中圖分類號：U664.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Fault Analysis and Restoration of Zero-Position Deviation in Mechanical Rudder Angle Indicator for a Flap Air Rudder

Abstract： During mooring tests of a ship's flap air rudder and control system，a zero-position deviation of approximately was observed in the mechanical rudder angle indicator for the central flap air rudder under zerocommand conditions in the follow-up operational mode.This exceeded the required system positioning accuracy of ，compromising maneuverability and navigation safety. Through fault tree analysis（FTA）based on failure symptoms，operational data，and system behavior，this study identifies faulty components via inspection and disassembly，determines root causes，and investigates failure mechanisms. Corrective measures were implemented to resolve the deviation， ensuring operational reliability and safety.

Keywords：airrudder;rudderangle；faulttree；restoration

1 引言

空氣舵是一種通過改變空氣流動來操縱飛行器或船舶姿態(tài)的裝置。它通過偏轉(zhuǎn)舵面來產(chǎn)生氣動控制力，從而實現(xiàn)飛行器或船舶的轉(zhuǎn)向、穩(wěn)定和軌跡控制?？諝舛鎻V泛應(yīng)用于各種飛行器中，尤其是需要精細(xì)操控的場合，如導(dǎo)彈和某些類型的飛機(jī)上，水面艦船主要應(yīng)用于氣墊船。主要功能：1）一是轉(zhuǎn)向控制，通過調(diào)整舵面的偏轉(zhuǎn)角度，空氣舵能夠使飛行器或船舶實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這對于躲避障礙物或進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動至關(guān)重要；2）姿態(tài)穩(wěn)定，在飛行或航行過程中，空氣舵可以幫助穩(wěn)定飛行器或船舶的姿態(tài)，減少風(fēng)阻影響，提高航行穩(wěn)定性；3）軌跡調(diào)整，通過精確控制空氣舵，可以調(diào)整航行軌跡，實現(xiàn)預(yù)定的航行目標(biāo)。

空氣舵是本船船舶操縱系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將使船舶失去部分操縱能力，安全性受到一定影響，尤其是在受限水域中航行時船舶擱淺、碰撞等風(fēng)險加大。因此，如何排查并解決空氣舵裝置故障，是保障船舶操縱性能及安全性的重要課題。本文闡述某船襟翼空氣舵故障的解決過程。

2 問題現(xiàn)象

在某船襟翼空氣舵系泊試驗中，發(fā)現(xiàn)舵角零指令下機(jī)械舵角指示器零位讀數(shù)實際偏差約 左右，不滿足系統(tǒng)定位精度 的要求，存在機(jī)械零位精度超差。

該問題如不解決，在實船運行過程中，初期影響不大，僅會對航向穩(wěn)定造成較為微弱的影響。但是由

于本船是空氣舵，受到空氣紊流、航向風(fēng)流的影響較大，會造成舵葉零位受力偏大，極大影響設(shè)備可靠性，逐步擴(kuò)大偏差后會造成航向把控不住的惡劣后果。

3 故障定位

本船襟翼空氣舵及操控裝置主要由1套空氣舵操控裝置（含操縱手輪、操縱手柄、異地操舵面板、空氣舵控制器）、3臺舵機(jī)（含電液舵機(jī)、機(jī)械限位裝置、機(jī)械舵角指示器）、3套襟翼舵葉及傳動機(jī)構(gòu)（含主舵、襟翼、襟翼聯(lián)動機(jī)構(gòu)、傳動桿、舵柄、舵軸、舵承座等）組成（見圖1）。

3.1系統(tǒng)定位精度顯示位置

襟翼空氣艙及操控裝置系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)分別由三個位置進(jìn)行讀取，分別為運動控制系統(tǒng)顯示器、異地操舵面板舵位表、機(jī)械舵角指示器。運動控制系統(tǒng)顯示屏上空氣舵舵角是由控制器對電液舵機(jī)線位移傳感器反饋信號解調(diào)后通過RS422上報的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而成；異地操舵面板舵位表顯示舵角是由控制器對電液舵機(jī)線位移傳感器反饋信號解調(diào)后上傳的艙角位置信號；機(jī)械舵角指示器通過人工讀取連接銷軸上指示箭頭的指示刻度，即為空氣舵舵角。

3.2故障確認(rèn)情況

服務(wù)工程師在船上多次進(jìn)行襟翼空氣舵及操控裝置回零操作，隨動工作模態(tài)下，使用操縱手輪發(fā)出空氣舵零度舵角指令，控制襟翼空氣舵運動至零位，此時中間位置機(jī)械舵角指示器使用連接銷軸上指示箭頭進(jìn)行舵角讀數(shù)時會出現(xiàn)機(jī)械零位為 的情況，超出系統(tǒng)定位精度 的要求；系統(tǒng)左、右位置機(jī)械舵角指示器上讀取的舵角示數(shù) ，滿足精度要求；手動旋轉(zhuǎn)連接銷軸，連接銷軸可以轉(zhuǎn)動。

3.3建立故障樹

根據(jù)襟翼空氣舵及操控裝置中間位置機(jī)械舵角指示器零位時精度超差問題故障可能原因和機(jī)械舵角指示器讀取機(jī)械舵角結(jié)構(gòu)原理建立故障樹進(jìn)行分析，故障樹如圖2所示，主要包括3個故障分支共6條影響因素，按故障樹進(jìn)行原因排查。

3.4依故障樹排除故障

1）系統(tǒng)電氣精度不合格排查

襟翼空氣舵及操控裝置系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)可由三個位置進(jìn)行讀取，分別為運動控制系統(tǒng)顯示器、異地操舵面板舵位表、機(jī)械舵角指示器

襟翼空氣艙及操控裝置外場進(jìn)行調(diào)試檢查、交收檢驗及故障復(fù)現(xiàn)時都進(jìn)行了多次零位電氣精度檢查，指令發(fā)出機(jī)構(gòu)操縱手輪在運動控制系統(tǒng)上顯示的空氣舵舵角指令信號在零位時基本在 ；3臺電液舵機(jī)在運動控制系統(tǒng)和異地操舵面板上顯示的空氣舵零位狀態(tài)舵角顯示值都滿足 要求；同時在空氣艙及側(cè)風(fēng)門控制器上測試口檢測出中間位置電液舵機(jī)線位移傳感器零位時的反饋電壓為 2 0 ～ 3 0 m V ，對應(yīng)角度為 左右，以上信息都可以表明襟翼空氣舵及操控裝置在零位時系統(tǒng)電氣定位精度是滿足技術(shù)規(guī)格書技術(shù)指標(biāo)要求的，可以排除底事件電液舵機(jī)精度不合格、控制器控制精度不合格、艙角指令超差三種不合格因素，即可以排除系統(tǒng)電氣精度不合格因素。

2）系統(tǒng)機(jī)械零位未與電氣零位重合排查

襟翼空氣艙及操控裝置外場安裝時首先要進(jìn)行機(jī)械零位和電氣零位重合性調(diào)試，即電液舵機(jī)運動到電氣零位時，電液舵機(jī)雙耳接頭上安裝的連接銷軸指示箭頭與機(jī)械舵角指示器的零刻線重合，同時指示箭頭與機(jī)械舵角指示器垂直，零位重合后再將電液舵機(jī)和機(jī)械限位裝置通過螺釘進(jìn)行固定。

外場重復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)電氣精度檢查時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接銷軸指示箭頭與機(jī)械舵角指示器目視檢查是垂直時，機(jī)械舵角實際角度為 左右，雖然系統(tǒng)機(jī)械零位未與電氣零位完全重合，但系統(tǒng)機(jī)械零位精度滿足 要求。通過以上測試檢查可以表明，首T襟翼空氣舵及操控裝置系統(tǒng)機(jī)械零位和電氣零位重合性可以滿足定位精度要求，可以排除系統(tǒng)機(jī)械零位未與電氣零位重合的因素。

3）機(jī)械舵角指示不準(zhǔn)確排查

現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行襟翼空氣艙及操控裝置調(diào)試，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械零位超差至 時，手動旋轉(zhuǎn)連接銷軸（連接銷軸安裝示意如圖3所示）將指示箭頭與機(jī)械舵角指示器校正，其上的指示箭頭是可以偏轉(zhuǎn)指示到 以內(nèi)的，表明連接銷軸是可以轉(zhuǎn)動的，檢查連接銷軸兩端限位結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)存在兩種限位結(jié)構(gòu)形式，但兩種限位結(jié)構(gòu)都存在間隙，不能完全限位。

（1）滑塊內(nèi)槽與雙耳接頭間隙偏大排查

連接銷軸一端由固定在銷軸端面上的滑塊進(jìn)行機(jī)械限位，防止其在電液舵機(jī)推動空氣舵舵葉偏轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動，滑塊內(nèi)槽安裝于電液舵機(jī)雙耳接頭上，如圖4所示，滑塊內(nèi)槽尺寸和雙耳接頭寬度尺寸都為 8 0 m m ，滑塊和連接銷軸間通過配合間隙進(jìn)行安裝限位，滑塊內(nèi)槽尺寸為 8 0 ± 0 . 5 m m ，雙耳接頭寬度公差為 8 0 ± 0 . 2 5 m m ，單邊配合尺寸 h1 存在最大 0 . 3 7 5 m m 的間隙。

限位 2 0 h R 80

當(dāng)旋轉(zhuǎn)間隙 時，連接銷軸轉(zhuǎn)動角度 范圍計算如下。

cos α = （ R1 + h1 ） / （ R1 + h2 ）

式中： R 1= （ 8 0 ± 0 . 2 5 ） / 2 = 4 0 ± 0 . 1 2 5 ； h1 = 0 . 3 7 5 ；L2 ） / 2 = 2 1 ± 0 . 1 5 □

注：滑塊為二配成件，尺寸為自由公差，根據(jù)GB/T1804的 級控制（3～6為 ，30～120為± 0 . 3 ）公差及尺寸鏈，確定滑塊內(nèi)槽寬尺寸為 8 0 ± 0 . 5

mm ，滑塊限位寬度尺寸為 4 2 ± 0 . 3 m m ，雙耳接頭寬度按Q/2D800-2015一般制造公差控制，尺寸為8 0 m m± 0 . 2 5 m m。

式中：最大間隙 0 . 3 7 5 m m ： R 1 + h 1 取最大值40.25m m ；雙耳接頭R1取最小值 3 9 . 8 7 5 m m ；L2取最大值2 1 . 1 5 m m 時計算連接銷軸轉(zhuǎn)角 。得出連接銷軸轉(zhuǎn)角 為 。

式中：最大間隙 0 . 3 7 5 m m . R 1 + h 1 取最大值4 0 . 2 5 m m ；雙耳接頭R1取最小值 ；L2取最小值 2 0 . 8 5 m m 時計算連接銷軸轉(zhuǎn)角 。得出連接銷軸轉(zhuǎn)角 α 為 ，因此得出 范圍為 （

連接銷軸在通過滑塊裝卡雙耳接頭進(jìn)行限位時可以轉(zhuǎn)動 ± 1 ），對應(yīng)的連接銷軸上指示箭頭在機(jī)械舵角指示器上機(jī)械零位偏轉(zhuǎn)角度指示值為 ± ），如圖5所示。

（2）銷軸六方頭與限位裝置間隙過大排查

連接銷軸另一端由機(jī)械限位裝置對銷軸端面上的六方頭進(jìn)行機(jī)械限位，防止其在電液舵機(jī)推動空氣舵舵葉偏轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動，但六方端頭與機(jī)械限位裝置單邊有 1 . 5 ± 0 . 2 5 m m 的間隙，無法對銷軸進(jìn)行完全限位，如圖6所示，連接銷軸可以轉(zhuǎn)動。

如上圖所示，連接銷軸允許旋轉(zhuǎn)角度 的計算公式如下。

cos α = （ R1 + h1 ） / （ R1 + h2 ）

注：連接銷軸為二配成件，尺寸為自由公差，根據(jù)GB/T1804的 m 級控制（ 3 0 ～ 1 2 0 為 ± 0 . 3 ）公差，六方頭寬度尺寸為 7 2 ± 0 . 3 ；機(jī)械限位裝置槽寬按Q/2D800-2015一般制造公差控制，尺寸為 7 5 m m± 0 . 2 5 m m 。

）（7） ）（8）

計算得 和 （204號

即連接銷軸在極限狀態(tài)通過機(jī)械限位裝置進(jìn)行限位時可以轉(zhuǎn)動 ± （ ），對應(yīng)的連接銷軸上指示箭頭在機(jī)械舵角指示器上機(jī)械零位偏轉(zhuǎn)角度指示值為 ± （ ），如圖7所示。

通過機(jī)械舵角指示不準(zhǔn)確排查，連接銷軸在滑塊限位處允許最大旋轉(zhuǎn)角度為 ，小于機(jī)械限位裝置限位處銷軸旋轉(zhuǎn)角度 。但由于配合間隙的存在導(dǎo)致無法對連接銷軸完全限位，可以在電液舵機(jī)帶動空氣舵舵葉運動過程中轉(zhuǎn)動。

外場實測襟翼空氣舵及操控裝置中間位置機(jī)械限位裝置處安裝的滑塊內(nèi)槽寬度為 ，雙耳接頭寬度為 7 9 . 7 m m ，單邊配合間隙h1為 0 . 2 5 m m ，則按照式（1）、（2）計算出連接銷軸的旋轉(zhuǎn)角度 最大值為 ，換算為機(jī)械舵角指示器上的空氣舵機(jī)械舵角指示為 ，外場實際旋轉(zhuǎn)連接銷軸可以轉(zhuǎn)動 左右。因此通過以上分析可以排除銷軸六方頭與機(jī)械限位裝置間隙過大因素6，但無法排除滑塊與雙耳接頭間隙偏大因素5。

4 故障原因分析

根據(jù)外場實船操作襟翼空氣舵及操控裝置進(jìn)行定位精度檢查和故障樹分析排查表明：中間位置機(jī)械舵角指示器零位時精度超差是因為滑塊與雙耳接頭間隙偏大，無法對連接銷軸有效機(jī)械限位，銷軸在受到傳動連桿擺動時產(chǎn)生的摩擦力影響后會產(chǎn)生輕微轉(zhuǎn)動，引起指示箭頭偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)機(jī)械精度指示出現(xiàn)超差。

4.1 機(jī)理分析

針對滑塊內(nèi)槽與雙耳接頭間隙分析，外場實測襟翼空氣舵及操控裝置中間位置機(jī)械限位裝置處安裝的滑塊內(nèi)槽寬度為 ，雙耳接頭寬度為 單邊配合間隙h1為 0 . 2 5 m m ，則按照式（1）、（2）計算出連接銷軸的旋轉(zhuǎn)角度 最大值為 ，換算為機(jī)械舵角指示器上的空氣舵機(jī)械舵角指示為 ，外場實際旋轉(zhuǎn)連接銷軸可以轉(zhuǎn)動 左右，與理論分析值基本一致。

由于滑塊和雙耳接頭間存在間隙，滑塊內(nèi)槽寬度尺寸為 ，雙耳接頭寬度尺寸為8 0 m m± 0 . 2 5 m m ，滑塊與連接銷軸之間配合間隙單邊上限值為 0 . 3 7 5 m m ，外場實測中間位置機(jī)械限位裝置處滑塊與雙耳接頭單邊安裝間隙為 0 . 2 5 m m 左右，當(dāng)旋轉(zhuǎn)操縱手輪空氣舵舵角指令為零時，連接銷軸指示箭頭垂直機(jī)械舵角指示器讀取機(jī)械舵角時，機(jī)械舵角實際角度為 左右，滿足系統(tǒng)精度 要求，但機(jī)械零位與電氣零位未完全重合，由于連接銷軸限位滑塊與雙耳接頭間存在單邊 0 . 2 5 m m 間隙，多次操作襟翼空氣舵及操控裝置進(jìn)行回零操作，連接銷軸因存在單邊 0 . 2 5 m m 間隙而無法完全限位，在摩擦力的作用下可以轉(zhuǎn)動 左右，此時累積機(jī)械零位與電氣零位偏差 ，連接銷軸指示箭頭舵角指示刻度為 左右，無法滿足機(jī)械零位 的要求，引起機(jī)械零位超差。

4.2 問題復(fù)現(xiàn)

根據(jù)外場實測襟翼空氣舵及操控裝置中間位置機(jī)械限位裝置處安裝的滑塊內(nèi)槽寬度為 ，雙耳接頭寬度為 ，單邊配合間隙為 0 . 2 5 m m ，廠內(nèi)加工滑塊試驗件與廠內(nèi)電液舵機(jī)雙耳接頭進(jìn)行配合安裝使用，模擬外場單邊安裝間隙 0 . 2 5 m m 。

在隨動操控模態(tài)下，操縱襟翼空氣舵及操控裝置，旋轉(zhuǎn)操縱手輪發(fā)出零位指令，控制電液舵機(jī)運動到零位，記錄當(dāng)前機(jī)械舵角指示器上實測機(jī)械舵角數(shù)值；手動轉(zhuǎn)動襟翼舵葉及傳動機(jī)構(gòu)上連接銷軸直至限位停止，記錄當(dāng)前機(jī)械舵角指示器上實測機(jī)械舵角數(shù)值，重復(fù)3次操作，模擬外場故障現(xiàn)象。襟翼空氣舵及操控裝置換裝2件試驗件滑塊進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗時，零位狀態(tài)時轉(zhuǎn)動連接銷軸，機(jī)械舵角指示器上指示刻度為 左右，超出定位精度 要求，故障復(fù)現(xiàn)。

4.3糾正措施

空氣舵的電液舵機(jī)雙耳接頭寬度為 7 9 . 7 m m ，當(dāng)單邊配合間隙h1為 0 . 1 m m ，即滑塊內(nèi)槽尺寸為 7 9 . 9 m m 時，按照式（1）、（2）計算出連接銷軸的旋轉(zhuǎn)角度 最大值為 ，換算為機(jī)械舵角指示器上的空氣舵機(jī)械舵角指示為 ，即機(jī)械舵角指示刻度可以在""范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，即使累積中間位置機(jī)械零位與電氣零位的""偏差也可以滿足系統(tǒng)""要求。

5 故障處理及效果驗證

5.1故障處理

將電液舵機(jī)滑塊更換，保證滑塊安裝單邊配合間 隙在""內(nèi)，更改前：電液舵機(jī)雙耳接頭尺寸為 8 0 ± 0 . 2 5 m m ，滑塊內(nèi)槽尺寸為 8 0 ± 0 . 5 m m ；更改后： 電液舵機(jī)雙耳接頭尺寸為""，滑塊內(nèi)槽尺 寸為""。

5.2效果驗證

將襟翼空氣舵及操控裝置各部件安裝在系統(tǒng)試驗臺上，按產(chǎn)品規(guī)范要求完成電氣和液壓連接，安裝更換后的滑塊，將操縱手輪上旋鈕開關(guān)置于舵動模式，旋轉(zhuǎn)操縱手輪控制電液舵機(jī)往復(fù)運動3次，確認(rèn)系統(tǒng)可以正常工作。轉(zhuǎn)動襟翼舵葉及傳動機(jī)構(gòu)上連接銷軸直至限位停正，重復(fù)3次分別記錄兩臺電液舵機(jī)當(dāng)前機(jī)械舵角指示器上實測機(jī)械舵角數(shù)值，核對偏差值，偏左為正，偏右為負(fù)，經(jīng)測數(shù)據(jù)為""、"""，滿足系統(tǒng)定位精度""的要求。說明故障問題已閉環(huán)。

6 結(jié)語

襟翼空氣舵及操控裝置中間位置機(jī)械舵角指示器零位精度超差問題定位準(zhǔn)確，機(jī)理清楚并完成了故障復(fù)現(xiàn)，制定的改進(jìn)措施經(jīng)試驗驗證，措施有效。復(fù)雜設(shè)備裝配、調(diào)試，安裝精度十分重要，一個小環(huán)節(jié)的疏忽，都可能造成船舶操縱性能部分缺失，影響船舶安全性。

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