王孝霖，許歷，韓星星，蘇先明，解強(qiáng)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431)

船舵安裝在船舶的尾部，主要由舵葉、舵桿、舵機(jī)等部分組成，其作用是改變或維持船舶航向［1］。船舶航向的改變是依靠舵機(jī)帶動(dòng)舵葉來(lái)實(shí)現(xiàn)的，舵機(jī)在整個(gè)舵系統(tǒng)中處于重要地位。舵機(jī)的性能決定著船舶的回轉(zhuǎn)時(shí)間和半徑，影響著船舶的機(jī)動(dòng)性。在船舶航行過(guò)程中舵機(jī)發(fā)生故障時(shí)，輕則導(dǎo)致偏離航向，重則影響應(yīng)急規(guī)避造成事故，對(duì)船舶安全的影響是巨大的。

船舶舵機(jī)按照驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的不同可分為3類，即蒸汽舵機(jī)、電動(dòng)舵機(jī)和液壓舵機(jī)［2］。液壓舵機(jī)具有質(zhì)量輕、尺寸小、靈敏度高，工作平穩(wěn)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，能緩沖風(fēng)浪對(duì)舵葉的沖擊，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低、振動(dòng)小，而且可實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速，在現(xiàn)代大中型船舶上得到了廣泛應(yīng)用［3］。

1 測(cè)量船舵機(jī)液壓系統(tǒng)分析

某遠(yuǎn)洋船舶采用雙舵設(shè)計(jì)，配備了2臺(tái)Rolls-Royce公司生產(chǎn)的SR743X2型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)。轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)為球形，內(nèi)部腔室結(jié)構(gòu)為三腔型，主要由轉(zhuǎn)舵油缸、定葉、球形轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)葉、密封裝置等部件組成。其中，定葉固定在缸體內(nèi)部，轉(zhuǎn)葉固定在轉(zhuǎn)子上，在液壓油的壓力作用下，3個(gè)轉(zhuǎn)葉在環(huán)形轉(zhuǎn)舵油缸內(nèi)可帶動(dòng)舵桿以恒扭矩轉(zhuǎn)舵。該舵機(jī)為閥控型液壓舵機(jī)，其液壓系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)有1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)相同的泵單元，兩個(gè)單向定量泵3作主泵，經(jīng)過(guò)操縱閥7和分配閥9，分別與3個(gè)轉(zhuǎn)舵油缸C1C2、C3C4、C5C6組成2個(gè)可各自獨(dú)立工作的閉式系統(tǒng)。2個(gè)泵單元中各設(shè)有分配閥9，該閥的旁通、隔離、工作3種工況可由旋塞手動(dòng)調(diào)整，閥9常處于工作工況，可使2個(gè)泵單元并聯(lián)工作同時(shí)向轉(zhuǎn)舵油缸供油。正常航行時(shí)單用1臺(tái)主泵供油轉(zhuǎn)舵，其流量即能滿足在28 s內(nèi)將舵由任一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷30°的要求，并能達(dá)到額定轉(zhuǎn)舵扭矩。進(jìn)出港或窄水道航行時(shí)，可雙泵并聯(lián)工作，扭矩不變，轉(zhuǎn)舵速度可以提高1倍［4］。

操縱閥7控制油液的流向，同時(shí)兼做主油路鎖閉閥;電氣遙控的電磁換向閥8作為操縱閥7的先導(dǎo)閥，控制油由主油路提供。先導(dǎo)式溢流閥5做主泵安全閥兼卸荷閥，整定壓力為12.5 MPa;溢流閥10作防浪閥，整定壓力為15.6 MPa。單向閥4位于泵的出口處起保護(hù)作用，防止系統(tǒng)中的液壓沖擊影響泵的工作，或當(dāng)泵檢修時(shí)防止油液倒灌。液控單向閥6位于回油路，起保壓作用［5］。

在1號(hào)泵單元中，當(dāng)操縱閥7兩端的先導(dǎo)閥8電磁線圈均斷電時(shí)，兩個(gè)先導(dǎo)閥均處于下工作位，閥7因兩端控制油經(jīng)先導(dǎo)閥8通油箱而回中，從而閉鎖轉(zhuǎn)舵油缸油路，主泵排油經(jīng)操縱閥7泄回油箱，能保證主泵卸荷。若電氣遙控系統(tǒng)使操縱閥某一端的先導(dǎo)閥通電，該導(dǎo)閥將處于上工作位，控制油從泵出口主油路經(jīng)該導(dǎo)閥8進(jìn)入操縱閥頂端，推動(dòng)操縱閥閥芯離開中位，主泵排油經(jīng)操縱閥和分配閥進(jìn)入環(huán)形油缸。左轉(zhuǎn)舵時(shí)，先導(dǎo)閥8.1電磁線圈通電，控制油進(jìn)入操縱閥右端，向左推動(dòng)操縱閥閥芯，使得操縱閥處于右工作位，此時(shí)C1、C3、C5為進(jìn)油腔，C2、C4、C6為回油腔，液壓油推動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)而帶動(dòng)舵桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)舵;右轉(zhuǎn)舵時(shí)，先導(dǎo)閥8.2電磁線圈通電，操縱閥處于左工作位，此時(shí)C2、C4、C6為進(jìn)油腔，C1、C3、C5為回油腔，液壓油推動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)而帶動(dòng)舵桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)舵。當(dāng)電力遙控系統(tǒng)失靈時(shí)，可在舵機(jī)艙直接頂動(dòng)先導(dǎo)閥8的閥芯操舵。

圖1 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)液壓系統(tǒng)圖

2 故障現(xiàn)象

船舶在某次窄水道航行期間，為了保證船舶的機(jī)動(dòng)性，采用了雙舵雙泵的工況，即左、右舵機(jī)同時(shí)工作且各自均為雙泵供油。期間，發(fā)現(xiàn)左、右舵機(jī)工作不同步，向右打舵時(shí)左舵比右舵的轉(zhuǎn)舵速度慢，而向左打舵時(shí)雙舵正常。該故障給操舵帶來(lái)極大不便，影響了船舶的機(jī)動(dòng)航行。如何盡快解決這一故障，成為擺在船上工作人員面前的迫切問(wèn)題。

3 故障處理

錨泊后，在舵機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行檢查。首先，在雙泵工作模式下操縱雙舵，將左、右舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度進(jìn)行對(duì)比，確定了左舵機(jī)向右轉(zhuǎn)舵時(shí)速度過(guò)慢。然后，針對(duì)左舵機(jī)進(jìn)行檢查，對(duì)左舵機(jī)在單泵工作模式下進(jìn)行操縱，發(fā)現(xiàn)2號(hào)泵單獨(dú)工作時(shí)左舵機(jī)左、右轉(zhuǎn)舵均正常，而1號(hào)泵單獨(dú)工作時(shí)，只能向左單向轉(zhuǎn)舵。

舵機(jī)只能單向轉(zhuǎn)舵的原因一般為以下兩個(gè)方面［6］:

(1)遙控系統(tǒng)只能單向動(dòng)作，這種情況下機(jī)旁操作應(yīng)為正常。這是因?yàn)殡姎膺b控系統(tǒng)只能給出單向操舵信號(hào)，例如線路連接故障、先導(dǎo)電磁閥一端線圈損壞。

(2)主油路單方向不通或旁通?？赡苁侵饔吐纺硞?cè)安全閥開啟壓力過(guò)低，或主油路操縱閥單向不能開啟。

針對(duì)左舵機(jī)1號(hào)泵單元，機(jī)旁直接頂動(dòng)左端先導(dǎo)閥的閥芯操舵，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)可正常向右轉(zhuǎn)舵，疑為電氣遙控系統(tǒng)故障。但對(duì)電氣遙控線路進(jìn)行逐步排查后，未發(fā)現(xiàn)故障;對(duì)左端先導(dǎo)電磁閥的線圈模塊進(jìn)行檢查，也未發(fā)現(xiàn)故障。因此，故障應(yīng)不是由遙控系統(tǒng)導(dǎo)致。討論就放在與主油路通斷相關(guān)的兩個(gè)方面:

(1)安全閥開啟壓力過(guò)低。在安裝時(shí)，對(duì)安全閥工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)整定，此前工作一直正常，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可推斷安全閥發(fā)生故障的可能性很小。

(2)主油路操縱閥不能向右開啟。可能是操縱閥閥芯發(fā)生卡阻，或左端先導(dǎo)閥閥芯發(fā)生卡阻影響了控制油的流向。但由于遙控方式下左轉(zhuǎn)舵正常，機(jī)旁操舵時(shí)左右轉(zhuǎn)舵均正常，說(shuō)明操縱閥閥芯能正常左右滑動(dòng)。而機(jī)旁能夠直接頂動(dòng)左端先導(dǎo)閥閥芯，給先導(dǎo)閥閥芯發(fā)生卡阻的判斷帶來(lái)了影響。為了盡快查找故障根源，工作人員將1號(hào)泵單元操縱閥左端的先導(dǎo)電磁閥拆下，并取出先導(dǎo)閥閥體，透過(guò)閥體下部油孔發(fā)現(xiàn)閥芯上存在劃痕及細(xì)小雜質(zhì)。對(duì)先導(dǎo)閥內(nèi)部進(jìn)行清潔后安裝復(fù)位，遙控操作發(fā)現(xiàn)1號(hào)泵單元單獨(dú)工作時(shí)左、右轉(zhuǎn)舵恢復(fù)正常。

4 故障機(jī)制分析

先導(dǎo)閥為螺紋式插裝閥，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由外彈簧、手動(dòng)頂桿、磁芯、電磁線圈 (圖中未畫出)、閥芯、復(fù)位彈簧組成，閥體一和閥體二通過(guò)螺紋聯(lián)接成一體。該先導(dǎo)閥采用水平安裝方式，閥體上有油口A、油口B和泄油口T。電磁線圈斷電時(shí)，閥芯被復(fù)位彈簧頂起，如圖2(a)所示，控制油從油口A進(jìn)入，因油口A與油口B不連通，壓力油經(jīng)閥芯中部滑環(huán)上的油孔c依次進(jìn)入油孔d、e，最后經(jīng)泄油口T泄回油箱;此時(shí)，操縱閥閥芯端部油腔中的液壓油通過(guò)油口B，也經(jīng)由泄油口T回油箱。電磁線圈通電時(shí)，磁芯因電磁力作用，克服復(fù)位彈簧阻力向左推動(dòng)閥芯，此時(shí)閥芯右端滑環(huán)上的油孔d被封閉，油口B與泄油口T油路被切斷，而油口A與B連通，如圖2(b)所示，控制油從油口A進(jìn)入，流向油口B，然后進(jìn)入操縱閥閥芯端部油腔，推動(dòng)操縱閥閥芯動(dòng)作。應(yīng)急條件下，通過(guò)按壓手動(dòng)頂桿可直接推動(dòng)先導(dǎo)閥芯動(dòng)作。

圖2 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)原理

液壓油內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入先導(dǎo)電磁閥內(nèi)部的閥腔后，進(jìn)入閥芯與閥體之間的滑動(dòng)間隙，使得閥芯左右滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生卡阻。因電磁線圈對(duì)閥芯產(chǎn)生的電磁力有限，閥芯受到推力小于阻力和復(fù)位彈簧的彈力，導(dǎo)致閥芯不能正常向下動(dòng)作，控制油經(jīng)油孔c、d、e及泄油口T泄回油箱，進(jìn)而導(dǎo)致操縱閥閥芯仍位于中位，主泵排油泄回油箱，無(wú)法正常轉(zhuǎn)舵。而機(jī)旁手動(dòng)操作時(shí)，因力度較大克服了閥芯的卡阻力、外彈簧彈力及復(fù)位彈簧彈力，直接推動(dòng)了閥芯向下動(dòng)作。而在復(fù)位彈簧的彈力作用下，閥芯可以克服阻力作用自行復(fù)位，所以在故障排除過(guò)程中，機(jī)旁手動(dòng)操作正常后，再次進(jìn)行遙控操作仍存在問(wèn)題。分析結(jié)果表明，這一起舵機(jī)故障是由液壓油內(nèi)雜質(zhì)污染而導(dǎo)致的。

5 預(yù)防措施

從故障分析的結(jié)果可知，液壓油品質(zhì)對(duì)舵機(jī)的影響不容忽視。舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)器磨損下來(lái)的金屬屑、橡膠密封材料的碎片以及水分混入到油中，會(huì)對(duì)液壓油造成污染。此外，液壓油與空氣長(zhǎng)期接觸會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，油品會(huì)逐漸下降。為防止液壓油污染，應(yīng)做好以下幾方面工作:

(1)注意濾器前后壓差，及時(shí)清洗或更換濾器。若發(fā)現(xiàn)濾器里有金屬屑，應(yīng)作出相應(yīng)措施，以便處理內(nèi)部磨損。

(2)濾器清洗時(shí)，取出過(guò)程中應(yīng)謹(jǐn)慎操作，避免濾器內(nèi)雜質(zhì)落入油箱，造成二次污染。

(3)液壓件拆卸維修時(shí)，應(yīng)注意清潔，避免雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)。

(4)每年對(duì)工作油采樣一到兩次，檢查油的品質(zhì)，達(dá)不到性能要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)更換液壓油。

(5)充入的新油要經(jīng)過(guò)精濾，因?yàn)榧词钩鰪S的新油，其清潔度不一定完全符合舵機(jī)液壓系統(tǒng)的使用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某遠(yuǎn)洋船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的組成和各液壓元件的功能進(jìn)行了介紹，并對(duì)液壓系統(tǒng)的操舵原理進(jìn)行了分析。從舵機(jī)液壓系統(tǒng)的故障現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)故障處理的方法和過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)分析先導(dǎo)電磁閥結(jié)構(gòu)原理，表明液壓油內(nèi)雜質(zhì)是引起舵機(jī)故障的原因。液壓油品質(zhì)對(duì)舵機(jī)的影響不容忽視，加強(qiáng)對(duì)包括液壓油在內(nèi)的液壓系統(tǒng)的檢查和維護(hù)，是減少此類故障發(fā)生的關(guān)鍵。

［1］費(fèi)千.船舶輔機(jī)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2005.

［2］張征寶.淺談國(guó)內(nèi)海上航行船舶液壓舵機(jī)的檢驗(yàn)及管理［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011，11(10):6 －9.

［3］于洪亮.船舶動(dòng)力裝置［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2006.

［4］梁福權(quán)，黃應(yīng)邦，林錫坤，等.船舶液壓舵機(jī)的安全檢查及故障分析［J］.中國(guó)水運(yùn)，2013，13(11):156 －157.

［5］李娟.淺談電動(dòng)液壓舵機(jī)的常見(jiàn)故障及排除［J］.科技信息(科學(xué)教研)，2008(23):744 －749.

［6］許賢良.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.