溫燕星

(湛江海濱船廠,廣東 湛江 524000)

汽蝕是一種常見的船舶材料腐蝕現(xiàn)象，對(duì)船舶流體設(shè)備造成極大破壞，導(dǎo)致船舶設(shè)備部件功能下降，嚴(yán)重影響船舶設(shè)備的運(yùn)行安全和船舶行駛安全。汽蝕現(xiàn)象通常發(fā)生在液體絕對(duì)壓力值達(dá)到了其氣化壓力值的情況?，F(xiàn)代船舶幾乎全部采用舵機(jī)液壓系統(tǒng)，舵機(jī)液壓系統(tǒng)是利用液體的不可壓縮性及流量、流向的可控性來達(dá)到操舵的目的，因此當(dāng)舵處在交變復(fù)雜的工作環(huán)境，舵機(jī)液壓系統(tǒng)的液壓油容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。本文通過某船案例，分析舵機(jī)液壓系統(tǒng)汽蝕發(fā)生的條件以及預(yù)防措施。

1 故障現(xiàn)象

某船在南海惡劣海況下進(jìn)行高速航行，在大舵角轉(zhuǎn)舵時(shí)，從左滿舵到右滿舵或者右滿舵到左滿舵，舵機(jī)液壓系統(tǒng)在0位、或者越過0位23°左右時(shí)，屢次強(qiáng)烈振動(dòng)及發(fā)出刺耳的嘈雜聲，柱塞運(yùn)行偶有短暫停止。該現(xiàn)象有時(shí)會(huì)持續(xù)若干秒。當(dāng)該船靠泊碼頭后，工作人員在舵機(jī)艙簡(jiǎn)操，舵機(jī)液壓系統(tǒng)表現(xiàn)良好，無振動(dòng)及噪聲。

2 原因分析

2.1 舵機(jī)液壓系統(tǒng)型式

舵機(jī)液壓系統(tǒng)的型式有2種，一種是開式，一種是閉式。閉式舵機(jī)液壓系統(tǒng)特點(diǎn)是油泵的吸、排油口直接與液壓執(zhí)行元件的進(jìn)出油口相連，形成一個(gè)閉合循環(huán)。為了補(bǔ)償泄漏損失，通常需要一個(gè)輔助補(bǔ)償油泵和油箱[1]。閉式舵機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 閉式舵機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖

某船的舵機(jī)液壓系統(tǒng)型式是閉式，其單泵組舵機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 某船單泵組舵機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理圖

2.2 工作原理

主油泵的吸/排口經(jīng)過換向滑閥,分別與舵液壓缸的2個(gè)腔連接。主油泵是雙向變量柱塞泵。當(dāng)柱塞從左舷往右舷運(yùn)動(dòng)時(shí)，主油泵排口排出的高壓油經(jīng)過換向滑閥右位進(jìn)入液壓油缸的左側(cè)油缸，柱塞往右運(yùn)動(dòng)；液壓油缸的右側(cè)油缸的低壓油，通過換向滑閥右位，回到主油泵的吸口；當(dāng)柱塞達(dá)到右邊的限位，且主油泵變量機(jī)構(gòu)中位時(shí)，吸口、排口既不吸油也不排油。當(dāng)主油泵變量機(jī)構(gòu)變向后，主油泵吸口變?yōu)榕趴?，排出的高壓油?jīng)過換向滑閥左位進(jìn)入液壓油缸左側(cè)油缸，推動(dòng)柱塞往左運(yùn)動(dòng)，舵液壓缸的右側(cè)油缸的低壓油則回到主油泵的吸口，依次循環(huán)。

輔油泵排出的液壓油分2路，經(jīng)過單向閥1和單向閥2，分別進(jìn)入主油泵的吸口/排口的管路中。

2.3 舵機(jī)液壓系統(tǒng)

舵機(jī)液壓系統(tǒng)主油路分成2個(gè)獨(dú)立的液壓油路，一是主油泵的排油口經(jīng)過管路、換向滑閥到舵液壓缸的高壓腔；另一路是舵液壓缸低壓腔，經(jīng)過管路、換向滑閥到主油泵的吸口。

輔油泵的補(bǔ)油液壓油路主要是輔油泵從油箱吸油，然后排出，分兩路，經(jīng)單向閥1、單向閥2，分別接入2個(gè)獨(dú)立的主油路。

主油泵是柱塞泵型式，在運(yùn)行中都有內(nèi)泄。因此，主油泵吸入液壓油流量，用Q主吸表示；主油泵的排量，用Q主排表示；主油泵的泄漏量，用Q主泄表示,單位均為m3/h。三者關(guān)系即：

Q主吸=Q主排+Q主泄。

(1)

當(dāng)舵機(jī)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，高壓油路接收到的是主油泵排出的液壓油。由于輔油泵補(bǔ)油路的單向閥限制，高壓油路的液壓油只能進(jìn)入舵液壓缸的高壓腔，推動(dòng)柱塞運(yùn)行。此時(shí)，舵機(jī)液壓系統(tǒng)低壓油路接收到的液壓油流量，用Q低油路表示；低壓腔的柱塞位移容積排量，用Q柱排表示；輔油泵往主油路補(bǔ)給的流量，用Q輔補(bǔ)表示，單位均為m3/h。

低壓油路接收的液壓油流量表達(dá)關(guān)系，即：

Q低油路=Q柱排+Q輔補(bǔ)。

(2)

2.4 柱塞受力分析

舵液壓缸的油腔可作為一個(gè)厚壁圓筒壓力容器，舵液壓缸內(nèi)部壓力示意圖見圖3。當(dāng)舵液壓缸的液壓壓力為P時(shí)，舵液壓缸截面半徑為r的圓柱面上點(diǎn)的徑向位移Δr表達(dá)公式為：

圖3 舵液壓缸內(nèi)部壓力示意圖

(3)

式中，P為舵液壓缸液壓壓力,Pa；E為舵液壓缸材料彈性模量,Pa；μ為舵液壓缸材料泊松比；r1為舵液壓缸內(nèi)徑,m；r2為舵液壓缸外徑,m。

從公式(3)可見，舵液壓缸的徑向位移Δr與舵液壓缸的液壓壓力P成正比，P值越大則Δr越大。此時(shí)具有一定容積長(zhǎng)度l的舵液壓缸容積增量，用ΔV缸表示：

ΔV缸=2πr0Δr0l

(4)

式中，r0為舵液壓缸內(nèi)孔半徑，m；Δr0為舵液壓缸內(nèi)孔半徑膨脹量，m。

ΔV缸=cPl,

(5)

式中，c為舵液壓缸缸徑截面壓力系數(shù)，m2/Pa。

舵液壓缸的容積增量是主油泵的排量和工作時(shí)長(zhǎng)t的結(jié)果，則：

ΔV缸=Q主排t，

(6)

式中，t為運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度，s。

由公式(5)、(6)，得：

(7)

舵液壓油缸分別命名為進(jìn)油腔A和回油腔B。舵和柱塞的質(zhì)量質(zhì)心,用M表示。假設(shè)舵受到的外力集中反映到柱塞上，用FM表示。柱塞在軸線方向還受2個(gè)力，一個(gè)是進(jìn)油腔A高壓油給予的推力，用FA表示，另一個(gè)是回油腔B低壓油給予的推力，用FB表示，舵液壓缸受力示意圖見圖4。

圖4 舵液壓缸受力示意圖

FM、FA、FB都是隨時(shí)間t變化的，因此是時(shí)間的函數(shù)，分別用FM(t)、FA(t)、FB(t)表示，其柱塞的受力公式表達(dá)式如下：

FA(t)+FM(t)+FB(t)=ma(t)，

(8)

vt(t)=v0+a(t)t，

(9)

式中，F(xiàn)A(t)為t時(shí)刻進(jìn)油腔的液壓油對(duì)柱塞的推力,N；FM(t)為t時(shí)刻舵裝置作用在柱塞的負(fù)載，N；FB(t)為t時(shí)刻回油腔的液壓油對(duì)柱塞的推力，N；m為舵裝置及柱塞的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量,kg；vt(t)為質(zhì)點(diǎn)t時(shí)刻的運(yùn)行速度,m/s；v0為質(zhì)點(diǎn)t0時(shí)刻的初始速度,m/s；a(t)為質(zhì)點(diǎn)t時(shí)刻的加速度，m/s2。

2.5 舵負(fù)載發(fā)生變化時(shí)的分析

假設(shè)t=0時(shí)，柱塞以v0恒速?gòu)淖笸疫\(yùn)動(dòng)。設(shè)柱塞運(yùn)行方向?yàn)檎较?，用x表示，如圖4中所示。恒速運(yùn)動(dòng)的條件是低壓油路接收液壓油流量Q低油路與主油泵吸入流量Q主吸相等，即：

Q主吸=Q低油路=Q柱排+Q輔補(bǔ)。

(10)

此時(shí)，舵液壓缸的A腔液壓壓力用PA0表示，對(duì)柱塞的推力為FA(t0)；B腔液壓壓力用PB0表示，對(duì)柱塞的推力為FB(t0)；舵的作用力為FM(t0)，三者合力為0,即FA(t0)+FM(t0)+FB(t0)= 0。

當(dāng)柱塞質(zhì)點(diǎn)上FM(t)作用力出現(xiàn)劇烈變化時(shí)，舵機(jī)液壓系統(tǒng)各油路的液壓流量和液壓壓力的變化分析如下。

1)當(dāng)FM(t)的方向與柱塞運(yùn)行方向相同，F(xiàn)M(t)?FM(0)，且FM(t)為恒值時(shí)，由于FM(t)的方向與柱塞運(yùn)行方向相同，根據(jù)公式(9)，柱塞加速度a(t)的方向?yàn)檎?。由于FM(t)?FM(0)，則柱塞的加速度瞬間變大。又因?yàn)橐簤河偷牟豢蓧嚎s性且主油泵的吸油流量為恒值，則B腔里液壓壓力在FM(t)作用力下瞬間從PB0上升到PBt,液壓缸B腔的增壓PBt反作用在柱塞上，直至FA(t)+FM(t)-FB(t)= 0，柱塞恢復(fù)到初始速度v0運(yùn)行。此時(shí)舵液壓缸 B腔的內(nèi)徑增加，柱塞瞬間加速而后恢復(fù)到初始速度，液壓缸A腔液壓壓力瞬間降低又恢復(fù)正常。

綜上所述，在外力FM(t)正作用下，設(shè)柱塞正加速度a到0的時(shí)間段為Δt。在Δt期間，外力FM(t)使低壓油路液壓壓力上升，液壓缸B腔容積增大；由于主油泵吸油流量恒定，低壓油路接收的液壓油流量不變，外力FM(t)正作用下的柱塞往低壓油路排的液壓流量全部轉(zhuǎn)化為液壓缸B腔的容積增量；高壓油路壓力瞬間出現(xiàn)脈沖式下降，然后恢復(fù)至初始值，接收到的流量不變，為主油泵的排量Q主排。因此外力FM(t)對(duì)舵機(jī)液壓系統(tǒng)影響不大。

2)FM(t)的方向與柱塞運(yùn)行方向相反，且FM(t)?FM(0)時(shí)，F(xiàn)M(t)的方向與柱塞運(yùn)行方向相反，則柱塞加速度a(t)為負(fù)值。則公式(9)變?yōu)椋?/p>

vt(t)-v0=-a(t)t。

(11)

兩邊乘以柱塞的截面受力面積,則變?yōu)椋?/p>

vt(t)S柱-v0S柱=-a(t)tS柱，

Q柱排(t)-Q柱排(0)=-a(t)tS柱，

(12)

式中，S柱為柱塞截面受力面積，m2。

由公式(12)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)FM(t)的方向與柱塞運(yùn)行方向相反時(shí)，則柱塞往低壓油路排的液壓油流量會(huì)減少。令：

ΔQ柱排(t)=S柱a(t)t。

(13)

低壓油路管系空間是由氣體體積V空和液體體積V液組成的。在低壓油路管系充滿液壓油且氣體溶解在液壓油里面時(shí)，則V空≈0，氣壓等于液壓；當(dāng)t時(shí)刻低壓油管路接收的液壓油流量小于主油泵的液壓油吸入量時(shí)，則溶解在液壓油里的氣體溢出，氣體體積就膨脹變大，根據(jù)壓強(qiáng)連通原理，氣壓等于液壓。氣體常數(shù)公式PV=常數(shù)，則：

P0V0=PtVt，

(14)

式中，P0為t=0時(shí)的氣體壓力，與液壓壓力同值，MPa;Pt為t時(shí)的氣體壓力，與液壓壓力同值，MPa;V0為t=0時(shí)的氣體體積，m3;Vt為t時(shí)的氣體體積，m3。

在外力FM(t)反作用下，當(dāng)Q主吸(t)>Q柱排(t)+Q輔補(bǔ)(t)時(shí)，低壓油路管系內(nèi)的液壓油體積減小，氣體體積增大。隨著液體體積的減小，氣體體積膨脹達(dá)到一定程度時(shí)，氣體的絕對(duì)壓力值將達(dá)到液壓油飽和氣化絕對(duì)壓力值。水蒸氣和溶解在液壓油中的空氣溢出，氣泡大量產(chǎn)生后又破裂，發(fā)生了汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致低壓油路管系內(nèi)產(chǎn)生響聲和振動(dòng)。

2.6 液壓油汽蝕現(xiàn)象

低壓管路管系液壓油發(fā)生汽蝕現(xiàn)象主要原因是液壓油絕對(duì)壓力低于液壓油飽和氣化絕對(duì)壓力。在FM(t)反作用下，柱塞作減速運(yùn)動(dòng)，改變了低壓油路液壓油流量。

若FM(t)?FB(t)，則以下算式將FB(t)忽略。從公式(8)可以得出，

a(t)=[FA(t)-FM(t)]/m

=S柱[P(t)-PMt]/m，

(15)

式中，PMt為外力FM(t)作用在柱塞截面積的壓強(qiáng)，Pa；m為舵所有相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)件質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，kg。

舵液壓缸的即時(shí)壓力是時(shí)間的函數(shù)，則公式(7)變化為：

(16)

代入公式(15)得出:

(17)

將公式(17)代入公式(13)，得：

(18)

從公式(18)可以看出，ΔQ柱排(t)是時(shí)間t的一元二次方程函數(shù)，有一個(gè)最大值ΔQ最大值,即：

(19)

從公式(19)可以發(fā)現(xiàn)，主油泵的排量越大，則ΔQ最大值就越?。划?dāng)FA(t)與液壓缸對(duì)柱塞初始推力的差值(用壓強(qiáng)表示)、液壓缸A腔容積(用液壓缸容積長(zhǎng)度l表示)越大時(shí)，則ΔQ最大值就越大。

當(dāng)外力FM(t)反作用下，柱塞運(yùn)行阻滯，導(dǎo)致主油泵吸入流量Q主吸(t)大于柱塞位移排量Q柱排(t)和輔油泵排量Q輔補(bǔ)(t)之和時(shí)，則輔油泵的排量小于主油泵的泄漏量和柱塞位移排量，即：

Q輔補(bǔ)(t)

(20)

若主油泵的泄漏量和排量為恒定時(shí)，則輔油泵補(bǔ)充給低壓油路的液壓流量低于柱塞減速后的液壓油空缺量，低壓油路將產(chǎn)生真空，發(fā)生液體汽蝕現(xiàn)象，同時(shí)導(dǎo)致柱塞運(yùn)行過程中出現(xiàn)卡滯停頓現(xiàn)象。

綜上所述，液壓舵機(jī)閉式液壓系統(tǒng)里，低壓油回路產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的因素有：主泵的排量、輔油泵的排量、外力、液壓缸壓力腔的容積和初始?jí)毫Α?/p>

3 結(jié)束語

在故障排查時(shí)，檢測(cè)了該船的輔油泵流量，發(fā)現(xiàn)輔油泵的排量比標(biāo)定的排量少了4 L。

裝船的液壓舵機(jī)在設(shè)計(jì)上是滿足要求的，由于長(zhǎng)時(shí)間使用，導(dǎo)致了泵、管系產(chǎn)生了磨損，導(dǎo)致了低壓油回路的流量減少，低于主油泵吸入流量，特別是主油泵和輔油泵的性能下降時(shí)。液體汽蝕現(xiàn)象對(duì)液壓泵設(shè)備、管路系統(tǒng)是有危害的，它會(huì)腐蝕液壓泵零部件和管壁，甚至震斷管路，產(chǎn)生影響人體健康的高倍音頻。針對(duì)液壓舵機(jī)修理，提出以下建議：①主油泵、輔油泵修理后，應(yīng)作排量性能試驗(yàn)；②主油泵(柱塞泵)修理時(shí)，應(yīng)注意柱塞與襯套的配合間隙，配流盤的密性；③對(duì)液壓管路接頭、閥門檢漏；④管路應(yīng)避免過長(zhǎng)，管壁避免采用薄壁無縫鋼管。