船用舵機液壓系統分析及典型故障處理

王孝霖，許歷，韓星星，蘇先明，解強

(中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431)

船舵安裝在船舶的尾部，主要由舵葉、舵桿、舵機等部分組成，其作用是改變或維持船舶航向［1］。船舶航向的改變是依靠舵機帶動舵葉來實現的，舵機在整個舵系統中處于重要地位。舵機的性能決定著船舶的回轉時間和半徑，影響著船舶的機動性。在船舶航行過程中舵機發生故障時，輕則導致偏離航向，重則影響應急規避造成事故，對船舶安全的影響是巨大的。

船舶舵機按照驅動動力的不同可分為3類，即蒸汽舵機、電動舵機和液壓舵機［2］。液壓舵機具有質量輕、尺寸小、靈敏度高，工作平穩安全可靠等優點，能緩沖風浪對舵葉的沖擊，運轉噪聲低、振動小，而且可實現無極變速，在現代大中型船舶上得到了廣泛應用［3］。

1 測量船舵機液壓系統分析

某遠洋船舶采用雙舵設計，配備了2臺Rolls-Royce公司生產的SR743X2型轉葉式舵機。轉舵執行機構為球形，內部腔室結構為三腔型，主要由轉舵油缸、定葉、球形轉子、轉葉、密封裝置等部件組成。其中，定葉固定在缸體內部，轉葉固定在轉子上，在液壓油的壓力作用下，3個轉葉在環形轉舵油缸內可帶動舵桿以恒扭矩轉舵。該舵機為閥控型液壓舵機，其液壓系統如圖1所示。

系統設有1號和2號兩個相同的泵單元，兩個單向定量泵3作主泵，經過操縱閥7和分配閥9，分別與3個轉舵油缸C1C2、C3C4、C5C6組成2個可各自獨立工作的閉式系統。2個泵單元中各設有分配閥9，該閥的旁通、隔離、工作3種工況可由旋塞手動調整，閥9常處于工作工況，可使2個泵單元并聯工作同時向轉舵油缸供油。正常航行時單用1臺主泵供油轉舵，其流量即能滿足在28 s內將舵由任一舷35°轉至另一舷30°的要求，并能達到額定轉舵扭矩。進出港或窄水道航行時，可雙泵并聯工作，扭矩不變，轉舵速度可以提高1倍［4］。

操縱閥7控制油液的流向，同時兼做主油路鎖閉閥;電氣遙控的電磁換向閥8作為操縱閥7的先導閥，控制油由主油路提供。先導式溢流閥5做主泵安全閥兼卸荷閥，整定壓力為12.5 MPa;溢流閥10作防浪閥，整定壓力為15.6 MPa。單向閥4位于泵的出口處起保護作用，防止系統中的液壓沖擊影響泵的工作，或當泵檢修時防止油液倒灌。液控單向閥6位于回油路，起保壓作用［5］。

在1號泵單元中，當操縱閥7兩端的先導閥8電磁線圈均斷電時，兩個先導閥均處于下工作位，閥7因兩端控制油經先導閥8通油箱而回中，從而閉鎖轉舵油缸油路，主泵排油經操縱閥7泄回油箱，能保證主泵卸荷。若電氣遙控系統使操縱閥某一端的先導閥通電，該導閥將處于上工作位，控制油從泵出口主油路經該導閥8進入操縱閥頂端，推動操縱閥閥芯離開中位，主泵排油經操縱閥和分配閥進入環形油缸。左轉舵時，先導閥8.1電磁線圈通電，控制油進入操縱閥右端，向左推動操縱閥閥芯，使得操縱閥處于右工作位，此時C1、C3、C5為進油腔，C2、C4、C6為回油腔，液壓油推動導葉進而帶動舵桿順時針轉動，從而實現左轉舵;右轉舵時，先導閥8.2電磁線圈通電，操縱閥處于左工作位，此時C2、C4、C6為進油腔，C1、C3、C5為回油腔，液壓油推動導葉進而帶動舵桿逆時針轉動，從而實現右轉舵。當電力遙控系統失靈時，可在舵機艙直接頂動先導閥8的閥芯操舵。

圖1 轉葉式舵機液壓系統圖

2 故障現象

船舶在某次窄水道航行期間，為了保證船舶的機動性，采用了雙舵雙泵的工況，即左、右舵機同時工作且各自均為雙泵供油。期間，發現左、右舵機工作不同步，向右打舵時左舵比右舵的轉舵速度慢，而向左打舵時雙舵正常。該故障給操舵帶來極大不便，影響了船舶的機動航行。如何盡快解決這一故障，成為擺在船上工作人員面前的迫切問題。

3 故障處理

錨泊后，在舵機艙內進行檢查。首先，在雙泵工作模式下操縱雙舵，將左、右舵機的轉舵速度進行對比，確定了左舵機向右轉舵時速度過慢。然后，針對左舵機進行檢查，對左舵機在單泵工作模式下進行操縱，發現2號泵單獨工作時左舵機左、右轉舵均正常，而1號泵單獨工作時，只能向左單向轉舵。

舵機只能單向轉舵的原因一般為以下兩個方面［6］:

(1)遙控系統只能單向動作，這種情況下機旁操作應為正常。這是因為電氣遙控系統只能給出單向操舵信號，例如線路連接故障、先導電磁閥一端線圈損壞。

(2)主油路單方向不通或旁通。可能是主油路某側安全閥開啟壓力過低，或主油路操縱閥單向不能開啟。

針對左舵機1號泵單元，機旁直接頂動左端先導閥的閥芯操舵，發現舵機可正常向右轉舵，疑為電氣遙控系統故障。但對電氣遙控線路進行逐步排查后，未發現故障;對左端先導電磁閥的線圈模塊進行檢查，也未發現故障。因此，故障應不是由遙控系統導致。討論就放在與主油路通斷相關的兩個方面:

(1)安全閥開啟壓力過低。在安裝時，對安全閥工作參數進行了試驗整定，此前工作一直正常，根據以往經驗可推斷安全閥發生故障的可能性很小。

(2)主油路操縱閥不能向右開啟。可能是操縱閥閥芯發生卡阻，或左端先導閥閥芯發生卡阻影響了控制油的流向。但由于遙控方式下左轉舵正常，機旁操舵時左右轉舵均正常，說明操縱閥閥芯能正常左右滑動。而機旁能夠直接頂動左端先導閥閥芯，給先導閥閥芯發生卡阻的判斷帶來了影響。為了盡快查找故障根源，工作人員將1號泵單元操縱閥左端的先導電磁閥拆下，并取出先導閥閥體，透過閥體下部油孔發現閥芯上存在劃痕及細小雜質。對先導閥內部進行清潔后安裝復位，遙控操作發現1號泵單元單獨工作時左、右轉舵恢復正常。

4 故障機制分析

先導閥為螺紋式插裝閥，其結構如圖2所示，主要由外彈簧、手動頂桿、磁芯、電磁線圈 (圖中未畫出)、閥芯、復位彈簧組成，閥體一和閥體二通過螺紋聯接成一體。該先導閥采用水平安裝方式，閥體上有油口A、油口B和泄油口T。電磁線圈斷電時，閥芯被復位彈簧頂起，如圖2(a)所示，控制油從油口A進入，因油口A與油口B不連通，壓力油經閥芯中部滑環上的油孔c依次進入油孔d、e，最后經泄油口T泄回油箱;此時，操縱閥閥芯端部油腔中的液壓油通過油口B，也經由泄油口T回油箱。電磁線圈通電時，磁芯因電磁力作用，克服復位彈簧阻力向左推動閥芯，此時閥芯右端滑環上的油孔d被封閉，油口B與泄油口T油路被切斷，而油口A與B連通，如圖2(b)所示，控制油從油口A進入，流向油口B，然后進入操縱閥閥芯端部油腔，推動操縱閥閥芯動作。應急條件下，通過按壓手動頂桿可直接推動先導閥芯動作。

圖2 先導閥結構原理

液壓油內雜質進入先導電磁閥內部的閥腔后，進入閥芯與閥體之間的滑動間隙，使得閥芯左右滑動時產生卡阻。因電磁線圈對閥芯產生的電磁力有限，閥芯受到推力小于阻力和復位彈簧的彈力，導致閥芯不能正常向下動作，控制油經油孔c、d、e及泄油口T泄回油箱，進而導致操縱閥閥芯仍位于中位，主泵排油泄回油箱，無法正常轉舵。而機旁手動操作時，因力度較大克服了閥芯的卡阻力、外彈簧彈力及復位彈簧彈力，直接推動了閥芯向下動作。而在復位彈簧的彈力作用下，閥芯可以克服阻力作用自行復位，所以在故障排除過程中，機旁手動操作正常后，再次進行遙控操作仍存在問題。分析結果表明，這一起舵機故障是由液壓油內雜質污染而導致的。

5 預防措施

從故障分析的結果可知，液壓油品質對舵機的影響不容忽視。舵機運轉過程中，機器磨損下來的金屬屑、橡膠密封材料的碎片以及水分混入到油中，會對液壓油造成污染。此外，液壓油與空氣長期接觸會發生氧化反應，油品會逐漸下降。為防止液壓油污染，應做好以下幾方面工作:

(1)注意濾器前后壓差，及時清洗或更換濾器。若發現濾器里有金屬屑，應作出相應措施，以便處理內部磨損。

(2)濾器清洗時，取出過程中應謹慎操作，避免濾器內雜質落入油箱，造成二次污染。

(3)液壓件拆卸維修時，應注意清潔，避免雜質進入系統。

(4)每年對工作油采樣一到兩次，檢查油的品質，達不到性能要求時，應當更換液壓油。

(5)充入的新油要經過精濾，因為即使出廠的新油，其清潔度不一定完全符合舵機液壓系統的使用要求。

6 結束語

對某遠洋船舶舵機液壓系統的組成和各液壓元件的功能進行了介紹，并對液壓系統的操舵原理進行了分析。從舵機液壓系統的故障現象出發，對故障處理的方法和過程進行了詳細介紹，通過分析先導電磁閥結構原理，表明液壓油內雜質是引起舵機故障的原因。液壓油品質對舵機的影響不容忽視，加強對包括液壓油在內的液壓系統的檢查和維護，是減少此類故障發生的關鍵。

［1］費千.船舶輔機［M］.大連:大連海事大學出版社，2005.

［2］張征寶.淺談國內海上航行船舶液壓舵機的檢驗及管理［J］.中國水運，2011，11(10):6 －9.

［3］于洪亮.船舶動力裝置［M］.大連:大連海事大學出版社，2006.

［4］梁福權，黃應邦，林錫坤，等.船舶液壓舵機的安全檢查及故障分析［J］.中國水運，2013，13(11):156 －157.

［5］李娟.淺談電動液壓舵機的常見故障及排除［J］.科技信息(科學教研)，2008(23):744 －749.

［6］許賢良.液壓傳動系統［M］.北京:國防工業出版社，2008.