AQMUS205FP型全回轉舵槳液壓系統原理及故障分析

李文釗，白棟材，孫可義

(神華黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061113)

AQMUS205FP型全回轉舵槳液壓系統原理及故障分析

李文釗，白棟材，孫可義

(神華黃驊港務有限責任公司，河北 滄州 061113)

針對神華黃驊港拖輪AQM US 205 FP型全回轉舵槳液壓系統控制原理和常見故障進行了重點分析，并結合故障實例，探討快速解決舵槳液壓系統故障的思路和方法。

全回轉舵槳；液壓系統；故障分析

Abstract:In this paper,the control principle and common faults are analyzed of the hydraulic system of tug type AQM US 205 FP full-revolving rudder propeller in Shenhua Huanghua harbor,and thinking and method of solving problems are probed on the hydraulic system of rudder propeller with the trouble example.

Keywords：full-revolving rudder propeller;hydraulic system;fault analysis

芬蘭Rolls-Royce公司生產的AQM US 205 FP型全回轉舵槳在港作拖輪、渡船和工程船舶上廣泛應用[1]。它有著結構緊湊、操作便捷和機動性強等優點。由于該舵槳系統結構精密、控制復雜，維修難度大，本文結合工作實踐分析其液壓系統工作原理和故障原因。

1 舵槳液壓控制系統原理

AQM US 205 FP型舵槳是一種吊艙式Z型傳動、可轉向的推進單元，主要由回轉機構、輸出軸系、墊圈、轉舵裝置、潤滑系統、螺旋槳和底蓋等組成[2]。“神華拖1”輪即是裝備2套AQM US 205 FP型全回轉舵槳的2 940 kW拖輪，主要參數見表1。拖輪主柴油機啟動后，轉速和轉矩經中間軸系傳遞到舵槳輸入軸法蘭。輸入軸上裝有皮帶輪，通過6根V型皮帶驅動組合泵運轉。

表1 “神華拖1”輪舵槳主要技術參數表

1.1離合器控制原理

離合器控制泵1從油箱吸油為離合器控制提供液壓油，離合器控制原理見圖1。為了保護舵槳系統中軸承、齒輪、轉舵齒輪和離合器及其控制元件，液壓油流被強制流過1個或2個濾器3。壓力油流過濾器后會進入減壓閥4，從而調整到離合器恒定工作壓力，之后油流經過冷卻器11。冷卻器上設有旁通閥，一方面降低高壓油流對冷卻器的沖擊，另一方面通過高低黏度油流混合達到降溫的目的。最后，從冷卻器出來油流被引入上部齒輪箱的軸承，最后返回油箱12。

1-離合器控制泵；2-濾器選擇閥；3-雙聯濾器；4-減壓閥1；5-減壓閥2；6-電磁換向閥1；7-壓力傳感器；8-溢流閥1；9-電磁換向閥2；10-溢流閥2；11-滑油冷卻器；12-油箱。圖1 離合器控制液壓原理圖

AQM US 205 FP型舵槳的離合器控制有3種工作狀態：脫排、滑擦和合排，電磁換向閥6的線圈得失電情況見表2。當駕駛臺控制手柄離開零位(約5°)，手柄內的微動開關動作，送出嚙合指令。該指令通過I/O串口單元讀取，然后轉換成數字量模式并通過CAN總線傳送到CAN控制器節點(CCN-01)，經CCN-01內置程序處理后發出指令使Y353電磁閥得電，經過約1 s延時后，又使離合器的電磁閥Y351得電，離合器控制壓力油一部分經溢流閥8泄壓后經系統背壓閥回油箱，另一部分壓力油降至0.8 MPa后送至離合器，使其嚙合但在滑動摩擦狀態。再經過2 s左右，Y353電磁閥失電，油壓恢復至2.4 MPa，離合器完全合排。離合器嚙合過程中，液壓油先泄壓再增壓的設定，是為了減小對離合器的沖擊和增加潤滑的需要。

表2 離合器動作時電磁閥得失電情況表

系統中的壓力傳感器7監測嚙合壓力值，當系統沒有檢測到信號，延時3～5 s左右，取消嚙合指令，使Y351電磁閥失電，離合器分離。若手柄還在嚙合的位置，系統又會重復執行上述程序，經過2次后，系統發出報警(ACU warning-*CL-SR-F離合器嚙合故障)[3]。當控制系統在沒有得到壓力傳感器7的閉合信號時，為保護離合器，這時推動加速手柄時，系統將不給主機速度控制信號(4～20 mA模擬量)。

1.2轉舵控制原理

液壓轉舵控制系統是一個封閉的系統，其控制原理見圖2。主轉舵泵1為斜盤式軸向柱塞泵，由比例換向閥6改變斜盤傾斜角度來實現泵的變量、變向控制。主泵單元的內置增壓泵12主要作用是補償內部泄露、保持變量泵控制系統所需的壓力和沖洗冷卻泵殼體等。主轉舵泵出來的液壓油分2路各控制1個液壓馬達。任一主油路上設置1個安全閥(7或8)設定壓力為32 MPa；兩主油路同時共用一個或門梭形閥3，該閥后設有一溢流閥2(設定壓力為30 MPa)。當系統壓力超過30 MPa時，首先打開或門梭形閥，主泵傾斜盤內的液壓油經第一個溢流閥2泄壓，斜盤回復原位，降低主泵排量；若系統壓力仍大于32 MPa時，第二個安全閥(7或8)同時泄壓，迅速降低系統壓力。

1-主轉舵泵；2-溢流閥1；3-或門梭形閥；4-馬達(HM2)；5-馬達(HM1)；6-比例換向閥；7-安全閥1；8-安全閥2；9-溢流閥2；10-雙聯濾器；11-濾器選擇閥；12-增壓泵；13-油箱。圖2 轉舵控制液壓原理圖

舵槳回轉動作是由2臺馬達(HM1和HM2)驅動來實現的。在舵槳機構上有2個角度傳感器，一個是轉舵控制反饋，另一個是推力方向指示。這2個傳感器是一種電位器，通過轉向管里的機械齒輪箱驅動。手柄或舵槳轉動位置通過I/O串口單元讀取，然后轉換成數字量模式并通過CAN總線傳送到CAN控制器節點(CCN-01)。當舵槳轉向時，舵槳控制單元(ACU)CCN-01節點的內置程序會比較參考值和實際值的差。轉舵系統會根據這個差值成比例發出控制信號給主泵的三位兩通比例換向閥，主泵輸送的油流驅動液壓馬達轉動，通過齒輪和齒圈傳動使舵槳轉向。當舵槳實際角度接近設定值時，這個信號也會相應減小，從而控制轉舵速度降低，直到轉舵完成。

2 舵槳液壓系統常見故障分析

舵槳液壓系統中設置了多種儀表和傳感器來監測系統運行狀態，并通過報警系統及時反饋。常見的報警故障有液壓油濾器堵塞、離合器合排壓力低和油溫高報警等。

2.1濾器堵塞報警

濾器進出口裝設壓差傳感器，差值為0.25 MPa，當液壓油壓差值高于設定值且持續時間大于15 s時發出報警指示。當發生報警時，首先要拆卸濾器進行清洗或更換。濾器的清洗和更換作為日常維護保養項目之一有固定的周期，清洗時要特別觀察雜質情況來判斷系統工作狀態。清洗或更換后仍然報警的，可排查壓差傳感器自身故障，如濾器出口導壓管堵塞或電氣線路故障等。

2.2離合器合排壓力低

合排壓力監測點設在離合器控制油路濾器出口處，設定值為1.7 MPa，同時該處設置一個壓力表和一個備用接口用于日常巡檢、維修。導致離合器合排壓力低的原因主要有以下3種。

1)壓力儀表或傳感器損壞。壓力傳感器和壓力指示表互相校核，當壓力表指示值與系統報警不一致時，則檢查二者是否損壞。壓力表指示壓力偏差往往是由于銅管不暢通造成的，需要定期疏通。壓力傳感器常見故障有微動開關損壞、閥芯卡阻、阻尼孔堵塞或電氣線路故障等。

2)管路或液壓閥等元件泄漏。液壓油泄漏會造成油箱液位降低，進而柱塞泵入口吸空而無法建立壓力。閥塊或管接頭滲油往往是該處密封圈老化失效導致，要將關鍵部位的密封圈更換納入日常檢維修項目中定期更換。

3)液壓泵損壞。柱塞泵對油液要求嚴格，由于舵槳工作環境惡劣，維修保養過程中如果清潔不當會導致液壓油雜質污染，造成液壓泵機械損害。

2.3油溫高報警

液壓油溫度過高會造成油品變質和油液中空氣溢出造成系統穴蝕等危害。舵槳液壓系統的油溫監測點有多處，如液壓系統、液壓系統油箱和重力油柜等。造成系統油溫高的原因主要有以下3種。

1)液壓油冷卻系統故障。舵槳液壓油經船舶海水冷卻系統冷卻。由于此冷卻器與主機淡水冷卻器、空冷器等串聯，如主機負荷過高會造成末端海水溫度高影響舵槳冷卻效果；海水管路和冷卻器容易臟堵，造成流量降低也能導致油溫過高。

2)系統內部異常磨損嚴重。液壓系統中泵內部磨損、閥塊與閥桿的摩擦等會產生油溫升高；部分油液潤滑和冷卻傘形齒輪，也會產生大量熱量；舵槳液壓系統處在機艙的高溫工作環境，尤其是夏季特別容易造成系統油溫過高。

3)油箱油位低。因泄漏等原因造成的系統油量過少，內部油液循環加快，散熱時間變短，導致油溫高。

3 舵槳液壓系統典型故障實例

神華黃驊港全回轉拖輪已運行10余年，積累了豐富的舵槳液壓系統故障處理經驗。

3.1控制手柄發訊故障

黃驊港“神華拖1”輪，在工作中發現駕駛臺控制手柄歸零位后，左舵槳離合器未能脫排，而且此類故障以前偶爾發生過，而能執行正常的合排動作。首先分析故障的偶發性且合排動作能正常執行，說明液壓閥、執行機構也正常，問題可能出在脫排指令的傳送過程上。于是從指令發出開始檢查，操作手柄觀察電磁閥線圈得電情況正常，拆卸控制手柄后檢查控制離合器的微動開關，發現其零位位置與手柄零位不一致，經調整后，試車正常。

3.2離合器機械故障

黃驊港“神華拖1”輪工作中突然發生右槳離合器無法脫開故障，在反復操作數次后成功脫開。故障排查分析本著先電氣控制后液壓機械的原則，首先分析脫排控制指令是否正常輸出，操作手柄并檢查控制離合器的電磁閥線圈，發現線圈正常得電且電壓正常。再檢查系統各處的壓力指示，都在正常范圍內，管路未發生堵塞，Y350、Y351和Y353也未發生卡阻。拆檢雙聯濾器濾芯，油質正常，濾芯也沒有明顯雜質。最后，只能將舵槳液壓系統解體，發現離合器活塞彈簧壓盤固定螺栓數根斷裂，導致合排時勉強傳遞轉矩，而脫排時壓盤傾斜造成彈簧無法使活塞完全復位。經更換固定螺栓后，試車正常。

[1] 牟偉,張守波,范麗麗．羅爾斯-羅伊斯AQM US 205-255系列舵槳滑差離合器淺析[J]．船電技術，2015(2)：37-48.

[2] 齊冬. 港口全回轉拖輪應用及其推進裝置研究[D].大連:大連海事大學,2012.

[3] 岳小林．Z型舵槳離合器故障分析及處置探討[J]．中國高新技術企業，2015(29)：105-106.

李文釗(1988-)，男，山東鄒平人，工程師，碩士，主要從事港機和港作拖輪機電設備管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.003

2017-05-22