论文气g 采水拒潭弗镕封性肫拴捌联调试验 误产生，把每次读出柬的数据以字符串的方式循环叠加，直到长度达到2 2 位 循环终止利用其中的布尔变量来控制循环的终止，框图中的t e m p e r i n g 变量为 一个临时字符串的记录变量，当长度达到获取数据时，清空该字符串，以避免下 一轮串口数据读写出现错误 控制模块 根据采集的深度数据，完成采样动作，当按下采瓶瓶l 后，通过串口c o m 2 发送触发采水瓶l 的命令，释放机构触发采样瓶l 后，返回状态值，此时利用相 应的字符串常量与返回值对比，相同时点壳呆水瓶i 对应的指示灯其余1 1 个 采水瓶的触发结构均和上述的s e 结构相同，本程序还设定了自动触发方式， 用一个c 鹪e 结构来实现选择手动还是自动控制方式，自动控制方式时，读取的 深度数据和预先设定的1 2 个采样深度对 匕，与某采样瓶设定深度相同时，发送 对应的触发命令，返回状态值，点亮对应的指示灯。该动作也是由1 2 个c a s e 结 构完成，触发的结构前面敏述的顺序结构完全相同。只是c 鲢e 结构的判断条件 有所差别 其中一个c 拈e 结构框图如下： 田4 6 繁发呆水瓶 数据采集和控制模块如图47 所示，窗口中左侧部分为数据采集状态显示栏 把藉要采集的温度、盐度、深度等参数实时显示在田示的窗口中，便于实时观测 呆水赢的位置和海水的状态参数右侧上半部分为采水瓶控制区，按下方框按钮 印可触发对应的秉水瓶进行采样下半部分为设置宙口，包括参散存储路径的选 择串口的选择、采样控制方武的选择 浙“大学鞭= f ： 位* i * m 镕潍考封性娩瞳潮联月验 一 s a m p l e r c o n t r o lp a n e 4 5 测控系统联合调试 田4 7 鼓据秉羹与控翻模块 引 为了测试整个测控系统的可靠性，将整个系统按照如图4i 所示连接起来， 首先通过串口来配置c t d 测试土位机与c t d 之问的能否完成正常通讯得到如图 4 3 所示的反馈信息，说明上位机与c t d 适讯正常对c t d 初始化配置后，打 开c t d 电磁开关，上位机读取c t d 反馈的参数，并发送控制命令给下位机释放 机构，观察释放动作经过测试发现系统可以正常运行田4 8 为整个测控系统 联合调试 田4 8 酒拉景统联寺调试 4 7 刻 浙江大学硕士学位论文气密采水瓶深海密封性能检测联调试验 4 6 海试试验结果 2 0 0 9 年6 月7 日，在“海洋四号”科学考察船上同时搭载深海气密采水瓶和非 保气采水瓶，在约为1 1 9 4 m 的深度下，利用上面介绍的测控系统将携带的保气 采水瓶和不保气采水瓶分别触发，采集到该层深度下的水样，利用同济大学研制 的“船载现场地球化学测试平台”，测出采水器所采集海水样品中的气体含量，主 要包括甲烷和二氧化碳， 研究结果表明气密采水瓶采集到样品的甲烷浓度和二 氧化碳浓度远远高于非气密采水瓶所采集样品的甲烷浓度和二氧化碳浓度，从而 说明了气密采水器密封性能的可靠性，也说明了压力补偿器设计的可靠性。 4 7 本章小结 本章主要完成深海采水测控系统的设计，经过联合调试该系统保证其可靠 性，利用该测控系统对采水瓶进行深海试验，经同济大学分析得出安装压力补偿 器的气密采水瓶与非气密采水瓶相比，所采集的水样中气体含量偏高，由此得出 结论气密采水瓶气密性能良好，同时也证明了压力补偿器设计的正确性。 浙江大学硕士学位论文结论 5 结论 5 1 研究总结 气密采水瓶的密封性是由压力补偿器来保证的，因此压力补偿器的设计是采 水瓶设计的核心，本文主要完成对气密采水瓶压力补偿器的设计并通过高压舱试 验和海上试验来检测采水瓶的密封性能。 首先，对比参考文献中各种压力补偿方式，选取简单可靠的活塞式压力补偿 器，综合考虑o 形橡胶密封圈的优点和密封设计的可靠性要求，选取o 形橡胶 密封圈密封的方式。 然后对o 形橡胶密封圈的材料非线性和几何非线性特性进行理论研究的同 时，使用m o o n e y r i l v e y 模型作为橡胶本构模型对o 形橡胶密封胶建立有限元模 型，结合o 形圈的密封机理和摩擦特性，对其进行有限元仿真分析，得到几个 不同参数对其密封性能和摩擦性能的影响，继而通过选取合适的参数组合使得保 证密封可靠性的同时获得相对较小的启动摩擦力，减小了活塞式压力补偿器的爬 行现象，达到压力补偿器优化设计的目的。为了验证仿真结果，在试验室进行了 简单的试验。试验结果与仿真结果对比，一致性较好。 接着，通过设计高压舱试验，使采水瓶内部压力升高到4 0 m p a 模拟真实的 水下4 0 0 0 米工作环境，通过预充气体的方法来验证采水瓶的密封性能，经过理 论分析计算，获得相应的初始参数可以使采水瓶内部压力升高到4 0 m p a 且充 气压力下充入的氮气不能完全溶解在采水瓶内部预充的水中，利用高压试验初步 证明了采水瓶的气密性。 最后，把气密采水瓶带到海上试验，下放的同时携带非气密采水瓶，利用 l a b v i e w 编写的测控软件和温盐深仪、释放机构组成的测控系统，实现对海水 分层采样，通过试验对比发现在同一深度下气密采水瓶采集的样品中甲烷和二氧 化碳气体含量高于非气密采水瓶采集的样品，进一股验证了气密采水瓶的密封性 能，同时说明了利用有限元法设计压力补偿器的正确性。 4 9 浙江大学硕士学位论文结论 5 2 工作展望 本论文虽然在压力补偿器设计、采水瓶密封性能测试方面取得了一定的研究 成果，但是由于时间和精力有限，还有许多工作需要深入进行： ( 1 ) 继续完善0 形橡胶密封圈的仿真模型，结合试验数据校正仿真参数的 设置，提高仿真分析的精度。 ( 2 ) 选取更多参数来进行仿真分析，进一步优化补偿器密封圈设计参数。 ( 3 ) 可以尝试选用电控压力补偿器，实现自动控制整个补偿系统。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 参考文献 【l 】周丽娟基于压力自适应体积补偿的气密采水瓶的设计及试验研究浙江大 学硕士学位论文2 0 0 8 ，1 6 1 7 【2 】孟庆鑫，王茁，魏洪兴，张立勋深水液压动力源压力补偿器研究船舶工 程2 0 0 0 ( 2 4 ) 。4 ( 4 ) 1 0 1 3 【3 】吴怀超，金波，杨灿军，陈鹰海底热液长期原位探测器流控系统的设计与实 现浙江大学学报( 工学版) 2 0 0 8 ，4 2 ( 3 ) ，5 3 9 5 4 3 4 】裴东，石治国，刘春，景义军，陈雪梅充油压力补偿式锌银蓄电池研究与设计 2 0 0 5 ，2 9 ( 6 ) 3 8 8 3 9 1 【5 】陈建平，薛建平深潜器设计的压力补偿研究液压与气动1 9 9 5 ，0 1 ，1 6 1 8 6 】章艳，罗高生，王峰，顾临怡深海压力适应型水下机器人压力补偿技术机 电工程2 0 0 7 ，2 7 ( 4 ) ，1 0 2 5 【7 】房延，郭远明深海压力自动补偿器的设计液压与气动2 0 0 6 ，0 4 ，3 - 4 【8 】陈启星，罗启宇采用压力平衡机构延长潜水电机寿命水泵技术1 9 8 3 ，0 3 2 0 2 2 【9 】张巧儿，陶国良水下气体压力补偿系统仿真分析及优化设计机床与液压 2 0 0 7 ，3 5 ( 2 ) ，1 2 1 - 1 2 4 【1 0 】解素欣压力补偿型调速器液压装置及系统的特点水利水电技术2 0 0 1 ， 3 2 ( 1 ) ，7 1 - 7 2 【l1 u n i t e ds t a t e sp a t e n t ，p a t e n tn u m b e r ：5 2 0 1 6 11 p r e s s u r ee q u a l i z e rf o ru s ea td e e p s e a 【1 2 h t t p ：b a i k e b a i d u c o m v i e w 1 0 1 0 1 0 2 h t m 1 3 】刘令勋刘贵英动态密封设计技术北京：中国标准出版社，1 9 9 3 ，6 3 0 【1 4 】蒋伟华基于o 形橡胶圈密封的高压容器设计和研究浙江大学硕士学位论 文2 0 0 6 ，8 - 9 【15 h y u n g k y uk i m ，s u n g - h a np a r k ，h w a n g y ul e e ，d o n g r y u nk i m ，y o u n g h ol e e a p p r o x i m a t i o no fc o n t a c ts t r e s sf o rac o m p r e s s e da n d l a t e r a l l yo n e 浙江大学硕士学位论文 参考文献 s i d er e s t r a i n e do r i n g e n g i n e e r i n gf a i l u r ea n a l y s i s2 0 0 7 ，1 4 ，1 6 8 0 - 1 6 9 2 【1 6 】张康雷，周志鸿，许同乐液压缸活塞杆密封的泄漏量计算润滑与密封 2 0 0 6 ，8 ，1 0 2 1 0 5 【1 7 】郭博智，宋笔锋，孙法国，崔卫民0 形圈的有限元分析液压与气动2 0 0 1 ， 4 l ( 5 ) ，3 1 3 3 【18 s t a n i sa w s t u p k i e w i c z ，a r t u r m a r c i n i s z y n e l a s t o h y d m d y j n a m i cl u b r i c a t i o na n df i n i t ec o n f i g u r a t i o nc h a n g e si n r e c i p r o c a t i n ge l a s t o m e r i cs e a l s t r i b o l o g yi n t e m a t i o n a l2 0 0 9 ( 4 2 ) ：615 - 6 2 7 【1 9 】谭晶，杨卫民，丁玉梅，杨维章，鲁选才，唐斌o 形橡胶密封圈密封性能 的有