陳華旺

(廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建廈門 361024)

液壓舵機是船舶改變航向或維持指定航向的重要設(shè)備。它垂直安裝在螺旋槳的后方，其一旦失靈，船舶將失去控制，甚至發(fā)生嚴重事故［1］。因此，我國根據(jù)《國際海上人命安全公約》(SOLAS)的規(guī)定，對舵機提出了明確的要求。船舶液壓舵機可分為硬件 (舵機本身)與軟件 (舵機液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng))兩個部分。舵機本身也就是硬件部分是比較少出現(xiàn)故障，而軟件也就是液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)較常出現(xiàn)故障。液壓系統(tǒng)中的液壓油工作在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)且各路之間相互交叉干擾，使得各個故障之間相互影響，因此液壓系統(tǒng)的故障分析具有一定的難度［2］。研究液壓系統(tǒng)故障的方法很多，其中包括:從動態(tài)可靠性的角度進行分析液壓系統(tǒng)的故障，通過蒙特卡羅方法進行仿真，并重點計算了液壓元件的失效分布模型［2］;利用非線性迭代偏最小二乘 (NIPALS)算法分析系統(tǒng)正常狀態(tài)下的樣本，運用廣義似然比 (GLR)檢驗對模型殘差進行假設(shè)檢驗，并判斷液壓系統(tǒng)故障的故障狀態(tài)［3］;利用非線性觀測器對液壓伺服系統(tǒng)故障進行故障診斷，并建立了系統(tǒng)的非線性觀測器模型［4］;基于專家系統(tǒng)，將專家經(jīng)驗分解成故障現(xiàn)象、原因、規(guī)則，從而實現(xiàn)對故障知識的有效管理和維護［5］。以上舵機液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，主要是通過采用一定的儀器進行檢測、通過對故障產(chǎn)生原因進行統(tǒng)計等的方法對液壓舵機產(chǎn)生的故障的實際原因進行判斷。但船舶液壓舵機在實際的使用過程中，受到使用條件及船舶檢測設(shè)備的限制，要用以上的方法對液壓舵機產(chǎn)生故障的原因進行分析的有比較大的難度。所以針對船舶液壓舵機實際的使用條件及檢測設(shè)備，尋求一種簡單實用的方法，對船舶液壓舵機液壓系統(tǒng)進行故障預(yù)防和維修。

1 舵機液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障分析

1.1 液壓系統(tǒng)常見故障類型

根據(jù)液壓油流向變換方法的不同，液壓舵機分為泵控型液壓舵機和閥控型液壓舵機。其液壓系統(tǒng)都是由動力元件液壓泵、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件、工作介質(zhì)液壓油等五部分組成。液壓舵機是在海上進行使用，由于受到使用環(huán)境的限制，舵機液壓系統(tǒng)故障不容易進行檢測，也比較難以發(fā)現(xiàn)，同時出現(xiàn)故障的類型又呈現(xiàn)多樣化。因此要對舵機在使用過程中液壓系統(tǒng)容易出現(xiàn)的故障進行統(tǒng)計和分析，找出產(chǎn)生各種故障之間內(nèi)在的共同因素，總結(jié)出容易出現(xiàn)以下比較常見的幾種故障類型。

1.1.1 異常振動和響聲 當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，往往表現(xiàn)為產(chǎn)生異常的振動和響聲。當(dāng)舵機運行過程中出現(xiàn)異常的振動和響聲，很大可能是液壓系統(tǒng)中某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了故障 (見圖1)。

圖1 舵機液壓系統(tǒng)示意圖

1.1.2 液壓系統(tǒng)液壓油壓力不足或壓力波動較大液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力決定了執(zhí)行元件液壓缸輸出的推力的大小。液壓油壓力不足或沒有壓力都將難以驅(qū)動舵葉轉(zhuǎn)動，從而不足以產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩 (見圖2)。

圖2 舵機液壓系統(tǒng)壓力不足或壓力波動較大系統(tǒng)原因示意圖

1.1.3 液壓油流量不穩(wěn)定 液壓系統(tǒng)中液壓油的流量決定了執(zhí)行元件液壓缸移動的速度。流量不足或流量波動較大都會對舵葉轉(zhuǎn)動的時間及轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性產(chǎn)生影響 (見圖3)。

圖3 舵機液壓油流量不穩(wěn)定系統(tǒng)原因示意圖

1.1.4 液壓系統(tǒng)中元件損壞 舵機液壓系統(tǒng)是由各種的閥、泵、缸體、管件、接頭、密封裝置等組成。元件的精度較高并且數(shù)量較多，當(dāng)其中的某一個液壓元件損壞或出現(xiàn)故障，都將引起液壓油泄漏從而影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，甚至發(fā)生污染環(huán)境、發(fā)生火災(zāi)的危險 (見圖4)。

圖4 舵機液壓系統(tǒng)元件損壞示意圖

1.2 利用故障樹對舵機液壓系統(tǒng)故障進行分析

故障樹方法 (fault tree analysis，F(xiàn)TA)最初的時候被應(yīng)用在電子行業(yè)里，后來逐漸被應(yīng)用到各種工程領(lǐng)域。FTA是以系統(tǒng)所不希望發(fā)生的一個事件 (頂事件)為分析的目標(biāo)，通過逐層向下推測所有可能的原因，從而找出系統(tǒng)內(nèi)可能存在的失效模式、環(huán)境影響、人為失誤以及程序處理等硬、軟件因素與頂事件的邏輯關(guān)系［2］?，F(xiàn)以泵控型液壓舵機的液壓系統(tǒng)為例，對其常見故障進行分析。故障樹中各符號所代表的意義見表1。

表1 故障樹符號代表的意義

2 利用故障樹排除舵機液壓系統(tǒng)故障

2.1 舵機出現(xiàn)不能轉(zhuǎn)動故障

當(dāng)出現(xiàn)液壓操縱系統(tǒng)能正常工作，但舵機出現(xiàn)不能轉(zhuǎn)動時故障時，應(yīng)先分析一下是否是屬于電氣遙控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如電路是否出現(xiàn)斷路等。如果電氣遙控系統(tǒng)檢測沒有出現(xiàn)故障，則應(yīng)分析一下液壓傳動系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，例如檢測液壓控制系統(tǒng)中伺服油缸液壓控制信號是否出現(xiàn)中斷、檢測伺服油缸中的旁通閥是否關(guān)閉、溢流閥所調(diào)定的壓力是否太低了［1］、三位電磁換向閥在左位或右位有電信號的狀態(tài)下是否可以離開中位、液壓主泵是否出現(xiàn)變量機構(gòu)卡死、主泵驅(qū)動電機是否正常起動、連鎖保護機構(gòu)是否異常等異常故障，都能導(dǎo)致舵機不能轉(zhuǎn)動。檢測主泵是否出現(xiàn)故障方法可換用備用泵給系統(tǒng)供油加以驗證。

2.2 舵機現(xiàn)只能單向轉(zhuǎn)舵故障

舵機出現(xiàn)只能朝某一方向轉(zhuǎn)舵，當(dāng)向另一方向轉(zhuǎn)舵是出現(xiàn)舵機不轉(zhuǎn)現(xiàn)象時。排除方法為先改用舵機旁手動操舵系統(tǒng)進行操舵。如機旁手動操舵，舵機工作正常，則應(yīng)先考慮電氣遙控系統(tǒng)線路是否出現(xiàn)故障，例如三位電磁換向閥某一端電磁線圈是否出現(xiàn)斷路等故障、檢測控制用伺服油缸是否出現(xiàn)嚴重的泄漏、變量泵當(dāng)出現(xiàn)泵的變量機構(gòu)是否只能單向運行，此外當(dāng)液壓系統(tǒng)中主油路單方向不通或旁通時，都會出現(xiàn)單向轉(zhuǎn)舵現(xiàn)象。

2.3 舵機轉(zhuǎn)舵時間達不到規(guī)定要求

根據(jù)《國際海上人命安全公約》的規(guī)定:舵應(yīng)在不超過60s內(nèi)從船舶的任意一舷15°轉(zhuǎn)到另外一舷的15°。如果舵機轉(zhuǎn)舵時間達不到規(guī)定，應(yīng)視為舵機出現(xiàn)故障。如機旁操舵后，故障消失，則檢測輔泵的流量是否不足、調(diào)速閥調(diào)定的流量是否太小了、主泵流量的流量大小從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)舵時間延長。此外主油路中因泄漏、安全閥或旁通閥等關(guān)閉不嚴、油缸內(nèi)部密封損壞、備用泵油路鎖閉不嚴或主油路換向閥泄漏嚴重等都將導(dǎo)致沖舵、跑舵或滯舵等故障［1］。

2.4 舵機出現(xiàn)舵葉轉(zhuǎn)動滯后于操舵動作

2.4.1 主油路中混有較多氣體 改由機旁操舵，如滯舵現(xiàn)象沒有消除，可將液壓缸高壓側(cè)放氣閥打開，如有氣泡放出則很有可能是液壓系統(tǒng)檢修后放氣不夠徹底、油箱液壓油油位太低或補油壓力太低、液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏等原因?qū)е驴諝饣烊胍簤合到y(tǒng)中。

2.4.2 遙控系統(tǒng)動作遲滯 當(dāng)液壓遙控系統(tǒng)中控制油路或伺服油缸中混入空氣，或控制系統(tǒng)機械傳動部件的間隙太大都將導(dǎo)致故障［1］。

2.4.3 主油路泄漏或旁通 泵控型系統(tǒng)主油路泄漏或旁通嚴重將導(dǎo)致舵機可轉(zhuǎn)不動或轉(zhuǎn)動得很慢［1］。

2.5 舵轉(zhuǎn)到指令角后沖轉(zhuǎn)過頭［1］

2.5.1 變量機構(gòu)不能及時回中 變量泵的變量機構(gòu)卡住，導(dǎo)致控制液壓油壓力變低或差動活塞油孔堵塞等所造成故障。

2.5.2 遙控伺服液壓油缸的換向閥不能回中 液壓換向閥閥芯在一端卡住，或液壓控制閥一端彈簧斷裂導(dǎo)致張力不足等造成故障。

2.5.3 遙控伺服液壓油路閉鎖不嚴 液壓油路發(fā)生泄漏或液壓閥旁通后，舵機由于受到浮動桿傳來的作用力，伺服活塞在到達指令舵角后，因油路鎖閉不住而繼續(xù)前移動造成沖舵。

2.5.4 控制系統(tǒng)的反饋部分有故障 如反饋系統(tǒng)的機械連接件松動、電氣元件損壞、觸頭臟污或斷路等。

2.5.5 主油路鎖閉不嚴 當(dāng)主油路存在泄漏或旁通，則在舵轉(zhuǎn)動慣性大，特別是舵作用有負扭矩時，就會發(fā)生沖舵，但如果反饋機構(gòu)正常，舵沖過指令舵角后仍會回到指令舵角。

2.6 穩(wěn)舵期間舵偏離所停舵角

當(dāng)主油路鎖閉不嚴、遙控系統(tǒng)工作不穩(wěn)定導(dǎo)致，兩臺泵共用一套浮動桿控制，變量泵中位調(diào)節(jié)不一致或調(diào)好后松動，在雙泵同時工作時會產(chǎn)生舵停不穩(wěn)的現(xiàn)象。

2.7 舵機有異常噪聲和振動

液體噪聲多是由工液壓油中產(chǎn)生氣穴、系統(tǒng)放氣不徹底或補油不足、油溫太低、油粘度太大、油泵機組異常、吸油濾器堵塞或吸油管漏氣、泵和電動機對中不良、軸承或泵內(nèi)運動部件損壞、管路或其它部件固定不牢、轉(zhuǎn)舵油缸柱塞填料過緊、舵受負扭矩作用、舵桿軸承磨損或潤滑不良等原因所導(dǎo)致［1］。

2.8 舵不準(zhǔn)

當(dāng)舵角偏差超過土1°，需對操縱系統(tǒng)進行調(diào)整:當(dāng)舵輪處在零位時，操舵信號發(fā)送器輸出應(yīng)調(diào)整為零;當(dāng)舵葉在零位時，反饋信號發(fā)送器的輸出應(yīng)調(diào)整為零;對于設(shè)有浮動桿機構(gòu)的控制系統(tǒng)，應(yīng)首先使遙控系統(tǒng)在舵機室的執(zhí)行元件以及變量油泵和舵葉三者同時處于中位。

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