某船自動舵偶發失控故障分析與維修

鐘多就，申傳俊

(92236部隊，廣東 湛江 524002)

自動操舵儀是船舶的一種重要的導航裝備，包括航向自動舵和航跡自動舵。通常所說的自動舵，一般指航向自動舵。它通過羅經不斷傳送來的艦船實際航向與給定航向及舵角大小相比較，以獲得相應的控制信號來控制舵機適當轉舵，使得船舶自動保持在給定航向上航行。作為船舶航行的關鍵設備之一，其可靠性運行對保持船舶機動的準確航向、節約燃料延長航行時間、節省人力減輕勞動強度等方面有著重要意義[1]。

國內某船的自動舵在長時間航行過程中，偶發了舵機失控現象，本文詳細的介紹該船自動舵偶發失控問題發生后的解決過程，包括故障理論支持、原因分析排查、處理措施及修后驗證等，以期作為后續處理同類問題的經驗參考。

1 系統組成及特點

船舶操舵系統由控制系統、執行機構兩大部分組成。通常所說的自動舵是指控制系統，其由操縱臺、接線箱、操縱部位轉換箱、舵角反饋機構、電源箱等裝置組成。執行機構，又可以叫做驅動裝置、伺服裝置，主要是用于驅動舵葉轉動，一般分為驅動電機型、電磁閥型和電磁液壓換向閥型。該船執行機構采用的是電磁閥型，整個操舵系統設計和實現中體現了系統的可靠性，它包含1套控制系統或者2套完全獨立的控制系統，配合雙機組的選擇使用，從而有著很高的可靠性，故障率也比較低[2]。但其控制方法相對落后，在航行過程中對海況、速度、裝載等因素適應性較弱。同時，因線路轉接多，導致控制系統操作不太方便。萬一線路或器件發生故障，定位故障點到排除工作尤為困難且工作量大。

2 故障現象

該船的操舵系統投入使用的前幾年，情況基本正常。但進入修理期后，系統故障明顯增多，特別是遠航時，單機組在“自動”和“隨動”操縱方式下多次自動舵偶發失控的故障。具體現象如下。

1)停靠碼頭時。在無負載情況下，啟動I號機組，操縱舵機約1 h，舵機故障。舵機跑左滿舵后，接著又往右跑滿舵，左右來回滿舵跑，控制系統無法控制舵機。停機，重新啟動舵機，故障現象消失。繼續操作使用約30 min后，故障再次出現。

2)航行時。有負載情況下，啟動I號機組，操縱約30 min，舵機出現故障，無法控制。轉換機組后，工作一段時間，再轉換I號機組，操縱約20 min，故障再現。且發生故障的時間間隔越來越短。

3 故障理論分析

該船控制系統有獨立且互為備用的2套系統。每套系統還備有應急操縱，當電氣控制無法正常工作時，啟動應急操縱，直接向執行機構饋電，驅動舵葉，實施轉舵，從而改變船舶航向。操舵系統總框如圖1。根據故障現象可以推論，執行機構前級的信號輸入，為故障分水嶺。

圖1 操舵系統總框圖

每套控制系統以綜合放大器和電源功放板為核心部件，此型自動舵的大部分重要功能都在核心部件內完成。經過核心部件的有“自動”和“隨動”兩種狀態，給定信號由航差信號或者舵輪給出，其信號流程歸納如圖2。

圖2 “隨動”和“自動”方式信號流程

從故障現象分析，首先轉至應急操縱時，舵機工作正常，先排除了執行機構出現故障的可能性。其次，因為是互為備用的系統，轉至II號通道工作時，舵機工作正常，再排除了II號通道故障的可能性，同時進一步驗證了執行機構出故障的可能性。在排除執行機構環節和出現故障的可能性后，著重點應落在控制系統的I號通道上。唯一的原因是因為I號通道回路有故障。因此，重點排查I號通道回路是否存在故障。

4 排查步驟

4.1 簡易判斷

簡易判斷，利用“簡操”操縱方式直接饋電至電磁閥，不經過其它控制元件，檢查舵機工作是否正常，進而縮小故障范圍。首先在后舵房的接線箱上轉動部位轉換開關3S1至“舵機艙”檔，在簡操縱臺上啟動I、II號通道，若能夠正常操縱舵機，則可以排除執行機構故障的可能；接著將3S1至“駕駛室”檔位，轉到主操縱臺操縱，置操縱方式選擇開關S1至“簡單”操縱方式，部位轉換開關S3至“駕駛室”檔，通過操縱通道選擇開關S2啟動I、II號通道，若舵機工作正常，則排除I、II號通道存在故障的可能。本故障按以上闡述方式進行檢查，舵機均能正常工作，并沒有出現舵機失控現象。根據原理分析，則故障應該發生在舵角反饋電路、綜合放大板模塊、電源功放板模塊這3個方面，排除舵機執行機構方面故障的可能性。

4.2 進一步縮小故障范圍

利用I、II號通道工作相通性，互為備用的特點，進一步縮小故障范圍。將II號通道綜合放大板A2和電源功放板B2插至I號通道，經S2啟動I號通道，發現舵機工作正常；而將I號通道綜合放大板A1和電源功放板B1插到II號通道，通過開關S2啟動II號通道，舵機出現失控故障現象。由此可以斷定故障點發生在綜合放大板A1和電源功放板B1中，排除故障出現在舵角反饋電路的可能性。

4.3 逐級信號測量

采取逐級信號測量與電壓測量相結合方法，精確定位故障點。用II號通道將舵葉調整為右5°舵后，轉換到I號通道進行逐步電壓測量。由于舵機左右滿舵失控，為了防止舵機在排故過程中損壞執行機構，采取將A1板的1a、2a端的開關信號斷開的方法。將兩組調試連接線引出綜合放大板A1和電源功放板B1。將舵輪向右轉動5°，A1板的22b應該有+6 V的電信號，A1-1N7的9、10端輸出+6 V，A1-1N2的2端口有信號，則證明在1N2前級所有電路是完好的。此時21b端是經過A1-1N8相敏整流后的，因脫開1a、2a端口，舵葉還停留在右5°，若工作正常的話，反饋必有-6 V的電壓輸入。實際上，A1-1N12的2端口輸入電壓+6 V，證明反饋并沒有-6 V電壓與給定舵角電信號進行對消，因此造成了舵機跑舵，失控。檢查20a與19a是否有±15 V電壓輸入，發現20a端并沒有-15 V電壓輸入，導致1N8芯片無法正常工作，舵角反饋信號無法饋電至A1-1N12的2端口。A1板測量的接口信號示意圖如圖3。

圖3 A1板的測量接口示意圖

至此，I號通道發生故障的點基本浮出水面，可以確定B1板供電電路出現問題。首先應用應急操縱(“簡操”)進行簡單的判斷，縮小故障范圍；接著利用自動操舵儀2套系統互為備用的特點，再進一步縮小故障范圍；然后采取逐級電信號測量進行故障定位。排除故障難點在于停機、再啟動、使用一段時間后故障再次出現。根據一定的維修保障經驗可知，可以肯定的是屬于B1板某個器件由于長時間使用出現了一定程度的老化、性能不穩定造成的故障。

5 維修措施

對發生故障的電源功放板B1進行修理。電源功放板的主要功能是輸出三路直流電源±15 V和+6 V。±15 V供綜合放大器，+6 V為顯示、系統電壓。

±15 V由三端穩壓器7815(N1)、7915(N2)供給，外型圖及管腳圖如圖4所示。7815的1腳為輸入端、2腳為輸出端、3腳為公共端。7915的1腳為公共端、2腳為輸出端、3腳為輸入端。三端穩壓管7815提供+15 V，7915提供-15 V，其中-15 V電壓經過B1板的20a端口到A1板的20a端口。

圖4 (7815、7915、338)外型圖及管腳圖

7815、7915為固定式穩壓塊，最大輸出電流1.5 A，內部設有過流、過熱、短路保護電路。+6 V由三端穩壓器LM338(N3)供給，LM338(N3)輸出電壓在1.2～37 V范圍內連續可調，最大輸出電流5 A，內部設有過流、過熱、短路保護電路。本電路電壓為+6 V，通過調節R9獲得。外型圖及管腳圖如圖4所示，1腳為調整端、2腳為輸入端、3腳為輸出端。

三端穩壓管7915管子隨著時間增加的輸出電壓如圖5所示，在剛啟動儀器前20～30 min，用萬用表測量時有接近-15 V電壓輸出。30 min后，由于發熱，管子內部的過熱保護電路老化、性能不穩，從而造成-15 V電壓逐步輸出降低，直至無輸出。更換后進行了大量時間拷機，舵機工作正常。至此，可以確定故障排除。

圖5 三端穩壓管7915輸出電壓

6 結束語

此故障可歸結為隱顯結合的故障。在時間緊急的情況下，排除此類故障需做到以下4點。

1)保持頭腦清醒，思路清晰。設備在使用過程出現故障，特別是在航行過程中，情況相當緊急。作為維修保障技術人員，需要保持頭腦清醒，沉下心來理順排除故障的基本思路。

2)充分利用其設計特點。為保證航行安全，對于重要裝備而言，通道是互為備用的，充分利用此特點可以快速縮小故障范圍。

3)排除故障完畢后，需進行一定時間的拷機。

4)在長期的維修保障過程中，會碰到許多奇特的故障現象，有些為顯性，有些為隱性，在努力提高個人維修保障能力水平同時，還需要更多的耐心。

[1] 周永余，許江寧，高敬東.艦船導航系統[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 馮海林.HD-10型自動舵數字通道的研究[D].武漢：海軍工程大學，2003.