0 引　言

中、大型潜水器在研发之前，需要设计船模试验，即自航模试验，通过缩比模型试验，从而获得较为可靠的水动力参数。为此，均衡系统在自航模水下试验过程中必不可少。一般情况下，潜水器均衡系统包括浮力调节系统和纵倾平衡系统，浮力调整系统主要维持水下剩余浮力不变，纵倾平衡系统主要保持潜水器零纵倾或规定的纵倾，达到稳定安全航行的状态^[1]。

在此方面，国内外研究机构、学者进行了大量研究。其中，中国船舶科学研究中心开展了大深度潜水器均衡系统研究，优化了海水泵式浮力调节系统及泵送水银式纵倾平衡系统的方案，并成功应用于“蛟龙”号^[2-3]。水下AUV主要采用皮囊式或活塞式浮力调节系统，通过油泵的吸排油，改变皮囊或活塞的体积，从而改变水下排水体积，达到浮力调节的功能^[4-5]。潜艇浮力调节系统通常采用舷外自流注水，改变自身重量；纵倾平衡系统通常采用用气前后调水的方式^[6-7]。

以上方案或由于介质不同，或由于浮力、纵倾相互独立，占用空间较大，均无法在自航模上应用。因此，针对自航模的工况需求，提出一种兼顾浮力调节与纵倾平衡的复杂均衡系统，即通过单个水泵及阀组实现均衡系统的过程。同时，基于AMESim软件建立了系统模型，对均衡过程进行了仿真模拟。此外，对模拟过程中出现流量分布不均的问题进行了优化。

1 均衡系统设计 1.1 工作原理

本文提出的复杂均衡系统，其原理如图1所示。系统主要由水泵、电磁阀组、传感器、止回阀、首尾水舱等设备组成。当系统注水时，外界水通过吸入滤器、电磁阀5，由水泵打压后，分别通过电磁阀2、电磁阀4，流入首尾水舱；当系统排水时，首尾水舱通过电磁阀1、电磁阀3，由水泵经压力计排出站体外；当需要进行尾向首调水时，电磁阀2、电磁阀3、流量计、压力计关闭，尾部水舱水经电磁阀1、水泵、电磁阀4调入首部水舱；当需要进行首向尾调水时，电磁阀1、电磁阀4、流量计、压力计关闭，首部水舱水经电磁阀3、水泵、电磁阀2调入尾部水舱。首尾水舱密闭，不仅承受外界海水压力，同时承受由内部水量变化引起的内压变化。

根据图1均衡系统原理图可知，随着多次进行均衡后，首尾水舱的空气压力会不相等，从而使得首尾两端的负载压力不等。若当尾部水舱总背压大于首部水舱总背压时，流入尾部水舱的流量小于流入首部水舱的流量。在均衡过程中易造成过度首倾；反之，易造成过度尾倾，影响系统的运行，危及自航模航行安全。

1.2 分流集流阀流量方程

在前后水舱顶部采用通气管连接，保证两侧水舱内密闭空气压力一致，可极大减小背压不等的问题，仅存在两侧管路沿程阻力损失和局部阻力损失。但由于模型外形结构及工作方式限制，无法采用该方法，因此本文提出在分流集流处增加分流集流阀，通过分流集流阀的压力反馈，改变相应阀口的大小，从而达到流量均分的效果。

分流集流阀通过固定节流孔1、固定节流孔2的流量 $ {Q_1} $ 和 $ {Q_2} $ 方程为：

$ {Q_1} = {C_d} \cdot \frac{{{\text{π}} d_1^2}}{4}\sqrt {\frac{{2({P_0} - {P_1})}}{\rho }}，$

(1)

$ {Q_2} = {C_d} \cdot \frac{{{\text{π}}d_2^2}}{4}\sqrt {\frac{{2({P_0} - {P_2})}}{\rho }} 。$

(2)

式中： $ {C_d} $ 为固定节流孔流量系数； $ {d_1} $ 和 $ {d_2} $ 分别为固定节流孔1、固定节流孔2的直径， $ {d_1} $ = $ {d_2} $ ； $ {P_1} $ 和 $ {P_2} $ 为固定节流孔1、固定节流孔2后的压力； $ {P_0} $ 为阀前输入压力； $ \rho $ 为介质密度。

若不考虑阀芯内间隙泄漏和外泄漏，通过可变节流孔A、可变节流孔B后的分流集流阀输出流量 $ {Q_A} $ 和 $ {Q_B} $ 方程为：

$ {Q_A} = {C_d} \cdot {\text{π}} \cdot {W_1}x\sqrt {\frac{{2({P_1} - {P_A})}}{\rho }} ，$

(3)

$ {Q_B} = {C_d} \cdot {\text{π}} \cdot {W_2}x\sqrt {\frac{{2({P_2} - {P_B})}}{\rho }} ，$

(4)

式中： $ {P_A} $ 和 $ {P_B} $ 为可变节流孔A、可变节流孔B出口的压力； $ {C_d} $ 为可变节流孔流量系数； $ x $ 为阀芯位移； $ {W_1} $ 和 $ {W_2} $ 为可变节流孔A、可变节流孔B的面积梯度。

在均衡过程中，由于水舱处在水下一定深度，因此可认为密闭水舱内的空气温度几乎不变，忽略温度对空气的影响，单个水舱的空气压力与体积的状态方程如下：

$ {P_{a1}}{V_{a1}} = {P_{a2}}{V_{a2}} ，$

(5)

$ {V_{a2}} = V - {V_{a1}} - qt 。$

(6)

式中： $ {P_{a1}} $ 为状态1下的空气压力； $ {V_{a1}} $ 为状态1下的空气体积； $ {P_{a2}} $ 为状态2下的空气压力； $ {V_{a2}} $ 为状态2下的空气体积； $ V $ 为水舱容积； $ q $ 为状态1到状态2过程中的注排水速率。

分流集流阀A、分流集流阀B口单路流量的精度方程如下：

$ \delta = \frac{{\left| {{Q_A} - {Q_B}} \right|}}{{{Q_A} + {Q_B}}} \times 100{\text{%}} 。$

(7)

式中， $ \delta $ 为分流集流精度。

由上述公式可知，当两侧水箱压力不一致时，两侧的流量也会随之不同。因此，对两侧水箱注排水的均流性能造成一定影响。

1.3 优化后的均衡系统

优化后的系统原理图如图2所示。

2 仿真模型的建立 2.1 分流集流阀模型

利用AMESim软件，根据分流集流阀原理，建立分流集流阀子模型，如图3所示。模型相关参数如表1所示。

2.2 均衡系统模型

根据均衡系统原理，建立仿真模型，在增加分流集流阀后，为减小阀压降造成水泵输出流量的影响，在分流集流阀出口端并联可变节流孔。注排水过程中，节流孔全闭；纵倾调节过程中，节流孔全开。

3 仿真结果分析 3.1 参数设置

当自航模在均衡过程中，其深度变化不大，因此可将外界海水压力设置为0.3 MPa固定不变。水泵流量5 L/min。同时，为更好进行均衡过程对比，采用相同工况及运行时间作为典型标准，工况顺序表如表2所示。

3.2 仿真结果分析

优化前系统流量如图4所示，首尾水舱压力如图5所示。由图可知，首尾水舱初始压力均为2 bar，2支管流量也一致，为2.5 L/min。0～50 s注水期间，随着密闭水舱内注水，水舱内的气压逐渐升高，气压和流量并始终保持一致，在50 s时，气压均达到2.043 bar。50～150 s尾向首调水期间，流量保持5 L/min不变，但此时随着尾部水舱调出水量，首部水舱调入水量，尾部水舱气压逐渐降低，首部水舱气压继续持续升高。在150 s时，首部水舱气压升至2.233 bar，尾部水舱气压下降至1.882 bar。150～200 s再注水期间，由于首部水舱气压大于尾部水舱气压，形成水泵和首部水舱共同向尾部水舱注水，因此初始注水速率高达16.49 L/min，同时艏部水舱气压减小，尾部水舱气压迅速增大。此阶段气压的升降并非线性，在200 s时，首部水舱气压降低至2.116 bar，尾部水舱气压升高至2.059 bar。200～230 s首向尾调水期间，流量继续保持5 L/min不变，首部水舱气压减小，尾部水舱气压增大。在230 s时，首部水舱气压继续降低至2.062 bar，尾部水舱气压升高至2.113 bar。230～300 s排水期间，两侧水舱气压不同，尾部略高于首部，因此在排水初期，排水将首先从尾部水舱排水，然后逐渐从两侧水箱同时排水，并逐渐趋向流量一致，此时随着排水时间越长，首尾水舱气压也逐渐趋于相同。

优化后的系统流量如图6所示，首尾水舱压力如图7所示。

由图可知，由于初始环境条件相同，0～150 s的均衡工况与优化前完全一致。在150～200 s再次注水过程中，由于分流集流阀的作用，注水后两侧分流的情况明显较好，不会随着水舱气压的变化而改变。此时，首部水舱支流的流量约为2.41 L/min，尾部水舱支流的流量约为2.60 L/min。在200 s末，首部水舱气压为2.284 bar，尾部水舱气压为1.922 bar。200～230 s首向尾调水情况与之前一致。在230 s末，首尾水舱气压降低至2.220 bar，尾部水舱气压升高至1.969 bar。230～300 s排水期间，分流集流阀同样具有较好的作用，从首尾水舱同时吸水排出，首部支流流量为2.44 L/min，尾部支流流量为2.56 L/min。此时，水舱气压也逐渐呈线性降低，在300 s末，首部水舱气压为2.149 bar，尾部水舱气压降低至1.916 bar。

仿真结果表明，增加分流集流阀，明显改善了不同密闭水舱注排水流量不均的问题，单路流量分流精度达3.8%，集流精度达2.4%，满足自航模安全航行要求。

4 结　语

1）本文提出一种复杂均衡系统的原理方案，该系统采用单一泵源和阀组，实现了浮力调节和纵倾平衡的功能。通过理论分析，发现注排水流量不均的问题。因此，提出基于分流集流阀的优化方案。

2）分别建立优化前后的均衡系统AMESim系统模型，通过同一工况仿真对比。结果表明，明显改善了不同密闭水舱注排水流量不均的问题，单路流量分流精度达3.8%，集流精度达2.4%。