楊 翊，朱興華，胡志強，林 揚

(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110016)

水下機器人柴電動力系統(tǒng)可靠性研究

楊 翊，朱興華，胡志強，林 揚

(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110016)

大型化是未來水下機器人發(fā)展的重要趨勢，大排水量水下機器人多采用柴油機作為動力系統(tǒng)的動力源。本研究面向水下機器人柴電動力系統(tǒng)在設(shè)計過程中選用單套或雙套柴油機組技術(shù)方案的問題，進行系統(tǒng)可靠性分析，對比單套柴油機組與雙套柴油機組在不同工況下的系統(tǒng)可靠度。結(jié)果表明：巡航狀態(tài)下雙套柴油機組可靠度較單套柴油機組提高25%以上；高速航行狀態(tài)下雙套柴油機組可靠度較單套柴油機組降低最大可達31.2%；巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半時，雙套機組的系統(tǒng)可靠度與單套機組的系統(tǒng)可靠度相同。

水下機器人；動力系統(tǒng)；柴電；柴油機；可靠性

0 引言

水下機器人(Unmanned Underwater Vehicles，UUV)是人類認識和開發(fā)海洋不可缺少的工具之一[1]。近年來，水下機器人的發(fā)展呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢，大排水量水下機器人(Large Displacement Unmanned Underwater Vehicle，LDUUV)成為世界水下機器人技術(shù)發(fā)展的重點。為了支撐新型水下機器人的長期作業(yè)能力，多采用具有較高能量密度和功率密度的油電混合動力系統(tǒng)。然而，由于水下機器人需要在無人干預(yù)的條件下長期工作，且工作環(huán)境比較惡劣，所以對于其動力系統(tǒng)可靠度具有較高要求。本研究結(jié)合水下機器人柴電動力系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用中積累的經(jīng)驗，面向水下機器人在設(shè)計過程中選用單套或雙套柴油機組技術(shù)方案的問題，針對水下機器人使用過程中可能存在的各種工況，對柴電動力系統(tǒng)進行可靠性分析。通過分析得到水下機器人柴電動力系統(tǒng)在各種工況下的可靠度，并通過比較為新型水下機器人技術(shù)方案的論證提供設(shè)計依據(jù)。

1 發(fā)展趨勢與問題

美國將超過36 in(0.914 4 m)的大直徑水下機器人或排水量超過20 000 lb(9.0718 t)的大排水量水下機器人統(tǒng)稱為LDUUV[2]。大排水量水下機器人的代表是波音公司正在研制的Echo系列水下機器人。為了支持大排水量水下機器人的研究，波音公司分別于2001年和2015年開發(fā)了長約6 m的Echo Ranger和長約10 m的Echo Seeker。2016年，波音公司研發(fā)的Echo Voyager(圖1)完成樣機試制，該系統(tǒng)長約15 m，重達50 t，采用柴電混合動力，設(shè)計續(xù)航力達6個月或12 000 km[3]。

為支撐新型水下機器人的長航時作業(yè)能力，涌現(xiàn)出了燃料電池、半燃料電池、熱機、斯特林機等動力源技術(shù)[4]。其中，柴油機能夠以相當(dāng)高的熱效率將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽呛苡邪l(fā)展前途的水下機器人動力源[5]，適合應(yīng)用于大排水量水下機器人。波音公司研發(fā)的Echo Voyager即采用柴油機作為其動力源。

圖1 Echo Voyager大排水量水下機器人Fig.1 Echo Voyager LDUUV

然而，由于水下機器人的工作環(huán)境惡劣，工作強度高，時間長，因此具有較高的可靠度要求[6]。動力系統(tǒng)是水下機器人的重要組成部分，因此具有更加嚴格的可靠度要求。普通的船用柴油機對于日常養(yǎng)護和維修都有非常具體而細致的要求，應(yīng)用于大排水量水下機器人需要應(yīng)對在無人維護狀態(tài)下長期工作的問題。并且由于水下機器人結(jié)構(gòu)非常緊湊，柴油機的發(fā)熱和振動不僅會影響動力系統(tǒng)的可靠度，還會降低水下機器人其他零部件的可靠度[7]。在設(shè)計過程中，通常采用雙機并聯(lián)的冗余系統(tǒng)方式(以2套功率為0.5 PkW的柴油機組并聯(lián)代替1套功率為PkW的柴油機組)提高動力系統(tǒng)的可靠度。然而，由于水下機器人工作于復(fù)雜惡劣工況之下，環(huán)境等因素對柴油機組也會產(chǎn)生影響；在這種狀況下，并聯(lián)系統(tǒng)會增加水下機器人系統(tǒng)的復(fù)雜度，并進一步惡化工作環(huán)境，導(dǎo)致冗余系統(tǒng)可靠度的降低。此外，在高速航行狀態(tài)下，系統(tǒng)要求雙機全部以最高功率運行，2套機組之間為串聯(lián)關(guān)系，反而會降低水下機器人的可靠性。因此，為了對比單套柴油機組和雙套柴油機組的可行性和優(yōu)劣性，需要對兩種技術(shù)方案進行可靠性的分析和對比。

2 柴電動力系統(tǒng)可靠度建模

2.1 系統(tǒng)組成

采用柴油機組的水下機器人動力系統(tǒng)包括進排氣系統(tǒng)、柴油機組及其控制系統(tǒng)、機油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)5部分，單套柴油機組的動力系統(tǒng)構(gòu)成如圖2a所示。巡航狀態(tài)下，可將雙套柴油機組視為并聯(lián)系統(tǒng)。此時，單套柴油機組和雙套柴油機組所涉及的區(qū)別主要在于機組及其控制系統(tǒng)、機油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)3個方面。在進排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)方面，單套柴油機組和雙套柴油機組兩套方案并不會改變相關(guān)分系統(tǒng)的組成。雙套柴油機組并聯(lián)的動力系統(tǒng)構(gòu)成如圖2b所示。

圖2 單機和雙機系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.2 Single engine and double engine system

機組及其控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3a所示，將柴油機視為一個整體組件，與柴油機控制器共同構(gòu)成柴油機部分；電動機與電動機控制器共同構(gòu)成一個部分。機油供給系統(tǒng)包括機油預(yù)供泵和管路(圖3b)。柴油機組的冷卻系統(tǒng)組成如圖3c所示，包括泵、流量計、球閥、溫度計和管路。由于進排氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)并不會因單套和雙套柴油機組而發(fā)生變化，因此在分析過程中將二者各視為一個整體。

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 System diagram

將各分系統(tǒng)的組成帶入單套和雙套柴油機組系統(tǒng)中。單套柴油機組動力系統(tǒng)的詳細系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。巡航狀態(tài)下雙套柴油機組并聯(lián)的動力系統(tǒng)如圖5a所示；在高速航行狀態(tài)下，由于雙柴油機組滿功率工作，要求2套柴油機組必須同時可靠工作，則2套柴油機組由并聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)換為串聯(lián)關(guān)系，如圖5b所示。

圖4 單機系統(tǒng)模型Fig.4 Single engine system model

2.2 可靠性建模

根據(jù)圖中柴油機組的系統(tǒng)構(gòu)成模型，建立柴電動力系統(tǒng)的可靠性模型。設(shè)進排氣系統(tǒng)可靠度為R1，機組及其控制系統(tǒng)可靠度為R2，機油供給系統(tǒng)可靠度為R3，冷卻系統(tǒng)可靠度為R4，燃油系統(tǒng)可靠度為R5。

設(shè)柴油機可靠度為R21，柴油機控制器可靠度為R22，發(fā)電機可靠度為R23，發(fā)電機控制器可靠度為R24。設(shè)機油預(yù)供泵管路為R31，機油管路為R32。設(shè)泵可靠度為R41，流量計可靠度為R42，球閥可靠度為R43，溫度計可靠度為R44，管路可靠度R45。則單套柴油機組的動力系統(tǒng)模型如圖6a所示，巡航狀態(tài)下雙套柴油機組并聯(lián)的動力系統(tǒng)模型如圖6b所示。

在工程應(yīng)用中，通?？梢詫⑾到y(tǒng)可靠度與各單元可靠度的關(guān)系保守地考慮為極端載荷下的可靠度(即可能出現(xiàn)的最惡劣載荷代替載荷隨機變量，這時組件之間沒有失效相關(guān)性)[8]。此時，單機系統(tǒng)和雙機并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度可通過式(1)、式(2)計算。

(1)

(2)

然而，雙套柴油機組可能會造成進排氣量、載體內(nèi)部振動和溫度發(fā)生變化，進而造成系統(tǒng)的環(huán)境發(fā)生變化。進排氣量增加會造成進排氣系統(tǒng)可

圖5 雙機系統(tǒng)模型Fig.5 Double engine system model

圖6 系統(tǒng)模型Fig.6 System model

靠度降低，振動加大會造成系統(tǒng)連接處更容易松動、結(jié)構(gòu)件更容易發(fā)生疲勞失效，溫度升高會降低電子元器件、密封件等零部件的壽命[9-10]。在計算時通過加乘系數(shù)來表述此類影響。設(shè)進氣量變化對進排氣系統(tǒng)造成的影響因子為β1，振動對整個系統(tǒng)造成的影響因子為β2，溫度對整個系統(tǒng)造成的影響因子為β3。則雙柴油機組并聯(lián)的動力系統(tǒng)可靠度為

(3)

雙套柴油機組還可能有另一種交替運行的使用方法，既先開啟一套柴油機組，另一套機組作為備份。例如一套柴油機組出現(xiàn)故障，則可開啟備用柴油機組，以此達到提高系統(tǒng)可靠度的目的。但是，備用柴油機組很可能會受到另一臺柴油機組運行的影響，導(dǎo)致其自身可靠度下降。設(shè)在交替運行狀態(tài)下一套柴油機組對另一套柴油機組的影響為γ，則在這種狀況下雙套柴油機組并聯(lián)的動力系統(tǒng)可靠度可表達為

(4)

最后，根據(jù)圖5b可建立高速航行狀態(tài)下雙柴油機組串聯(lián)的動力系統(tǒng)可靠性模型，如圖7所示。此時的系統(tǒng)可靠度、考慮環(huán)境影響的動力系統(tǒng)可靠度分別為

(5)

(6)

3 可靠度計算

3.1 可靠度數(shù)據(jù)估計

由于缺乏柴電動力系統(tǒng)相關(guān)組部件的可靠性數(shù)據(jù)，同時因為本研究的分析著重對單套和雙套柴油機組可靠性的對比，而不強調(diào)計算出每套柴油機組可靠度的準確性，因此，通過初步的估計給出各組部件的可靠度，同時假設(shè)組部件的可靠度不會隨著系統(tǒng)運行功率的改變而改變。通過將組部件按照產(chǎn)品類型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及使用經(jīng)驗等因素劃分為3類，即可靠度高、可靠度較高、可靠度一般，并分別賦予對應(yīng)的可靠度數(shù)值，如表1所示。

圖7 高速狀態(tài)下雙機系統(tǒng)模型Fig.7 Double engine system model under high speed表1 柴油機組組部件可靠度估計Table 1 Reliability evaluation

DescriptionsReliabilityPartsIndicatorsHighreliability0．99PumpsR41FlowmetersR42ThermometersR44Relativelyhighreliability0．97ElectricgeneratorsR23BallvalvesR43PipelinesR45EngineoilpumpsR31EngineoilpipelinesR32Regularreliability0．95FuelsystemR1DieselenginesR21EnginecontrollersR22GeneratorcontrollersR24AirsupplysystemR5

3.2 可靠度計算

將表1中數(shù)值帶入式(1)中可得單柴油機組的動力系統(tǒng)可靠度為Rs1=0.64。

將以上數(shù)值帶入式(2)中可得巡航狀態(tài)下雙柴油機機組的動力系統(tǒng)可靠度Rs2=0.83。

在雙套柴油機組交替運行情況下，設(shè)一臺柴油機組對另一套柴油機組的可靠度影響因子為γ=0.95。將以上數(shù)據(jù)帶入式(4)中可得動力系統(tǒng)可靠度為Rs3=0.82。

經(jīng)初步分析，單柴油機組和雙柴油機組的可靠度數(shù)值及其對比如表2所示。通過分析可知，在水下機器人巡航狀態(tài)下，雙柴油機組確實可以顯著提高動力系統(tǒng)的可靠度，至少可以提高25%以上的可靠度。然而，如果要求系統(tǒng)高速航行，必須實現(xiàn)滿功率運行，則由于雙柴油機組增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，會大幅降低系統(tǒng)的可靠度，最大可能會使系統(tǒng)的可靠度下降31.2%。

表2 單雙柴油機組可靠度對比

4 混合工況下雙機動力系統(tǒng)可靠度分析

通過以上分析可得到單套柴油機組的可靠度、雙套柴油機組在巡航和高速航行等工況下的系統(tǒng)可靠度。為了進一步了解雙套柴油機組在包括高速航行狀態(tài)和巡航狀態(tài)的混合工況下對系統(tǒng)可靠度的影響，需要進行進一步的分析。

4.1 可靠度模型

對于雙套柴油機組，在混合工況下，巡航狀態(tài)下兩套機組可視為并聯(lián)關(guān)系，此時系統(tǒng)可靠度為Rs2；高速航行狀態(tài)下兩套機組可視為串聯(lián)關(guān)系，此時系統(tǒng)可靠度為Rs4。設(shè)大排水量水下機器人的航行總時長為t0，在巡航狀態(tài)下航行時間為t1，則在高速航行狀態(tài)下航行時間為t2=t0-t1。

為了簡化分析過程，設(shè)機組的故障率為常數(shù)，既故障率不會隨工作時間而變化，機組的條件可靠度也與時間t無關(guān)。設(shè)雙機組并聯(lián)系統(tǒng)的故障概率函數(shù)fs1(t)和雙機組串聯(lián)系統(tǒng)的故障概率函數(shù)fs2(t)，則在混合工況航行條件下，水下機器人柴電動力系統(tǒng)的故障率為

(7)

則柴電動力系統(tǒng)在混合工況下的系統(tǒng)可靠度R0(t)為

(8)

由于系統(tǒng)的故障概率函數(shù)未知，在工程應(yīng)用中可通過簡化計算得到柴電動力系統(tǒng)可靠度。

(9)

通過式(9)可以在工程中比較簡單地估計混合工況下雙柴油機組動力系統(tǒng)可靠度。

4.2 可靠度計算

不考慮環(huán)境對雙套機組的影響，將Rs2=0.83、Rs4=0.46帶入式(9)中，取t1為0～t0范圍內(nèi)的一個數(shù)，則系統(tǒng)可靠度Rs0的數(shù)值范圍如圖8所示。水下機器人巡航狀態(tài)占整個工作流程的百分比對應(yīng)的系統(tǒng)可靠度Rs0數(shù)值如表3所示。

表3 系統(tǒng)可靠度Rs0

表4 系統(tǒng)可靠度

圖8 系統(tǒng)可靠度變化曲線Fig.8 System Reliability Variety

通過以上分析可知，在理想狀況下，巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半(t1/t0=50%)時，雙套機組的系統(tǒng)可靠度與單套機組的系統(tǒng)可靠度相同(Rs0=Rs1)。當(dāng)巡航狀態(tài)大于全部工作流程50%時，雙套機組的系統(tǒng)可靠度Rs0大于單套機組的系統(tǒng)可靠度Rs1。

5 結(jié)論

1)在巡航狀態(tài)下，雙柴油機組確實可以顯著提高動力系統(tǒng)的可靠度，至少可以提高25%以上的可靠度。然而，如果要求高速航行，則由于雙柴油機組增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，會大幅降低系統(tǒng)的可靠度，最大可能會使動力系統(tǒng)的可靠度下降31.2%。

2)若雙套柴油機組需要在巡航狀態(tài)和高速航行狀態(tài)下交替運行，則巡航狀態(tài)與高速航行狀態(tài)各占全部工作流程一半(t1/t0=50%)時，雙套機組的系統(tǒng)可靠度與單套機組的系統(tǒng)可靠度相同。當(dāng)巡航狀態(tài)大于全部工作流程50%時，雙套機組的系統(tǒng)可靠度大于單套機組的系統(tǒng)可靠度。

[1] 封錫盛,李一平. 海洋機器人30年[J]. 科學(xué)通報,2013,58(s2):2-7.

[2] Department of the Navy. The navy Unmanned Undersea Vehicle (UUV) master plan[R]. Washington D.C.,2004:67-77.

[3] Kira Coley. Echo Voyager: New frontiers in Unmanned Technology[J]. Marine Technology Reporter,2016:22-27.

[4] 陳強. 水下無人航行器[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2014:189-191.

[5] 蔣新松,封錫盛,王棣棠. 水下機器人[M]. 沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2000:72-76.

[6] Yang Y, Yi R W, Zhu X H, et al. Reliability allocation for the mechanical system of autonomous underwater vehicles[C]. Oceans,2016,Shanghai,2016:1-4.

[7] 楊翊,朱興華,胡志強,等. 自主水下機器人的封閉式柴油機艙傳熱分析[J]. 內(nèi)燃機工程,2015,36(4):85-89.

[8] 謝里陽,王正,周金宇,等. 機械可靠性基本理論與方法[M]. 北京:科學(xué)出版社,2009:14-15.

[9] Lall P, Pecht M, Hakim E B. Characterization of functional relationship between temperature and microelectronic reliability[J]. Microelectronics Reliability,1995,35(3):377-402.

[10] 吳松華,秦蓬波,王景鶴,等. 聚硫密封劑在高溫空氣中的老化行為研究[C]. 北京:北京國際粘合技術(shù)研討會暨第二屆亞洲粘合技術(shù)研討會論文集,2007:18-01-18-06.

Reliability Studies for Diesel-Electric Dynamic System ofUnmanned Underwater Vehicles

YANG Yi，ZHU Xing-hua，HU Zhi-qiang，LIN Yang

(StateKeyLaboratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China)

Unmanned underwater vehicles will develop towards large displacement. And large-displacement unmanned underwater vehicles (LDUUV) usually use diesel engines for power supply. In order to solve the problem of choice between single and double diesel engines in the design process, the system reliabilities under different working conditions were analyzed and compared in this paper. The following conclusions were drawn: 1) the reliability of double diesel engine systems is 25% higher than single engine systems under the cruising speed; 2) the reliability of double diesel engine systems can be 31.2% lower than single engine systems under the highest speed; 3) when the states of the cruising speed and the highest speed take the same time in the working process, the reliability of double diesel engine systems equals the single engine systems.

unmanned underwater vehicle; dynamic system; diesel-electric; diesel engine; reliability

2017年1月16日

2017年3月28日

中國科學(xué)院科技創(chuàng)新重點部署項目(KGFZD-125-014)

楊翊(1987年-)，男，碩士，主要從事水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、水下機器人總體技術(shù)等方面的研究。

TP202.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.004

1673-6214(2017)02-0087-07