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引 言 海洋是一個(gè)巨大資源寶庫(kù)，海洋浮標(biāo)系統(tǒng)是開發(fā)海洋、綜合利用海洋資源必備的綜合性設(shè)備，是當(dāng)今構(gòu)成全天候海洋立體觀測(cè)體系中的一個(gè)重要組成部分。浮標(biāo)提供的實(shí)時(shí)資料和長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)資料不僅能用于海洋開發(fā)、海洋科學(xué)研究、海水養(yǎng)殖、海洋捕撈、海上工程建設(shè)、海上交通運(yùn)輸、海洋石油開發(fā)和海底礦產(chǎn)資源的開采，而且可用作國(guó)家制訂近期和長(zhǎng)期海洋規(guī)劃的依據(jù)。ARGO 浮標(biāo)是覆蓋全球面積最廣，各國(guó)都參與合作開發(fā)的浮標(biāo)項(xiàng)目，截止到目前已經(jīng)有 3300 多個(gè)浮標(biāo)在海上穩(wěn)定的工作。 ARGO 浮標(biāo)通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其上升和下沉工作。由柱塞泵向皮囊中注入壓力油，增大皮囊的體積從而使浮標(biāo)體積增大，達(dá)到上升的目的；將壓力油從皮囊中抽回，使皮囊的體積減小從而減小浮標(biāo)的體積，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的下沉工作。 1 ARGO 浮標(biāo)簡(jiǎn)介 ARGO 浮標(biāo)是一種自沉浮式剖面探測(cè)浮標(biāo),應(yīng)用在國(guó)際 ARGO 計(jì)劃時(shí)又稱之為 ARGO 浮標(biāo), 專用于海洋次表層溫、鹽、深剖面測(cè)量。儀器布放后自行在大海中工作 2 年以上,直至內(nèi)裝電源耗盡;當(dāng)中無(wú)法對(duì)其進(jìn)行維護(hù),當(dāng)浮標(biāo)沉入水下后，對(duì)水中的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量記錄，當(dāng)浮標(biāo)上浮到海面后, 將采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò) ARGOS 平臺(tái)發(fā)射終端(PPT)傳送給衛(wèi)星,借助ARGOS 衛(wèi)星系統(tǒng)定位并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶。 該課題成果將為建設(shè)我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、加強(qiáng)國(guó)防建設(shè)、參加國(guó)際 ARGOS 計(jì)劃提供一種新的測(cè)量手段和先進(jìn)裝備。目前,該型浮標(biāo)在我國(guó)尚處于研究階段, 尚未形成產(chǎn)品生產(chǎn)能力。目前,國(guó)外只有美國(guó)、法國(guó)和加拿大有這種產(chǎn)品的生產(chǎn)能力,日本也在九五”計(jì)劃末期,課題研究解決了剖面探測(cè)浮標(biāo)的數(shù)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。科研樣機(jī)在水庫(kù)進(jìn)行過(guò)浮標(biāo)升潛和水下定深控制等實(shí)驗(yàn), 研究項(xiàng)目通過(guò) 863 專家組驗(yàn)收?！笆濉?63 海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)主題立項(xiàng)正式研制剖面探測(cè)浮標(biāo)。2002 年 10 月裝載 SB-41CP 型 CTD 的國(guó)產(chǎn)剖面探測(cè)浮標(biāo)科研樣機(jī)試制成功并在第五屆國(guó)際 ARGO 科學(xué)組會(huì)議展示。經(jīng)有關(guān)專家商討,將其命名為中國(guó)海洋剖面探測(cè)浮標(biāo),英文名為 China OceanProfiling Explorer 簡(jiǎn)稱 COPEX。 2 ARGO 浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀 2.1 ARGO 浮標(biāo)的發(fā)展規(guī)模 1998 年由美國(guó)和日本等國(guó)家的大氣和海洋科學(xué)家，在以前工作的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并提出建設(shè)全球ARGO 實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)。10 年來(lái)，ARGO 計(jì)劃從無(wú)到有、從小到大，得到迅速發(fā)展，最初確定的由 3000個(gè)剖面浮標(biāo)組成的全球 ARGO 實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)于2007 年 11 月正式宣告建成。參與該計(jì)劃的國(guó)家也由最初的 10 個(gè)發(fā)展到今天的 27 個(gè)，另有 17 個(gè)國(guó)家以不同形式參加了該計(jì)劃的活動(dòng)。到 2008 年底，全球累計(jì)在海洋上布放了 6000 多個(gè) ARGO 浮標(biāo)，目前仍在海上正常工作的浮標(biāo)達(dá) 3325 個(gè)。 目前，該觀測(cè)網(wǎng)正以前所未有的規(guī)模和速度，源源不斷地為國(guó)際社會(huì)提供全球海洋深達(dá) 2000m 的溫、鹽度剖面資料和全球范圍的海流資料。這些資料使得各國(guó)科學(xué)家獲得了許多以往利用常規(guī)觀測(cè)研究無(wú)法得到的新發(fā)現(xiàn)、新成果，提高了人們對(duì)海洋和氣候等自然環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。據(jù)介紹，全球 ARGO 實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)所獲得的海流數(shù)據(jù)，將會(huì)在天氣和海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)中得到廣泛運(yùn)用，從而大幅度提高人們對(duì)天氣、氣候和海洋環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的精度。許多國(guó)家的海洋和氣候業(yè)務(wù)中心也已開始把 ARGO 資料應(yīng)用于海洋和天氣、氣候業(yè)務(wù)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，并在海洋漁業(yè)、海事安全和海上交通等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 2.2 我國(guó) ARGO 浮標(biāo)的發(fā)展?fàn)顩r ARGO 浮標(biāo)技術(shù)是一項(xiàng)有廣泛應(yīng)用價(jià)值的海洋監(jiān)測(cè)高技術(shù)，在 863—818 主題經(jīng)費(fèi)支持下，國(guó)家海洋技術(shù)中心從 2000 年 3 月起開展了自持式剖面浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究。2002 年正式列人“十五”863 項(xiàng)目，并啟動(dòng)研究。目前已完成了單沖程柱塞泵、自沉浮控制、耐壓密封的 ARGOS 衛(wèi)星通信和定位天線、數(shù)據(jù)編碼等關(guān)鍵技術(shù)研究和關(guān)鍵部件的研制，并完成了高壓模擬試驗(yàn)和升潛模擬試驗(yàn)設(shè)備的研制。2003 年2 月 4 日，第一套自持式剖面浮標(biāo)樣機(jī)在東海進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。布放位置在南海東沙海域，20.75N117.85E。浮標(biāo)上有溫度和壓力傳感器。水面停留時(shí)間為 6 小時(shí)，用于 ARGOS 衛(wèi)星通信和定位。浮標(biāo)的中性漂浮最大試驗(yàn)水深在 300 m 左右，設(shè)計(jì)最大工作水深 2000 m。為試驗(yàn)浮標(biāo)的定深控制功能，l0 天內(nèi)浮標(biāo)在水下完成 8 次不同停留水深的升潛運(yùn)動(dòng)，并記錄升潛過(guò)程。從浮標(biāo)完成 ARGOS 衛(wèi)星通信和定位并開始下潛算起，到浮標(biāo)上浮又回到海面并進(jìn)行下一次的 ARGOS 衛(wèi)星通信和定位止，計(jì)算浮標(biāo)的剖面測(cè)量周期。該浮標(biāo)每 1O 天約有 8 組剖面數(shù)據(jù)，包括水深、溫度、電池電壓，而每組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量與剖面深度和測(cè)量間隔有關(guān)。數(shù)據(jù)組經(jīng) ARGOS 衛(wèi)星通信發(fā)往法國(guó)土倫衛(wèi)星地面中心，然后經(jīng) Internet網(wǎng)傳輸，在天津接收并解碼，處理數(shù)據(jù)，得到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。至今已獲得了數(shù)千組數(shù)據(jù)。該浮標(biāo)英文名為 COPEX(China Ocean Profiling Explorer)。 2.3 國(guó)外 ARGO 浮標(biāo)的發(fā)展?fàn)顩r 目前全球共享的 ARGO 浮標(biāo)資料最早時(shí)間是1996 年, 數(shù)據(jù)量非常少。從表 1 中, 可以看出, 自2000 年國(guó)際 ARGO 計(jì)劃的全面實(shí)施, 隨著 ARGO計(jì)劃成員國(guó)的增加和 ARGO 浮標(biāo)性能的改進(jìn), 大洋中活躍的浮標(biāo)數(shù)和資料剖面快速增加。2005 年 1 月至 6 月, ARGO 浮標(biāo)測(cè)量剖面達(dá)到 31497 個(gè), 相當(dāng)于 2003 年全年共享的 ARGO 資料量。其中 2005 年6 月共享的 ARGO 資料量達(dá)到 5757 個(gè)剖面, 平均每天 190 個(gè)。 
3 ARGO 中使用的液壓技術(shù) 3.1 浮標(biāo)沉降原理 ARGO 浮標(biāo)是通過(guò)不改變其自身質(zhì)量，改變自身體積，來(lái)實(shí)現(xiàn)上升和下沉。國(guó)際上通用的結(jié)構(gòu)就是在浮標(biāo)底部安裝氣囊（如圖 1 所示），通過(guò)柱塞泵向其泵入和抽出液壓油，而達(dá)到改變氣囊體積的目的，進(jìn)而改變浮標(biāo)的體積，完成浮標(biāo)的上下工作。用于改變浮標(biāo)體積的關(guān)鍵部件是一臺(tái)單沖程柱塞泵和置于浮標(biāo)體之外的可變體積皮囊。我們將皮囊制造成雙腔結(jié)構(gòu), 用一堅(jiān)韌的橡膠膜將皮囊分隔成兩部分,分別用來(lái)盛油和氣。當(dāng)柱塞泵正向行程, 將泵內(nèi)的液壓油推進(jìn)油囊, 浮標(biāo)體積就增大。反之, 油泵回程時(shí), 油囊內(nèi)的油被抽回柱塞泵,體積就縮小。油囊的容積設(shè)計(jì)成, 從“零”體積開始, 容納油泵推出的全部液壓油后具有從水下最深點(diǎn)上浮到水面的最大浮力。并且, 從理論上講, 可以通過(guò)改變其體積的變化量, 實(shí)現(xiàn)在水面與最深處之間的任何深度上讓浮標(biāo)處于中性狀態(tài)。為確保浮標(biāo)漂浮在水面時(shí)的通訊正常進(jìn)行, 其內(nèi)部還專門設(shè)計(jì)一氣囊漲縮回路, 它是由一臺(tái)小氣泵和單向閥、三通閥、管路, 連通氣囊組成。該系統(tǒng)可將浮標(biāo)殼體內(nèi)的剩余氣體泵入氣囊使之漲大, 讓漂浮在水面的浮標(biāo)更高的浮出水面, 抬高露出的天線, 保證通信順利進(jìn)行。當(dāng)浮標(biāo)進(jìn)入下潛動(dòng)作, 外壓將氣囊內(nèi)的氣體壓回殼體, 保證了浮標(biāo)順利下潛。 
3.2 浮標(biāo)內(nèi)部系統(tǒng) （1）內(nèi)腔真空處理 剖面探測(cè)浮標(biāo)長(zhǎng)期交替地在水面和水下 2 000m 處工作, 為防止浮標(biāo)體在水面低壓時(shí)出現(xiàn)泄漏,通常采用的是將浮標(biāo)內(nèi)部抽成真空狀, 對(duì)外形成負(fù)壓.在常壓時(shí)外界就已在上下端蓋預(yù)加一外壓力, 確保高低壓均不泄漏, 還可保護(hù)內(nèi)部電子器件減少氧化現(xiàn)象。 （2）高壓油路和氣路系統(tǒng)如圖 2 所示，油路其實(shí)很簡(jiǎn)單, 柱塞泵直通油囊。皮囊在浮標(biāo)殼體之外, 處在海水包圍中, 因此它所受到的外壓直接反映了海洋深度。氣囊中所充的氣體是浮標(biāo)殼體內(nèi)抽真空所剩余的殘留氣, 氣路中需要用單向閥和三通閥實(shí)現(xiàn)氣囊與殼體內(nèi)空間在特定位置處接通與關(guān)閉。 高壓柱塞泵: 柱塞泵的動(dòng)力是一臺(tái)微型直流電動(dòng)機(jī); 通過(guò)高減速比的微型減速器將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低和輸出以較大的轉(zhuǎn)距, 使?jié)L珠絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞平移動(dòng), 使活塞足以推動(dòng)因 20 MPa 深海壓力產(chǎn)生1600 N 的阻力。 （3）為保證浮標(biāo)可靠上浮的專項(xiàng)設(shè)計(jì) ①設(shè)置輔助油缸,增大浮標(biāo)的上浮能力: 海水密度隨地理位置的分布會(huì)有較大區(qū)別, 要將浮標(biāo)用在不同海區(qū), 用戶會(huì)遇到專業(yè)性很強(qiáng)的參數(shù)重新設(shè)置問(wèn)題。此設(shè)計(jì)出于提高浮標(biāo)上浮能力,即確保浮標(biāo)可靠上浮, 又不需用戶針對(duì)不同海區(qū)的情況提出各自的要求。 從計(jì)算得知并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 浮標(biāo)從水下上浮到水面的能力與皮囊體積和浮標(biāo)本身體積之比有關(guān)(△V/V0),該比值愈大浮標(biāo)上浮能力愈強(qiáng)。但由于受到浮標(biāo)體積與耗電量須嚴(yán)格限制等原因, 不能隨意加大柱塞泵的油缸容積, 采用不消耗能量的預(yù)置力輔助油缸措施是加大 △V/V0值的方法之一, 借助壓縮氣體或彈簧在受外力不同時(shí)其活塞位移會(huì)發(fā)生變化來(lái)增大油囊體積的變化量。設(shè)計(jì)以某一預(yù)定壓力為分界皮囊中將有更多的油量出自輔助油缸,從而加大 △V 值,提高浮標(biāo)上浮能力。其工作原理如下,假如設(shè)定值是 3 MPa,在以下 3 種情況時(shí): 一是處在水面,外界壓力 p=0,輔助缸內(nèi)的油全部注入皮囊,使之膨漲到最大,穩(wěn)定漂浮;二是下潛,外界壓力 p 遂漸升高,即隨外界壓力的升高, 皮囊中的油逐漸被壓回輔助缸,3MPa 時(shí)皮囊收縮到最小值, 浮標(biāo)可潛入到預(yù)定深度;三是上浮,外界壓力 p<3 MPa,預(yù)置力將輔助缸油再次逐漸注入皮囊, 到達(dá)水面后皮囊又可漲到最大,該過(guò)程有助于浮標(biāo)上浮。 ②可以現(xiàn)場(chǎng)拆卸檢修和封裝的抽真空設(shè)計(jì):上蓋結(jié)構(gòu)特有的抽真空密封裝置, 使未布放的浮標(biāo)以在現(xiàn)場(chǎng)拆卸浮標(biāo)進(jìn)行內(nèi)部檢修。
4 海洋條件對(duì)液壓技術(shù)的要求 一般陸用液壓泵站設(shè)計(jì)時(shí), 其布置方式有三種,即頂置式(泵、電機(jī)設(shè)在油箱頂部)、旁置式(泵、電機(jī)設(shè)在油箱旁側(cè)) 和浸沒式(泵浸沒于油中)。根據(jù)不同的使用條件,可以選擇不同的布置方式。電機(jī)、泵一般為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品, 油箱采用鋼板焊制。除對(duì)清潔度要求較高外,其設(shè)計(jì)、制造相對(duì)簡(jiǎn)單方便。隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展, 液壓系統(tǒng)也在水下浮標(biāo)中得到推廣使用。特別是 ARGO 浮標(biāo),一般均采用電、液控制。由于其特定的工作環(huán)境(如深海、高壓、海水腐蝕等)、嚴(yán)格的條件限制(如重量、體積等)、可靠的安全保護(hù)措施 (如防滲水報(bào)警等), 對(duì)液壓泵站設(shè)計(jì)提出了新的、更高的要求。 4.1 液壓系統(tǒng)的密封要求 ARGO 液壓系統(tǒng)和陸用液壓系統(tǒng)相比，有很多獨(dú)到之處，使用條件也較為苛刻。首先，它工作于水下，深到水下 2 000 m，其液壓系統(tǒng)不僅承受內(nèi)部高壓還應(yīng)承受外部環(huán)境壓力；密封件既要耐油腐蝕，還要耐海水腐蝕，這對(duì)密封材質(zhì)提出了更高的要求。其次，浮標(biāo)對(duì)密封性要求極高，一旦產(chǎn)生泄漏，就會(huì)導(dǎo)致浮標(biāo)失效；第三，密封結(jié)構(gòu)要耐海水腐蝕，尺寸重量都有嚴(yán)格限制。因此，對(duì)于浮標(biāo)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，密封技術(shù)是一個(gè)很重要的問(wèn)題。從目前已有的浮標(biāo)來(lái)看，浮標(biāo)密封主要有壓力補(bǔ)償密封和高壓密封兩種。 4.2 液壓系統(tǒng)的防腐性能要求 海洋環(huán)境對(duì)液壓系統(tǒng)正常工作的最大危害是對(duì)液壓元件的腐蝕,海水是含有生物、懸浮泥沙、溶解氣體、腐爛有機(jī)物和多種鹽類的復(fù)雜溶液,它對(duì)金屬的腐蝕受諸多因素的影響, 其中主要的有海水中溶氧濃度、海水溫度、流速和生物活性等。溶氧濃度是影響金屬腐蝕的重要因素,一般地,氧含量越高,腐蝕速度越快;溫度升高通常能加快化學(xué)反應(yīng),提高腐蝕速度,但同時(shí)隨著溫度的升高,海水溶解氧的能力下降,從而又使腐蝕速度減緩;海水的流速增加時(shí),使氧的傳遞容易,而使金屬的腐蝕加重;而生物因素對(duì)金屬腐蝕的影響非常復(fù)雜, 有時(shí)它減輕金屬的腐蝕,但大多情況下是增加金屬的腐蝕。 5 高新技術(shù)對(duì)浮標(biāo)液壓系統(tǒng)的影響 5.1 電子與信息技術(shù) 電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，特別是微處理機(jī)的出現(xiàn)，開始對(duì)液壓控制的概念產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。 從總體上看，浮標(biāo)液壓系統(tǒng)功率總量比很高；起動(dòng)、停止快速，反向運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性精準(zhǔn)性，操作簡(jiǎn)單等，因此具有可靠、精確、靈活特點(diǎn)。但是，在工作過(guò)程中，液壓能需要經(jīng)過(guò) 2 次能量轉(zhuǎn)換，效率必然較低，這是它的先天不足。電子與信息技術(shù)與浮標(biāo)液壓系統(tǒng)結(jié)合，兼?zhèn)淞穗姎夂鸵簤旱碾p重優(yōu)勢(shì)，作用與潛力都很大，形成了具有競(jìng)爭(zhēng)力的自身技術(shù)特點(diǎn)。如浮標(biāo)中復(fù)雜的時(shí)序控制系統(tǒng)，已經(jīng)基本上趨向于采用微機(jī)控制。采用微機(jī)控制不僅價(jià)格低、便于組裝、操作方便，而且可以利用微機(jī)的計(jì)算功能和邏輯功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和優(yōu)化控制。 5.2 材料科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù) 浮標(biāo)液壓系統(tǒng)的基本原理很容易理解，但要圓滿地實(shí)現(xiàn)它的功能卻有賴于材料科學(xué)及制造技術(shù)的進(jìn)步。有資料表明，近 20 年來(lái)液壓技術(shù)的發(fā)展來(lái)源于自身結(jié)構(gòu)改進(jìn)的科研成果僅約 20％；而依靠材料、表面技術(shù)、加工工藝等方面研究成果的卻占到了30％。筆者認(rèn)為，以下材料科學(xué)的新成果和相關(guān)的先進(jìn)制造技術(shù)將對(duì)今后浮標(biāo)液壓系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。 （1）陶瓷材料 新一代的工程陶瓷和陶瓷涂層是浮標(biāo)液壓元件內(nèi)高應(yīng)力、高耐磨、高抗蝕性功能零部件的很有希望的材料，特別是用純木和海木作為介質(zhì)?，F(xiàn)已用陶瓷制出了配漉盤、斜盤襯板，換向閥芯、噴嘴等零件。 （2）高分子合成材料 各種工程塑料已廣泛地用于液壓元件作為結(jié)構(gòu)材料和密封、絕緣等材料，用合成材料制備的自潤(rùn)滑涂層已開始應(yīng)用于清木或海水介質(zhì)的液壓元件。新的應(yīng)用領(lǐng)域是用高強(qiáng)度合成纖維纏繞方法制造重量很輕的液壓缸和蓄能器以及流動(dòng)阻力更小也更為柔軟的高壓軟管。 （3）納米技術(shù) 納米技術(shù)涉及的是尺度已達(dá)到了分子水平。和別的領(lǐng)域中的情況相類似，用納米材料填充的增強(qiáng)塑料將在液壓元器件那些需要高強(qiáng)度、高耐磨性的部件上獲得應(yīng)用。采用納米技術(shù)制作過(guò)濾材料，可以顯著提高過(guò)濾器的精度和濾材壽命。 6 結(jié) 論 海洋是一個(gè)巨大的資源寶庫(kù), 合理開發(fā)和利用海洋資源是國(guó)家持續(xù)發(fā)展的需要。世界三分之二是海洋, 人們對(duì)海洋的探知從來(lái)沒有停止過(guò),ARGO 浮標(biāo)的應(yīng)用使人們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)達(dá)到了新的高度。 在軍事領(lǐng)域, ARGO 的作用也越來(lái)越廣,這應(yīng)該引起我們的重視, 適時(shí)開展該項(xiàng)技術(shù)的研究、開發(fā)和利用, 以滿足未來(lái)海洋戰(zhàn)略的需要。為了盡快縮小與國(guó)外美國(guó)海軍的差距, 適應(yīng)國(guó)際形勢(shì), 滿足國(guó)家海洋戰(zhàn)略的需求, 應(yīng)該加大對(duì) ARGO 浮標(biāo)和液壓系統(tǒng)的研究力度。 合理、充分、創(chuàng)造性的應(yīng)用液壓技術(shù)，加大高新技術(shù)在浮標(biāo)中的應(yīng)用力度，更好的服務(wù)于浮標(biāo)系統(tǒng)是液壓產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展的一個(gè)方向。 摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
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