理維華

（中國(guó)海警局直屬第六局，山東青島 266000）

0 引言

在某一段時(shí)期，某公務(wù)船反復(fù)出現(xiàn)卡舵、滯舵故障，排查液壓及控制系統(tǒng)均未發(fā)現(xiàn)問題，但后期雖有一臺(tái)舵機(jī)卡舵現(xiàn)象突然消失，但整體舵效明顯變差。疑點(diǎn)聚焦在機(jī)械部分，通過反復(fù)追蹤及水下摸排，初步定位襟翼舵故障。隨后進(jìn)塢檢驗(yàn)時(shí)確認(rèn)襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)裝置故障。本文就該故障的發(fā)生機(jī)理和根本原因進(jìn)行技術(shù)分析。

1 故障現(xiàn)象

2022 年9 月，某公務(wù)船操舵人員反饋，該船在海上作業(yè)時(shí)出現(xiàn)一、兩次操舵失靈，具體癥狀是在回舵時(shí)出現(xiàn)舵角卡滯、轉(zhuǎn)舵困難的情況，切換另一液壓泵組故障仍然存在，重新打舵有時(shí)會(huì)消失?？扛酆蠹夹g(shù)保障人員登船進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)打舵試驗(yàn)，反復(fù)多次均未發(fā)現(xiàn)異常，分析為偶發(fā)故障。提醒操舵人員注意觀察，特別是卡舵時(shí)要保持現(xiàn)狀記錄油壓、電流、報(bào)警點(diǎn)等相關(guān)信息。在后期使用中操舵者進(jìn)行了仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)卡舵出現(xiàn)在回舵時(shí)10°～15°，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員觀察到舵機(jī)油泵油壓異常升高至安全閥起跳壓力。往大舵角打后再回舵，卡舵現(xiàn)象有時(shí)會(huì)消失，現(xiàn)場(chǎng)管理人員多次排查始終無法查出原因。

另一艘船的情況是，在正舵時(shí)航向不能維持航向，需打5°左右的舵角以保證不偏航。

2 故障分析

2.1 基本情況

該船為3000 t 級(jí)公務(wù)船，采用雙槳雙舵配置。每舵配有雙泵組液壓泵站，轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)采用三葉式轉(zhuǎn)舵油缸，舵為懸掛式襟翼舵結(jié)構(gòu)，整個(gè)舵機(jī)/舵葉系統(tǒng)總體布置如圖1 所示[1]。

圖1 舵系布置

2.2 主要故障

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察卡舵時(shí)油壓異常升高至安全閥起跳現(xiàn)象基本判定是機(jī)械部分卡阻，卡阻部位集中在轉(zhuǎn)舵油缸、舵承及襟翼舵組件等三處相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件點(diǎn)。

（1）打開轉(zhuǎn)舵油缸檢查，發(fā)現(xiàn)油質(zhì)正常，液壓缸底面有部分劃痕及磨痕凸臺(tái)，缸體側(cè)面有輕微劃痕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)磨損、磨痕分析，認(rèn)為目前的磨損情況雖然會(huì)增加液壓油泄漏及轉(zhuǎn)舵阻力，但不會(huì)造成轉(zhuǎn)舵卡阻。

（2）分析舵承結(jié)構(gòu)，該舵采用內(nèi)置滑動(dòng)式上舵承，即推力環(huán)設(shè)置在三葉式轉(zhuǎn)舵油缸底部，靠轉(zhuǎn)舵油壓支撐、潤(rùn)滑推力環(huán)。下舵承采用的不銹鋼襯套組裝在連接套筒組件上，舵桿下舵承處鑲嵌套筒。該處部件不便于拆卸檢查。

（3）襟翼舵組件檢查，通過舵艙艙內(nèi)部件檢查未發(fā)現(xiàn)卡阻原因后，派潛水員對(duì)水下部分進(jìn)行了檢查，除舵結(jié)構(gòu)組件表面的海生物外，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)右舷襟翼舵舵銷蓋板脫落，滑動(dòng)桿與滑動(dòng)銷半嚙合狀態(tài)；左側(cè)舵體暫未發(fā)現(xiàn)異常。

考慮到水下修理難度大，該船2 個(gè)月后安排有塢檢計(jì)劃，未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性修理，維持現(xiàn)狀繼續(xù)執(zhí)行后期任務(wù)。

2.2.1 襟翼舵

由于明顯損害出現(xiàn)在襟翼舵的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此在此對(duì)襟翼舵及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)予以分析。

襟翼舵作為船用舵始于20 世紀(jì)60 年代，舵葉裝置由主舵葉和襟翼兩部分組成，對(duì)于給定的舵角α（圖2），襟翼可以相對(duì)于主舵葉多轉(zhuǎn)動(dòng)β 角，使水流產(chǎn)生更有效的折射，從而提供比常規(guī)舵更大的升力。實(shí)踐表明，在小舵角下其升力系數(shù)比常規(guī)舵高，舵效可以達(dá)到普通舵的1.6～1.8 倍[2]。這大大提高了船舶的操縱性，改善了船舶的機(jī)動(dòng)性。

圖2 襟翼舵示意

某批次公務(wù)船均使用同型襟翼舵，這種型式的襟翼舵之主舵葉為懸掛式布置，襟翼通過鉸鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)軸與主舵葉后緣相連。

2.2.2 襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)

通常情況下，襟翼舵的襟翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有棘輪傳動(dòng)、曲柄機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和導(dǎo)桿/導(dǎo)套傳動(dòng)等不同型式。該船為了取得額外的β 角，襟翼與主舵葉之間采用導(dǎo)桿/導(dǎo)套傳動(dòng)方式，也是最常用的傳動(dòng)方式。

該船襟翼舵的導(dǎo)桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式如圖1 所示：在舵系的假舵體上預(yù)制圓形立軸套，以承載導(dǎo)桿立軸；襟翼舵橫導(dǎo)桿一端為叉形結(jié)構(gòu)，在其叉入導(dǎo)桿立軸后，通過端蓋蓋板將橫導(dǎo)桿鎖固；導(dǎo)桿的另一端為自由端，亦即導(dǎo)桿可在導(dǎo)套內(nèi)自由滑動(dòng)。導(dǎo)桿材料為不銹鋼，導(dǎo)套內(nèi)為高分子襯套材料。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障情況

船舶上塢后檢查，發(fā)現(xiàn)襟翼舵存在如下?lián)p壞和異常（圖3）：

圖3 左、右襟翼舵損壞情況

（1）左襟翼舵襟翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿端蓋脫落，致橫導(dǎo)桿與立軸分離，且導(dǎo)桿端部叉口部位與立軸分離后因異常觸碰而變形。

（2）右襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿端部端蓋脫落，立軸下軸套破損，立軸脫落。

（3）導(dǎo)桿與立軸交叉配合部位海生物密集，提示導(dǎo)桿端部叉口與立軸早已分離，襟翼部分已失去應(yīng)有的舵效。

（4）導(dǎo)桿尾部伸展出導(dǎo)套的圓柱表面海生物生長(zhǎng)飽滿，提示導(dǎo)桿在導(dǎo)套中無法保持自由滑動(dòng)狀態(tài)。

另一艘船在進(jìn)塢檢查時(shí)，襟翼舵系統(tǒng)并未出現(xiàn)上述明顯損壞，當(dāng)時(shí)僅發(fā)現(xiàn)導(dǎo)桿叉頭端部的端蓋固定螺栓脫落，未引起重視，在進(jìn)行簡(jiǎn)單清潔修理后復(fù)航。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效分析

從現(xiàn)場(chǎng)拆檢的損壞情況和故障時(shí)伴生的相關(guān)癥狀可以斷定，襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)部分失效的主要原因是導(dǎo)桿和導(dǎo)套之間出現(xiàn)了不應(yīng)有的卡滯。這種卡滯一旦出現(xiàn)，襟翼舵在某個(gè)角度將出現(xiàn)轉(zhuǎn)舵困難，有時(shí)還伴有舵機(jī)油壓異常升高的現(xiàn)象。這是襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)失效的初級(jí)階段。

由于這種卡滯，在操舵過程中導(dǎo)桿會(huì)無法隨舵角變化而自由滑動(dòng)，并由此承受來自導(dǎo)套的一個(gè)極大的軸向（橫向）拉力。導(dǎo)套的這個(gè)拉力來自于上述襟翼舵角β 變化所產(chǎn)生的升力矩。

導(dǎo)桿前端部叉口部位端部的鎖固蓋板在設(shè)計(jì)中僅用兩顆螺釘將蓋板固定在叉口部位。從導(dǎo)桿承受的軸向力分析，這種設(shè)計(jì)使得導(dǎo)桿承受額外軸向力的能力非常薄弱。一旦導(dǎo)桿在導(dǎo)套中出現(xiàn)卡滯，導(dǎo)桿上的軸向拉力很容易將端蓋拉掉。這是襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)損害的進(jìn)一步加劇階段。

一旦導(dǎo)桿鎖固端蓋脫落，導(dǎo)桿會(huì)與立軸分離并失去約束，卡滯在導(dǎo)套中的導(dǎo)桿可能會(huì)隨著舵葉的轉(zhuǎn)動(dòng)而觸碰立軸，而這種異常觸碰會(huì)使立軸損壞或叉口部位變形。這是襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)最終損壞的階段。

從上述分析可知，造成該型襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)損壞的原因主要有兩個(gè)：①導(dǎo)桿/導(dǎo)套間出現(xiàn)異常卡滯，這也是襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)損壞的首要原因；②導(dǎo)桿端部端蓋固能力薄弱，當(dāng)導(dǎo)桿卡滯后因無法承受軸向拉力而容易松脫，使得導(dǎo)桿容易與立軸分離并發(fā)生異常接觸、損壞。這種設(shè)計(jì)方面的缺陷是導(dǎo)致卡滯的導(dǎo)桿發(fā)生后續(xù)損壞的重要因素。

從邏輯上判斷，導(dǎo)桿/導(dǎo)套卡滯的成因應(yīng)與導(dǎo)桿/導(dǎo)套的設(shè)計(jì)間隙變小有直接關(guān)系。在主舵葉/襟翼轉(zhuǎn)舵過程中，導(dǎo)桿與導(dǎo)套之間將承受襟翼升力矩所產(chǎn)生的橫向分力，使導(dǎo)桿的橫側(cè)面與導(dǎo)套襯套間相互擠壓，容易出現(xiàn)導(dǎo)桿在導(dǎo)套中移動(dòng)困難的情況。因此，導(dǎo)桿與高分子導(dǎo)套之間保持良好的間隙十分必要。

經(jīng)查閱CB/T 4274—2013《襟翼舵通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.5.4 條之規(guī)定，為保持導(dǎo)桿在導(dǎo)套內(nèi)的自由滑動(dòng)，導(dǎo)桿與導(dǎo)套之間的最小間隙應(yīng)在1.5～2.5 mm[3]。

導(dǎo)桿/導(dǎo)套間隙變小的原因主要有兩個(gè)：①高分子材料的導(dǎo)套因擠壓變形，或?qū)U與導(dǎo)套因磨損而失中，可能會(huì)使導(dǎo)桿/導(dǎo)套間的預(yù)留間隙在某些接觸部位變小，從而造成導(dǎo)桿/導(dǎo)套卡滯；②導(dǎo)桿在海水中會(huì)附著海生物，這些海生物可能會(huì)隨著導(dǎo)桿的移動(dòng)而帶入導(dǎo)套高分子襯套中，長(zhǎng)期以往會(huì)填充到導(dǎo)桿/導(dǎo)套間隙中，最終造成間隙變小。拆檢發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)桿表面海生物滋生嚴(yán)重。查閱該型襟翼舵安裝使用說明書，在其日常使用維護(hù)中有如下要求：“當(dāng)船進(jìn)入碼頭或港口時(shí)，如船舶停留的時(shí)間超過7 d，則每隔7 d 舵機(jī)操舵2～3 次，即從左滿舵至右滿舵往復(fù)2～3 次。防止海生物在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上滋生。”

本次維修中并未測(cè)取該船導(dǎo)桿/導(dǎo)套的實(shí)際間隙變化情況，但從表面現(xiàn)象可以看出，附著有較多海生物并存有劃痕。查閱相關(guān)資料，上海救助局的東海救××輪[4]在2018 年曾發(fā)生過同樣的問題，其所用襟翼舵同為無錫某公司生產(chǎn)，與上述襟翼舵同屬一種類型，僅舵葉面積不同。東海救××輪在故障時(shí)與該船一樣，也伴生操舵卡滯、舵機(jī)油壓異常升高和跳閘情況。

拆解后測(cè)量，發(fā)現(xiàn)襟翼舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿/導(dǎo)套間隙變小，僅為0.13～0.28 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5～2.5 mm。

3 處理措施

本次修理中，改進(jìn)了傳動(dòng)裝置中的導(dǎo)桿叉口與立軸的鎖固方式，即在叉口部位增加了貫穿螺栓、將導(dǎo)桿和立軸連接起來，同時(shí)仍保留原端蓋蓋板連接形式（圖4）。

圖4 改進(jìn)后的導(dǎo)桿與立軸連接形式

上述導(dǎo)桿與立軸鎖固方式所做的改進(jìn)，極大地改善了原設(shè)計(jì)中僅靠端蓋/螺栓進(jìn)行鎖固這一薄弱環(huán)節(jié)所存在的不足，同時(shí)還增加了導(dǎo)桿對(duì)抗因卡滯所產(chǎn)生的橫向拉力的能力。

4 結(jié)束語

從管理方面分析，本次故障的日常管理缺失是主因。前期由于單位整合，人員大量調(diào)整，在船人員日常管理不到位或疏忽，未按說明書要求做好日常維護(hù)，造成滋生的海生物不能在初期消除，每年的七八月份又適逢碼頭駐地貝類生物繁殖生產(chǎn)期，貝類殼體緊緊附著在導(dǎo)桿表面，導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件間間隙變小，滑動(dòng)不暢。部分硬質(zhì)顆粒進(jìn)入導(dǎo)桿/導(dǎo)套間，當(dāng)操舵時(shí)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)卡阻甚至卡死，最終導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞。