曾令林

(湛江海濱船廠 ,廣東 湛江 524005)

1 設(shè)備安裝布置

某船艏側(cè)推裝置實(shí)船安裝布置示意圖如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)包括：主電機(jī)及控制部分、側(cè)推機(jī)械裝置、液壓泵站及螺距控制部分。螺旋槳布置于船首右側(cè)，從槳轂油缸一側(cè)看，螺旋槳在槳軸帶動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。槳轂內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，當(dāng)槳葉處于正車螺距，艏側(cè)推向右推水，發(fā)出推力向左；當(dāng)槳葉處于倒車螺距，艏側(cè)推向左推水，發(fā)出推力向右，從而保證該船?？看a頭、離開(kāi)碼頭和在海上執(zhí)行任務(wù)需要。

圖1 艏側(cè)推裝置實(shí)船安裝布置示意圖

圖2 槳轂內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障概述

該船進(jìn)我廠修理，按工程明細(xì)內(nèi)容，艏側(cè)推裝置修理工程為原地檢查，第1次進(jìn)塢發(fā)現(xiàn)艏側(cè)推裝置槳軸的油封漏油。更換槳軸的油封需要將艏側(cè)推裝置槳轂橫軸部分拆卸下來(lái)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的錐齒輪已崩齒損壞，同時(shí)對(duì)艏側(cè)推裝置進(jìn)行擴(kuò)大修理，對(duì)槳轂部分進(jìn)行了全面檢修。

全面檢修回裝完整后，5月31日我廠組織人員對(duì)艏側(cè)推裝置進(jìn)行系泊試驗(yàn)，艏側(cè)推裝置液壓系統(tǒng)壓力約為2.5 MPa，螺距從零位到左最大、右最大位置所需時(shí)間均為3 s，連續(xù)運(yùn)行30 min，測(cè)得驅(qū)動(dòng)軸軸承溫度為55℃，艏側(cè)推裝置聲音、震動(dòng)均正常。出塢后進(jìn)行系泊試驗(yàn)和3次機(jī)動(dòng)防臺(tái)風(fēng)航行試驗(yàn)，艏側(cè)推裝置均能滿足正常使用要求，但存在如下問(wèn)題：①操作手柄打滿左螺距時(shí)，最大電流為800 A，未超設(shè)定極限值，電流比較穩(wěn)定；②操作手柄打滿右螺距時(shí)，電流升至800 A以上，超設(shè)定極限值報(bào)警，在約92%螺距位置電流反復(fù)波動(dòng)。

我廠認(rèn)為對(duì)此電流報(bào)警和調(diào)整是由模塊控制的，該模塊的相關(guān)參數(shù)需要手持終端進(jìn)行調(diào)整，由于我廠沒(méi)有相關(guān)設(shè)備，既無(wú)法取得該模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，也無(wú)法對(duì)該模塊進(jìn)行調(diào)整。因此我廠外請(qǐng)艏側(cè)推裝置電氣廠家上船進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和系統(tǒng)調(diào)試。8月1日電氣廠家服務(wù)人員上船后先到駕駛室檢查操縱部分，操縱操作手柄，艏側(cè)推裝置能滿足正常使用要求，仍然是打滿右螺距時(shí)，電流升至800 A以上，超設(shè)定極限值報(bào)警，在約92%螺距位置電流反復(fù)波動(dòng)。電氣廠家服務(wù)人員到艏側(cè)推艙機(jī)旁后，首先調(diào)試液壓系統(tǒng)的溢流閥，再用螺絲刀手動(dòng)操縱電磁換向閥并用手機(jī)記錄變距時(shí)間，剛開(kāi)始左、右螺距均能操作并能達(dá)最大止檔位置。原來(lái)左螺距最大止檔位置到右螺距最大止檔位置時(shí)間為11.9 s，經(jīng)調(diào)整后為10.5 s，此時(shí)機(jī)旁的壓力表顯示最大工作壓力達(dá)10 MPa(壓力表量程最大為10 MPa，系統(tǒng)額定工作壓力4 MPa)。此后用螺絲刀操縱電磁換向閥，向右操縱螺距能到右螺距最大止檔位置，反向操縱螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能歸零或到左螺距最大止檔位置。

我廠對(duì)此故障安排專業(yè)液壓師傅上船排查，拆檢全部液壓閥組并清潔保養(yǎng)，未發(fā)現(xiàn)異常。電磁換向閥至艏側(cè)推裝置油缸的2路液壓管進(jìn)行對(duì)調(diào)試驗(yàn)，仍然是向右操縱螺距能到右螺距最大止檔位置，反向操縱螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能歸零或到左螺距最大止檔位置。初步確定為艏側(cè)推裝置水線下內(nèi)部動(dòng)力液壓部分故障。8月5日我廠外請(qǐng)艏側(cè)推裝置液壓部分服務(wù)人員上船排查，液壓部分服務(wù)人員進(jìn)行了一系列檢查，排除了液壓部分低壓腔的故障，將故障確定為艏側(cè)推裝置水線下內(nèi)部動(dòng)力液壓部分故障，并且需進(jìn)塢檢修。

9月29日，該船第2次進(jìn)塢檢修艏側(cè)推裝置，發(fā)現(xiàn)艏側(cè)推裝置槳轂內(nèi)部活塞桿尾部螺紋退刀槽處斷裂。由于該活塞桿無(wú)備件，需重新訂購(gòu)，并且生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)1個(gè)多月，因此我廠對(duì)槳轂液壓部分進(jìn)行拆卸和回廠檢修，加裝封板封住艏側(cè)推裝置槳轂液壓部分后出塢。

3 原因分析

首先，檢查該艏側(cè)推裝置活塞桿制造生產(chǎn)情況。我廠聯(lián)系艏側(cè)推裝置制造廠家并了解到，該活塞桿是根據(jù)KAMEWA的許可證圖紙950042Ag生產(chǎn)，KAMEWA圖紙中材料按瑞典標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，根據(jù)KAMEWA公司的圖紙，艏側(cè)推裝置制造廠家進(jìn)行了材料的國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的原則是：保證材料的種類相同、成分相近、性能相當(dāng)。按球墨鑄鐵中外牌號(hào)對(duì)照，選用的國(guó)內(nèi)材料是QT500-7(GB/T1348-2009《球墨鑄鐵件》)，具體機(jī)械性能參照?qǐng)D紙執(zhí)行，抗拉強(qiáng)度σb=500 MPa，屈服強(qiáng)度σs=350 MPa，延伸率δ≥7%。

活塞桿桿端尺寸示意圖如圖3所示。以活塞厚度35 mm為界限，當(dāng)活塞推動(dòng)活塞桿向正車調(diào)距(手柄操左螺距)，其D75f6軸肩端受壓，但達(dá)到止檔以后，活塞直接與槳轂貼平，活塞桿不承受活塞的壓力；當(dāng)活塞推動(dòng)活塞桿向倒車螺距(手柄操右螺距)，活塞螺母受壓，活塞螺母與活塞桿通過(guò)螺紋連接，桿端承受拉力，即便到達(dá)止檔以后，活塞桿與槳轂貼平，桿端這段仍承受拉力。

圖3 活塞桿桿端尺寸示意圖

根據(jù)圖3可知，當(dāng)桿端受到拉力時(shí)，在距右端面20～22 mm的局部位置，該處整個(gè)截面積最小，是整個(gè)活塞桿的薄弱截面。從故障現(xiàn)象看，正是該處發(fā)生的斷裂。

從斷口的宏觀形貌看，在薄弱截面處屬于脆性斷裂。這與該材質(zhì)本身有關(guān)，球墨鑄鐵QT500-7強(qiáng)度與塑性中等，材質(zhì)脆性較大，不耐受敲擊或其它沖擊。

我廠10月8日發(fā)到艏側(cè)推裝置制造廠家的傳真中所附《某船艏側(cè)推裝置修理調(diào)試情況說(shuō)明》，對(duì)整個(gè)艏側(cè)推的修理及調(diào)試過(guò)程進(jìn)行了較為詳實(shí)的記述，其中記載了2點(diǎn)事實(shí)：①我廠對(duì)艏側(cè)推裝置進(jìn)行拆解修理，并恢復(fù)安裝，過(guò)程中對(duì)活塞桿進(jìn)行磁粉探傷，經(jīng)檢測(cè)，表面無(wú)裂紋性缺陷；②我廠外請(qǐng)艏側(cè)推裝置電氣廠家服務(wù)人員參與調(diào)試，電氣廠家服務(wù)人員擅自對(duì)泵站的溢流閥進(jìn)行調(diào)定，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員反饋，壓力表讀數(shù)曾超過(guò)10 MPa(即壓力表的最大量程)，在調(diào)試中途隨之發(fā)生了9月29日拆檢前的故障現(xiàn)象。

從受力分析判斷，應(yīng)是在倒車止檔(右止檔)時(shí)，活塞桿桿端受到?jīng)_擊，隨后發(fā)生了斷裂?；钊麠U到倒車行程止檔(右止檔)時(shí)受力示意圖如圖4所示，十字頭部分的右側(cè)端面與槳轂貼平，系統(tǒng)壓力快速升到最大調(diào)定壓力，活塞對(duì)活塞桿的桿端拉力也達(dá)最大。

圖4 活塞桿到倒車行程止檔(右止檔)時(shí)受力示意圖

活塞桿薄弱截面的有關(guān)尺寸及油缸的有關(guān)尺寸見(jiàn)圖4。若活塞桿承受正向拉力斷裂，其首先需克服材質(zhì)的屈服極限，屈服極限取值350 MPa，活塞桿在薄弱截面處拉斷時(shí)對(duì)應(yīng)的活塞左側(cè)油液壓力(即系統(tǒng)壓力)設(shè)為P沖擊，設(shè)薄弱截面的面積S薄弱，活塞有桿腔一側(cè)的有效截面積S活塞，P沖擊的求解公式如下：

(1)

溢流閥的型號(hào)為DBDS10K10/10，壓力表的最大量程，額定工作壓力4 MPa。經(jīng)與供應(yīng)商確認(rèn)，該直動(dòng)型溢流閥的壓力可以調(diào)定到10.5～11.0 MPa，但仍小于P沖擊。進(jìn)一步分析原因，可能需要考慮到在溢流閥工作的瞬間存在超調(diào)壓力，超調(diào)壓力指的是系統(tǒng)油液壓力超出調(diào)整壓力的值，是由慣性和阻尼作用產(chǎn)生的。查詢機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10374-2013《液壓溢流閥》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)瞬態(tài)特性的性能指標(biāo)，對(duì)于公稱通徑10 mm、公稱壓力10 MPa的直動(dòng)型溢流閥(DBDS10K10/10的物理接口屬于該型)，要求壓力超調(diào)率≤80%。若溢流閥的設(shè)定壓力取10.5 MPa，壓力超調(diào)率取73%，則系統(tǒng)壓力可超過(guò)18.135 MPa，而瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間≤50 ms，也基本符合沖擊斷裂的假設(shè)。

但是在《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：瞬態(tài)特性劃歸型式試驗(yàn)的范疇。經(jīng)咨詢，供應(yīng)商并無(wú)參考數(shù)值，因此不能定量計(jì)算。但是卻可作為定性分析，結(jié)合過(guò)程事實(shí)，說(shuō)明溢流閥的壓力設(shè)定超10 MPa并在建立壓力的瞬間產(chǎn)生沖擊是活塞桿斷裂的直接原因。

其次，在9月29日現(xiàn)場(chǎng)拆檢時(shí)，外觀檢查中發(fā)現(xiàn)在活塞螺母的凹槽處有局部沖擊變形的特征，活塞螺母凹槽處沖擊變形圖如圖5所示，凹槽左側(cè)和右側(cè)的變形清晰可見(jiàn)，推測(cè)分別是在拆卸和回裝活塞螺母過(guò)程中，由我廠安裝時(shí)操作不當(dāng)所產(chǎn)生。

圖5 活塞螺母凹槽處沖擊變形圖

活塞螺母安裝及鉤形扳手示意圖如圖6所示，活塞螺母安裝于活塞桿端部，鎖緊之后一側(cè)與活塞端面貼平。其結(jié)構(gòu)類似圓螺母，外形尺寸D88，外圈有4處寬7 mm、深3 mm的凹槽。因活塞桿材料為球墨鑄鐵QT500-7，若盲目采用敲擊4處凹槽的方法拆卸和鎖緊，在敲擊過(guò)程中，其形成的沖擊可能引發(fā)材質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，而磁粉探傷過(guò)程能檢查表面，卻不能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋，一旦發(fā)生活塞桿在桿端受沖擊力過(guò)大，內(nèi)部裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，使用中會(huì)存在拉斷的潛在風(fēng)險(xiǎn)。推薦比較穩(wěn)妥的安裝方法是，根據(jù)外形尺寸D88，可選用80～90 mm的鉤形扳手(JB/ZQ4624-2006《鉤形扳手》)拆卸和鎖緊。拆卸時(shí)在螺母外形與活塞上劃記號(hào)線，恢復(fù)安裝時(shí)按照記號(hào)還原便可，不需要費(fèi)很大勁敲擊。

圖6 活塞螺母安裝及鉤形扳手示意圖

4 解決措施

我廠對(duì)此艏側(cè)推裝置故障非常重視，收集了大量修理資料和編寫相關(guān)情況說(shuō)明，及時(shí)聯(lián)系艏側(cè)推裝置制造廠家，編寫了修復(fù)方案和修理工藝，組織廠內(nèi)和廠外專家于10月22日在我廠召開(kāi)原因分析和修復(fù)方案評(píng)審會(huì)。主要解決措施為:①材料由球墨鑄鐵QT500-7的活塞桿更換為鍛打材料的活塞桿，其余尺寸保留原樣，鍛打材料的活塞桿耐受敲擊或其它沖擊；②與活塞桿配合的2號(hào)滑塊磨損有缺陷，對(duì)4件滑塊全部給予換新，滑塊與活塞桿配套生產(chǎn)；③槳轂液壓部分內(nèi)場(chǎng)修理組裝和船上回裝時(shí)，邀請(qǐng)艏側(cè)推裝置制造廠家來(lái)廠進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和系統(tǒng)調(diào)試。

11月7日，該船艏側(cè)推裝置第3次進(jìn)塢修理。出塢后在海上進(jìn)行調(diào)試時(shí),艏側(cè)推裝置仍然存在前面所描述的問(wèn)題。

艏側(cè)推裝置制造廠家服務(wù)人員上船后，沒(méi)有在機(jī)旁調(diào)試液壓系統(tǒng)的溢流閥和手動(dòng)操縱電磁換向閥，而是在駕駛室用手持終端讀取控制模塊數(shù)據(jù)，用手持終端調(diào)試和到艏側(cè)推艙機(jī)旁控制箱調(diào)試控制模塊，重新標(biāo)定螺距，直到打滿右螺距時(shí)電流反復(fù)波動(dòng)問(wèn)題排除。11月11日，艏側(cè)推裝置進(jìn)行系泊和航行試驗(yàn)報(bào)檢，各性能參數(shù)滿足試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)冊(cè)要求，滿足正常使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

我廠排查該艏側(cè)推裝置的故障，耗費(fèi)了大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間。通過(guò)對(duì)該故障的原因分析和排查，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：① 艏側(cè)推裝置是高精密裝置，裝配要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，承修者需提高認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)，嚴(yán)格按工藝技術(shù)和方案要求檢修；②調(diào)試時(shí)要有較強(qiáng)的機(jī)電一體化專業(yè)知識(shí)，不得擅自對(duì)液壓系統(tǒng)的溢流閥進(jìn)行調(diào)定；③修理后的艏側(cè)推裝置因阻力發(fā)生了變化，電流均會(huì)改變，只需要用手持終端或電腦重新標(biāo)定螺距即可。