■鄭仲金

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

國際海事組織的《國際海上人命安全公約(SOLAS 公約)》和我國的《鋼質(zhì)海船入級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與建造規(guī)范》對(duì)舵機(jī)的基本要求就是舵機(jī)必須具有足夠的轉(zhuǎn)舵扭矩和轉(zhuǎn)舵速度, 并且在某一部分發(fā)生故障時(shí)能夠迅速采取替代措施,確保操舵能力。

1 泵控型舵機(jī)的組成

在海上航行的船舶, 其舵設(shè)備就是保證船舶按照人的意圖航行在給定的航線上, 確保海船安全航行的一種設(shè)備。 其中，甲板部負(fù)責(zé)的“舵”部分，體現(xiàn)轉(zhuǎn)船力矩(主要取決于三要素：舵葉浸水面積，相對(duì)流速、舵角)能夠改變船舶運(yùn)動(dòng)方向和保持船舶預(yù)定航向； 輪機(jī)部負(fù)責(zé)的 “舵機(jī)”部分，體現(xiàn)轉(zhuǎn)舵扭矩能夠按照操作者要求及時(shí)可靠地使舵偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生要求的舵角；能夠按照操作者要求及時(shí)可靠地使舵把定，維持要求的舵角。

目前船舶日趨大型化,對(duì)舵機(jī)的要求愈發(fā)嚴(yán)格,其主流液壓舵機(jī)的型式是泵控型液壓舵機(jī)。比如，ANSCHUTZ泵控式液壓舵機(jī)，如下圖1 所示。

泵控型液壓舵機(jī)的一般組成包括三部分：轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)。

圖1 ANSCHUTZ 泵控式液壓舵機(jī)

其中， 能夠提供利用電能轉(zhuǎn)換為液壓能并設(shè)置必要保護(hù)與控制裝置的液壓系統(tǒng)是核心部分。 由于舵的偏轉(zhuǎn)方向是通過液壓系統(tǒng)的主泵來實(shí)現(xiàn)的，顧名思義，是泵控型液壓舵機(jī)。典型的泵控型舵機(jī)液壓系統(tǒng)如下圖2 所示。

2 泵控型舵機(jī)的安全工作特點(diǎn)

根據(jù)泵控型舵機(jī)的組成，可以看出：操縱系統(tǒng)向液壓系統(tǒng)傳遞舵令， 液壓系統(tǒng)向轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)提供所需要的液壓能(壓力和流量)，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能轉(zhuǎn)動(dòng)舵使舵葉偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生舵角， 產(chǎn)生的舵角經(jīng)過操縱系統(tǒng)進(jìn)行反饋比較，以達(dá)到最終要求。

顯然，結(jié)合《SOLAS 公約》和《鋼質(zhì)海船入級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與建造規(guī)范》對(duì)舵機(jī)的要求，最主要的關(guān)鍵之處體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)足夠的轉(zhuǎn)舵扭矩——“能轉(zhuǎn)動(dòng)”

舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵扭矩取決于外界對(duì)舵所產(chǎn)生的負(fù)荷。 負(fù)荷越大，轉(zhuǎn)舵扭矩也越大，這樣才能驅(qū)動(dòng)舵葉偏轉(zhuǎn)。 在確定的舵機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸條件下，轉(zhuǎn)舵扭矩越大，意味著舵機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力也越高。對(duì)于泵控型舵機(jī)而言，舵機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力是由變向變量泵來體現(xiàn)的。

圖2 典型的泵控型舵機(jī)液壓系統(tǒng)

①為了能夠體現(xiàn)壓力范圍很大的壓力， 舵機(jī)液壓系統(tǒng)必須有一顆強(qiáng)大的“心臟”——變向變量泵，一般是采用軸向柱塞泵。

軸向柱塞泵是容積式泵， 其產(chǎn)生的壓力理論上可以達(dá)到無窮大，但是，液壓系統(tǒng)管路和其他設(shè)備總會(huì)存在薄弱之處。 為了防止破壞，規(guī)范要求：必須設(shè)置安全閥,安全閥的開啟壓力應(yīng)不小于1.25 倍最大工作壓力, 流量釋放能力應(yīng)不小于泵總流量的110%,壓力的升高值不超過開啟壓力的10%,且不應(yīng)超過設(shè)計(jì)壓力值。

②泵控型舵機(jī)中，產(chǎn)生足夠壓力的軸向柱塞泵，實(shí)現(xiàn)舵葉偏轉(zhuǎn)，由于船舶需要實(shí)現(xiàn)向左和向右偏航，這就要求軸向柱塞泵的變向機(jī)構(gòu)必須可靠。規(guī)范要求：推舵裝置要能夠?qū)崿F(xiàn)左右35°的操作。 考慮到舵角限位器的設(shè)置要求(一般處于36°～37°)，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的管理要求也不容小噓，規(guī)范要求：設(shè)有最大舵角限位器，并設(shè)有限位開關(guān)，使舵到達(dá)最大舵角前就停止。

(2)足夠的轉(zhuǎn)舵速度——“轉(zhuǎn)得快”

舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵速度取決于泵提供的流量。供油量越多，轉(zhuǎn)舵速度也越快。對(duì)于泵控型舵機(jī)而言，變向變量泵要能夠提供足夠的流量。 規(guī)范要求：在最大營運(yùn)航速、滿載工況下,主推舵裝置應(yīng)有足夠的強(qiáng)度與能力,在28s 內(nèi)將舵葉從任一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷30°；輔(應(yīng)急)推舵裝置(動(dòng)力),在滿載1/2 最大航速或7kN(取大值)前進(jìn)時(shí),在60s 內(nèi)將舵葉從任一舷的15°轉(zhuǎn)至另一舷的15°。

①為了盡量增加流量提高轉(zhuǎn)舵速度， 在設(shè)有浮動(dòng)桿追隨機(jī)構(gòu)的泵控型舵機(jī)液壓系統(tǒng)中， 往往考慮副杠桿和儲(chǔ)能彈簧的設(shè)置。

簡單的三點(diǎn)式浮動(dòng)桿比較機(jī)構(gòu)直觀、可靠、簡單、實(shí)用， 是目前海船上泵控式舵機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種比較機(jī)構(gòu)， 其通過控制桿與變向變量泵變向變量機(jī)構(gòu)相連的控制點(diǎn)位移取決于舵令信號(hào)大小， 即泵的供油量取決于舵令信號(hào)，所以操小舵角時(shí)，泵的供油量很小，使舵轉(zhuǎn)動(dòng)得很慢。為此，增加副杠桿，和主杠桿共同鉸接于一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)伺服活塞帶動(dòng)主杠桿的操縱點(diǎn)繞追隨點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 主杠桿通過與副杠桿共同鉸接點(diǎn)帶動(dòng)副杠桿繞固定鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),使控制點(diǎn)也作相應(yīng)的更大位移的移動(dòng)，于是操小舵角時(shí),變向變量泵有足夠的供油量，加快轉(zhuǎn)舵速度，提高小舵角操舵的靈敏度。 如下圖3 所示。

圖3 設(shè)置“副杠桿”的流量與舵角關(guān)系

而當(dāng)操大舵角時(shí),由于信號(hào)大，控制點(diǎn)的位移也需要很大，但是泵的變向變量機(jī)構(gòu)的位移卻是有限，以致于造成操大舵角時(shí)不能連續(xù)進(jìn)行。為此，在舵柄和反饋杠桿追隨點(diǎn)間設(shè)置儲(chǔ)能彈簧。操大舵角時(shí)，在操縱點(diǎn)移動(dòng)到一定位置，控制點(diǎn)移動(dòng)到最大行程所對(duì)應(yīng)的位置后，控制點(diǎn)保持在位置不動(dòng)，操縱點(diǎn)繼續(xù)移動(dòng)，追隨點(diǎn)通過壓縮儲(chǔ)能彈簧而使相應(yīng)行程被儲(chǔ)存， 從而使操舵動(dòng)作得以一次性完成。 隨著舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)能彈簧逐漸恢復(fù)原來長度。 從彈簧被壓縮開始到恢復(fù)原來長度為止， 變向變量泵一直處于最大排量下工作， 從而使得變向變量泵有較長時(shí)間處在大排量下工作，保證了轉(zhuǎn)舵速度。彈簧恢復(fù)原來長度后到舵葉轉(zhuǎn)到指令舵角這過程中, 杠桿以最終操縱點(diǎn)為支點(diǎn)擺動(dòng)，當(dāng)追隨點(diǎn)到達(dá)指定舵令所體現(xiàn)的位置時(shí),控制點(diǎn)正好被拉到零位， 變向變量泵排量為零， 舵葉停在指令舵角。 如下圖4 所示。 顯然，儲(chǔ)能彈簧是一個(gè)雙向受壓的彈簧， 即不論彈簧兩側(cè)桿件端點(diǎn)間的距離因受拉而伸長還是因受壓而縮短，彈簧均受壓。 儲(chǔ)能彈簧不能太軟，否則可能使追隨點(diǎn)先于控制點(diǎn)而移動(dòng)， 小舵角操舵也就無法進(jìn)行；儲(chǔ)能彈簧也不能太硬，否則大舵角操舵所需的操舵力又會(huì)太大，如果無法達(dá)到，則反饋桿實(shí)際上相當(dāng)于一根剛性桿，儲(chǔ)能彈簧不起作用,大舵角操舵難以一次完成。

圖4 設(shè)置“儲(chǔ)能彈簧”的流量與舵角關(guān)系

②在泵控型舵機(jī)液壓系統(tǒng)中， 除了軸向柱塞泵自身進(jìn)行調(diào)節(jié)流量之外， 一般是設(shè)有兩套推舵裝置或者兩臺(tái)及以上相同的動(dòng)力設(shè)備，在特殊海域或者繁忙航道，就可以實(shí)現(xiàn)雙泵工作，提供差不多2 倍的流量了，這樣就增加船舶航行的機(jī)動(dòng)性。

(3)可靠的替代措施——“你不轉(zhuǎn)，我來轉(zhuǎn)”

舵設(shè)備是船舶常見的關(guān)鍵性設(shè)備之一。為了安全，其中很多關(guān)鍵的環(huán)節(jié)都要求采取可靠的替代措施。 規(guī)范要求：

①應(yīng)設(shè)一套主推舵裝置和一套輔推舵裝置， 其中一套發(fā)生故障時(shí)不致引起另一套也失效。

當(dāng)主推舵裝置備有兩臺(tái)及以上相同的動(dòng)力設(shè)備，又滿足下列條件時(shí)，也可不設(shè)輔操舵裝置：當(dāng)管系或一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單項(xiàng)故障時(shí)應(yīng)能將缺陷隔離， 以使操舵能力保持或迅速恢復(fù)； 對(duì)于客船， 當(dāng)任一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備不工作時(shí)，或?qū)τ谪洿?，?dāng)所有動(dòng)力設(shè)備都工作時(shí)，應(yīng)能滿足對(duì)主推舵裝置的要求。 但1 萬總噸以上油船、化學(xué)品船,液化氣運(yùn)輸船和7 萬總噸及以上的船舶除外。

②1 萬總噸以上油船、化學(xué)品船和液化氣運(yùn)輸船和7萬總噸及以上其他船， 其主推舵裝置要求具有兩臺(tái)獨(dú)立的動(dòng)力設(shè)備，設(shè)有自動(dòng)隔離裝置，當(dāng)出現(xiàn)故障(重大機(jī)損除外)時(shí)能在45s 內(nèi)恢復(fù)轉(zhuǎn)舵能力。

③舵機(jī)應(yīng)具有兩套以上操縱裝置,并可在多處(舵機(jī)房、駕駛室)實(shí)現(xiàn)操舵。

④可靠的應(yīng)急動(dòng)力：舵桿直徑大于230mm 的所有船舶, 應(yīng)設(shè)有能在45s 內(nèi)向推舵裝置自動(dòng)提供替代動(dòng)力源(應(yīng)急電源),并至少可供工作30min (1 萬總噸以上),而其它船舶為10min。

3 舵機(jī)故障的警示

下文，結(jié)合最近的一則海事信息，說明舵機(jī)失靈的危害和應(yīng)該注意的事項(xiàng)。 本次舵機(jī)失靈的技術(shù)原因在于應(yīng)急動(dòng)力環(huán)節(jié)的失效。

（1)事故經(jīng)過

據(jù)寧波海事信息，2019 年9 月23 日0333 時(shí)左右，由廣州駛往寧波的干貨船“Z”輪抵達(dá)寧波港螺頭角水域附近，航向337°，航速7.6 節(jié)，準(zhǔn)備去野鴨山錨地拋錨。 與此同時(shí)，由陽江駛往江陰的干貨船“C”輪在該輪左后方0.3海里同向航行。

0340 時(shí)左右，“Z”輪船舶失電，舵機(jī)失靈，船舶受到風(fēng)流影響大幅度左轉(zhuǎn)，船長隨即停車減速，指示大副去船頭拋錨，“C”輪發(fā)現(xiàn)“Z”輪異常的大幅向左轉(zhuǎn)向，立即停車左滿舵避讓。

0344 時(shí)左右，“Z”輪船首左舷碰撞“C”船首右舷。 事故造成“Z”輪左錨鏈孔部分凹陷破損，駕駛臺(tái)前左舷舷墻凹陷(如下圖5 所示)；“C”輪一艙右舷肋板破裂進(jìn)水，甲板舷墻破損(如下圖6 所示)。 所幸兩船均無人員傷亡。

圖5 “Z”輪左錨鏈孔凹陷破損

圖6 “C”輪甲板舷墻破損

(2)原因分析

①海員通常做法和當(dāng)時(shí)特殊情況要求戒備上的疏忽：“Z”輪存在對(duì)海員通常做法和當(dāng)時(shí)特殊情況要求戒備上的疏忽。“Z”輪在進(jìn)入港區(qū)備車航行過程中僅開啟一臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)線圈整流器損壞引起全船失電，導(dǎo)致舵機(jī)失靈，發(fā)生碰撞事故。船舶舵機(jī)失靈后船長未及時(shí)顯示船舶失控號(hào)燈號(hào)型，未立即通報(bào)他船，沒有緊急啟動(dòng)應(yīng)急舵操縱船舶。

②瞭望疏忽：“C”輪存在瞭望疏忽的過失，“C”輪值班駕駛員認(rèn)為“Z”輪去錨地拋錨，同向航行無碰撞危險(xiǎn)，未對(duì)近距離船舶“Z”輪保持系統(tǒng)觀測(cè)。

(3)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

①應(yīng)急發(fā)電機(jī)的檢查和保養(yǎng)。在艙室內(nèi)檢查，確認(rèn)在0℃以下能啟動(dòng)；試驗(yàn)斷電自動(dòng)及手動(dòng)啟動(dòng)功能、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)半小時(shí)、 應(yīng)急配電板效能試驗(yàn)供應(yīng)應(yīng)急消防泵及舵機(jī)使用。

②應(yīng)急操舵系統(tǒng)的檢查和保養(yǎng)。 船舶應(yīng)當(dāng)至少在每季度內(nèi)進(jìn)行應(yīng)急操舵演習(xí)， 試驗(yàn)正常操舵與應(yīng)急操舵的相互轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

泵控型舵機(jī)， 有著良好的工作性能和廣闊的使用前景，熟悉其結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，有助于輪機(jī)員對(duì)其安全狀態(tài)有個(gè)明確的判斷。在日常工作中，船員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)泵控型舵設(shè)備的維修保養(yǎng)工作，防止出現(xiàn)舵機(jī)故障，保障船舶航行安全；應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)良好船藝的培養(yǎng)，比如在港區(qū)航行時(shí)開啟雙泵工作，防止單泵系統(tǒng)突發(fā)故障導(dǎo)致事故；應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)船舶應(yīng)急演練， 船舶發(fā)生事故險(xiǎn)情時(shí)按照應(yīng)急程序有條不紊采取應(yīng)急措施， 防止出現(xiàn)慌亂從而錯(cuò)過最佳補(bǔ)救時(shí)機(jī)的情況。