一種舵機油缸壓力、壓差超出規定范圍問題的分析研究

,，

(武漢船用機械有限責任公司,武漢 430084)

目前船用舵機主要有撥叉式、轉葉式和擺缸式。撥叉式是我國技術最成熟的一種舵機的結構，且每年市場需求量比較大，但在其出廠試驗過程中常由于機械或液壓原因導致舵機油缸壓力、壓差超出規定范圍，從而未達到出廠要求。已有的研究多集中于對航行中船用舵機的常見故障進行分析[1-2],對舵機的運動特性進行仿真[3]。但尚未見對出廠前舵機實驗故障進行系統研究。

1 故障分析

在舵機出廠前，要進行空載試驗，船級社要求[4]：油缸的背壓≤2 MPa，壓差≤1.0 MPa。但是在試驗過程中，經常出現油缸壓力、壓差超出上述范圍的情況，這就需要重新安裝調試，影響了舵機的生產周期。對舵機工作原理及液壓回路進行分析，認為導致壓力、壓差超出范圍的原因主要有兩大類。

1.1 機械裝配原因

拔叉式舵機安裝示意圖見圖1。

1)油缸的安裝。如果1號和2號油缸底面安裝不平(兩缸均為缸體前端向上翹起時)，當1號泵組工作時，1號柱塞移動偏慢，1和2號油缸壓差較大(超過1 MPa)，2號柱塞正常。2號泵組工作時，1號柱塞不動(1和2號油缸內有壓力)，2號柱塞移動速度偏快。

圖1 安裝示意

通過消除油缸安裝時與試驗臺的間隙，保證油缸整體水平，來減小1號柱塞的阻力。油缸安裝前首先要保證油缸內孔和中心高等關鍵尺寸符合要求，安裝時通過調整基準點之間的距離(安裝對角線)是否相等來確定，對角線最大差值允許±1 mm[5]。現場可用專用工裝量具來測量對角線尺寸，調整達到要求之后安裝連接座。校驗正確性可以通過直接測量油缸底座與平臺之間的間隙，比較間隙值是否相等來確定。

2)淬火鋼板與滾輪之間裝配。當舵柄淬火鋼板與滾輪之間的間隙不符合滾輪裝配要求時會出現滾輪上下竄動的現象。淬火鋼板與滾輪裝配的相關尺寸見圖2，裝配要求為：①|a-b|≤0.05 mm或|c-d|≤0.05 mm；②l-k的最大值根據D1的大小要求在0.21～0.31 mm之間。

1.2 液壓系統原因

1)主泵工作是否正常。如圖3所示，主泵為斜軸式變量柱塞泵，操舵時操縱臺發出舵角指令，通過控制箱和泵控裝置(力矩馬達和差動變壓器)，使油泵柱塞傾斜從而使主泵排油。如果泵的零位調整不良會出現油泵的零位偏移，使舵運行不穩定，系統壓力也不穩定。需要將泵零位進行重新調整。操舵泵組時，由于泵組流量過大會出現直接控制的兩油缸壓差偏大(1.2 MPa左右)，間接控制的兩油缸壓差正常的現象。通過調節輔泵組，減小主泵的偏心量，使流量減小，壓差正常。同時，舵機的轉舵速度仍能滿足船級社規范許用要求65°28’。

圖2 舵柄淬火鋼板與滾輪之間的裝配關系

圖3 撥叉式舵機的控制原理

2)柱塞運行是否平穩。柱塞運行不平穩，會出現爬行甚至停滯現象。導致柱塞運行不平穩的因素為①液壓回路可能含有空氣，需要將空氣排出，將舵機壓力側(柱塞伸出端)油缸上的排氣閥打開，不停地反復操舵，柱塞運動平穩表示排氣完成；②舵柄和柱塞之間可能有障礙物，需要將障礙物去除；③V型密封圈安裝可能過緊，緊固量按照舵機型號(柱塞直徑)大小調定(見表1)，如果V型密封圈安裝過緊，柱塞表面就不會形成一層薄油膜，并使柱塞產生間歇運動，圖4所示為舵機安裝要領[6]對V型圈安裝的要求。

表1 V型密封圈安裝時緊固量調定范圍

圖4 V型圈的安裝要求

3)溫度是否偏低。因為舵機所用的閥均為滑閥，滑閥均為弓形口閥，所以局部壓力損失可以忽略不計。光滑金屬圓管的流動雷諾數為

(1)

當Re≤2 320為層流，因此，僅需要計算層流時沿程壓力損失就可以得出壓力(背壓)值[7]：

(2)

式中：λ——層流時沿程阻力系數，λ=64/Re；

L——管路長度；

ρ——液體密度；

v——油液速度；

d——管路直徑。

把式(1)代入式(2)得到

(3)

由式(3)可得背壓與運動粘度ν成正比。當冬季氣溫過低時，液壓油粘度過低，導致背壓較小。因此，為減小溫度對壓力的影響，讓舵機多運行一會再測試，或者將液壓油稍微加熱后再進行試驗。

4)閥板、閥件的通道阻塞。如果液壓通道有不通或者半通的問題，就會使舵機在工作時，管路阻力過大，從而液壓油流動不通暢，造成油缸空載時壓力過大，壓差過大，甚至還可能出現被動缸壓力大于主動缸壓力的問題。

2 預防措施

1)加強零部件的加工質量控制。加強閥板通道加工控制、油缸內孔及中心高的加工控制、柱塞外圓尺寸加工等關鍵尺寸和鍍鉻等工序的控制。

2)加強整機裝配的質量控制。整機裝配質量控制包括整機裝配安裝基準對角線控制、油泵與泵控裝置(力矩馬達和差動變壓器)的安裝控制、油缸與柱塞及V型密封圈的安裝控制等。

3)舵機正式運行前，一定要將液壓系統的空氣排出。將舵機壓力側(柱塞伸出端)油缸上的排氣閥打開，不停地反復操舵，柱塞運動平穩后表示排氣完成。

4)減小環境溫度對油液粘度的影響。在冬季低溫情況下(約10℃以下)起動油泵，應特別注意用小的偏心量和舵角進行操舵，待溫度升高后，再開始正常操舵。環境溫度過低時，還可以采用人為加熱的方式。

[1] 謝世平,范曉飚.電動液壓舵機的常見故障分析[J].交通科技,2007,8(1):44-45.

[2] 洗偉倫,余天明.舵機的故障及維護保養[J].機電設備,2007(4):48-50.

[3] 劉曉晨.川崎FE21-400電動液壓舵機仿真[J].中國水運,2008(1):55-56.

[4] 武漢船用機械有限責任公司.舵機使用說明[R].武漢:武漢船用機械有限責任公司,1991.

[5] DNV船級社.Fitting of hydraulic cylinders to foundation for ram type steering gears [S].DNV,2007.

[6] 武漢船用機械有限責任公司,電動液壓舵機船內安裝及調整要領[R].武漢:武漢船用機械有限責任公,2011.

[7] 姜繼海,宋錦春,高常識.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社,2002.