某轮舵机液压系统故障分析与改进

２０１４年第２期　液压与气动　１Ｏ９　ｄｏｉ：１０．１　１８３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－４８５８．２０１４．０２．０２８　某轮舵机液压系统故障分析与改进　何法明　（青岛远洋船员职业学院，山东青岛２６６０７１）　摘要：船舶舵机装置是保证船舶航行安全的重要设备，舵机装置故障将直接危及船舶的航行安全。针　对某轮频繁出现的跑舵故障，对舵机液压系统的工作原理进行了分析，并深入剖析了加在舵叶上的水动力矩　的变化规律，找出了舵机液压系统中双向液压锁频繁损坏导致跑舵的原因，指出了舵机液压系统设计中存在　的不足，提出了改进措施。　关键词：液压舵机；跑舵；双向液压锁；双向平衡阀　中图分类号：ＴＨ１３７　文献标志码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１４）０２－０１０９－０３　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｇｅａｒ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａ　Ｓｈｉｐ　ＨＥ　Ｆａ—ｍｉｎｇ　（Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｏｃｅａｎ　Ｓｈｉｐｐｉｎｇ　Ｍａｒｉｎｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６６０７１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓａｆｅｔｙ．Ｆａｉｌｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｅｎｄａｎｇｅｒ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｔｏ　ａｉｍ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｒｏｕｂｌｅ　ｏｆ　ｒｕｎｎｉｎｇ—ａｗａｙ　ｒｕｄｄｅｒ　ａｎｇｌｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｏｎ　ａ　ｓｈｉｐ，ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉ－　ｐｉｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｍｅｎｔ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｏｎ　ｒｕｄｄｅｒ　ｔｏ　ｄｉｇ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ—ａｗａｙ　ｒｕｄｄｅｒ　ａｎｇｌｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｔ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ—ｗａｙ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｌｏｃｋ．Ｗｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｇｅａｒ，ｒｕｎｎｉｎｇ—ａｗａｙ　ｒｕｄｄｅｒ　ａｎｇｌｅ，ｔｗｏ—ｗａｙ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｌｏｃｋ，ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｖａｌｖｅ　引言　舵故障消失，但在以后的使用过程中发现该液压锁使　船舶舵机装置是保证船舶航行安全的重要设备，　用寿命短＇冈０换新不久的同种型号液压锁的阀座就会　用于控制和驱动舵叶的转动，保证船舶按要求迅速可　出现变形，导致锁闭不严引起跑舵故障，给船舶的安全　靠地将舵叶转到并保持在指定的舵角，以使船舶航行　航行带来严重的安全隐患。　在给定的航线上，舵机装置故障将直接危及船舶的航　２故障分析　行安全。现代船舶舵机大部分为液压舵机，对于船舶　２．１舵机液压回路分析　工程技术人员来说，舵机液压系统的故障诊断与排除　该轮舵机装置由２个液压油缸推动撞杆带动舵　也是一个难点。本研究针对某轮舵机液压系统的一例　杆，使舵叶产生转动。船舶航行时，舵叶上的水作用力　故障原因进行了深入剖析，指出了舵机液压系统设计　相对船舶重心产生转船力矩，从而改变船舶航向。该轮　上存在的缺陷，提出了改进措施。　舵机液压系统原理如图ｉ所示。图１中，１为舵机油泵，　１故障现象　２为电磁换向阀，３为双向液压锁，型号为ＳＸＹＳ－２一ＩＭ０，　某轮在营运过程中经常出现跑舵现象，经分析、检　４为双向安全阀，５为液压油缸。当不转舵时，电磁换　查确定为舵机液压系统的双向液压锁故障，对双向液　收稿日期：２０１３－０８－２４　压锁拆检发现液压锁的阀座出现变形，证实跑舵故障　作者简介：何法明（１９７Ｏ一），男，湖北浠水人，副教授，硕士，　确实是由于液压锁锁闭不严引起的。更换液压锁后跑　从事船舶液压设备科研和教学工作。　１１０　液压与气动　２０１４年第２期　向阀２左右线圈均不得电，电磁换向阀２工作于中位，　舵机油泵处于泄油状态，由于双向液压锁３的锁闭，液　用点０（其位置随舵角　而变）称为压力中心。除　外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦　力　，它比　小得多。所以当舵叶偏转舵角　后，在舵　压油缸中的油不能流动，舵就处于给定的舵角位。当　有操舵命令时，电磁换向阀２相应电磁线圈就会得电。　叶的压力中心０上，就会产生一个大小等于　和　合力的水作用力Ｆ。舵上的水作用力Ｆ也可分解为与水　流方向垂直的升力Ｆ　．和与水流方向平行的阻力　。　５　４　３　２　１　假如左边电磁线圈得电，电磁换向阀阀芯动作工作在　左位，液压系统左边主油路接通压力油并打开液压锁　进油，右边油路液压锁受左侧主油路油压控制而打开，　通过电磁换向阀左位接通低压侧泄放油箱回油，相应　油缸进油和回油，带动舵叶转动；右侧电磁线圈得电，　系统动作原理相同。当实际舵角与发令舵角一致时，　电磁换向阀２电磁线圈就会失电，双向液压锁３锁闭，　舵就稳定在给定的舵角位。　图１舵机液压回路　通过上述分析可知，当没有操舵指令时，舵角是靠　液压系统中双向液压锁对油路的锁闭作用而保持不　变，因此当液压锁由于阀座损坏而锁闭不严时，在舵叶　上水动力矩的作用下，就会出现上述的跑舵故障。　２．２双向液压锁频繁故障原因分析　图１液压回路为典型的油缸锁闭回路，被许多液　压设备所采用，但该回路用于液压舵机场合还是存在　一些问题。　目前船舶多采用空心复板舵，其水平方向剖面呈　流线型。图２所示出舵的工作原理。当船舶航行时，　如舵叶处于正舵位置，即舵角（舵叶与船舶中线的夹　角）　＝０，若忽略螺旋桨和其他原因造成的不均匀水　流的影响，则舵叶两侧的水流对称，水压力相等对船的　前进方向不产生影响。当舵叶偏转某一舵角　时，则水　流以冲角　流向舵叶，使两侧的流线不再对称，流程长　的一侧流速较快，静压较小。舵叶所受水压力的合力用　表示，　垂直于舵叶纵剖面，指向舵叶背水面，其作　ｂ１　图２舵上水作用力及对船上的影响　舵的水压力Ｆ　相对于舵杆轴线的力矩称为舵的　水动力矩，用　表示，如下式所示：　１　．　Ｍ　＝ＦＮ・　ｃ＝÷ｃＮ厶　　ｃ　（１）　式中：　——舵压力中心至舵杆轴线的距离，ｍ，平衡　舵Ｘｃ：Ｃｘ　ｂ—Ｚ　ｃ　、ｃ　——舵叶的压力系数、压力中心系数，其大　小随舵角　而变，并与舵叶几何形状有　关，由模型试验测定　Ａ——舵叶面积，ｍ　——舵叶处水流速度，ｍ／ｓ，舵在螺旋桨尾流　中时取航速的１．１５一１．２倍　ｂ——舵叶平均宽度，ｍ　ｚ——舵杆轴线至舵叶导边的距离，ｍ　Ｐ——海水密度，ｋｇ／ｍ　操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩，用　表示。舵匀速转动时，转舵扭矩应等于水动力矩　和舵各支承处的总摩擦扭矩　的代数和，即Ｍ＝Ｍ　＋　。　以方向与舵转向相同为正，而Ｍ　、％以方向与　舵转向相反为正。显然，　始终为正值，平衡舵一般　＝（０．１５—０．２０）Ｍ　。正车回舵或倒车偏舵时　为　负，则会出现负转舵力矩。正航偏舵时水动力矩　随　２０１４年第２期　舵角Ｏ／．变化的规律如图３所示。　液压与气动　１　１１　与进油管路的进油不一致时，回油管路的平衡阀就会　由于进油管路油压的变化而开大或关小，舵的转舵速　度就会平稳，液压回路中油压冲击小，由于该阀的工作　０　图３舵水动力矩　曲线　现代船舶大多采用平衡舵，这种舵的水动力矩　因力臂　减小而减小，使舵机需要的功率减小。平　衡舵在小舵角时水动力矩会出现负值，转舵时水动力　矩会帮助转舵，这是由于压力中心位于舵杆中心线前　的缘故。选用适当的平衡系数可以减小舵机的额定功　率和常用舵角（小于ｌ０。～２０。）的功率消耗。一般Ｋ　＝０．１５—０．３５。　倒航时舵叶后缘变成导边，压力中心与舵杆中心　线的距离变大，但倒航航速一般不超过正航最大营运　航速的一半。实践表明，流线型平衡舵倒航时的最大　水动力矩一般为正航最大值的６０％左右。　从上述分析不难看出，船舶航行过程中水动力矩　大小是变化的，此外还存在正负之分（水动力矩阻碍　操舵装置转舵为正，水动力矩帮助操舵装置转舵为　负）。水动力矩大小变化和正负的改变，造成舵机转　舵速度变化。比如舵机在回舵或倒航时，一方面油缸　推动舵转动，另一方面水动力矩帮助舵转动（这相当　于在起升回路中重物下降过程），液压锁不起限速的　作用，舵转动加快而供油不足，使回路进油油压过低，　造成回路回油管路的液压锁由于控制油低压而关闭，　由于该过程瞬间完成，液压锁关闭冲击大，频繁的撞击　很容易造成阀座的磨损与变形，势必造成液压锁关闭　不严，进而产生上述故障。　３　改进方案　针对上述故障原因的分析，就不难找出舵机液压　回路的设计缺陷，进而制定解决问题的方案。该回路　在设计时未考虑水动力矩变化规律和负转舵力矩的存　在，在改进方案中回路中必须增加限速元件。为尽量　少影响船舶营运，综合船舶舵机实际，在系统不作大的　改动的情况下，在改造方案中采用ＥＭＢ双向平衡阀　（ＳＳＰＨＧ５０）（图４中元件３）取代ＳＸＹＳ一２一Ｂ４０双向液　压锁（图１中元件３），改造后的液压回路如图４所示。　双向平衡阀取代双向液压锁后，只要回油管路的回油　性能造成上述故障的可能性就会减少。　图４改造后的舵机液压回路　４结论　该轮舵机液压系统按照上述方案改造后，从近两　年运行情况看，舵机运行平稳，系统再没有更换任何阀　件，冲舵、跑舵等故障也再未发生。　在对该轮舵机液压系统改造的过程中也有如下　体会：　（１）在液压设备液压回路的设计上，必须理论联　系实际，要深入分析我们的控制对象，否则回路的设计　必定存在缺陷，设备的运行可靠性大打折扣；　（２）我们的维护管理人员在使用设备时，要对各　种故障进行整理分析，特别是共性的故障和设备有规　律的故障，不能简单更换元件，要彻查事故的产生原因　并能作出合理的解释，最终做到标本兼治。　参考文献：　［１］　费千．船舶辅机［Ｄ］．大连：大连海事大学出版社，２００８．　［２］郑士君．船舶液压系统故障与维修技术［Ｍ］．北京：人民　交通出版社，１９９６．　［３］雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京：北京理工大学出　版社，１９９８．　［４］路甬祥．液压气动技术手册［Ｍ］．北京：机械工业出版　社，２００２．　［５］杨壮凌．大功率风力机液压系统故障诊断与分析［Ｊ］．液　压与气动，２０１１，（４）：５８—６１．　［６］　黄海波，张新福，纪斌义．波浪补偿起重机原理样机液压系统　故障分析与改进［Ｊ］．液压与气动，２０１１，（７）：１０５—１０６，１１２．