船舶舵機跑舵PSC典型案例分析

杜榮耀 周亞旭

一、前言

舵機是船舶保持航向的關鍵設備，船上習慣籠統(tǒng)地將轉舵機構、動力設備、輔助設備和相關電控系統(tǒng)等統(tǒng)稱為舵機。目前絕大多數船舶舵機都是靠轉動舵葉使其有不同的舵角來控制船舶航向的。

船舶上的舵機大多數為電動液壓舵機。船舶舵機按其工作原理可分為閥控型和泵控型兩種。

閥控型舵機的基本工作原理為：液壓舵機系統(tǒng)使用單向定量液壓泵供液壓油，通過電磁閥來控制油路方向，從而改變舵的轉動方向。此種液壓舵機及其控制系統(tǒng)相對簡單，造價相對較低。缺點是任何時候泵都以全流量排油，經濟性稍差，適用功率比泵控型要小。

泵控型液壓舵機基本工作原理為：液壓舵機系統(tǒng)是采用了雙向變量泵，通過伺服機構控制泵的排油方向來控制油路方向，從而改變舵的轉動方向。舵機按轉舵機構的不同可以分為往復式舵機和轉葉式舵機。往復式舵機通過若干個活塞來控制舵葉轉向，轉葉式舵機通過反向工作的葉片泵來控制舵葉轉向。

舵機是保證船舶的操縱性能、確保船舶安全航行的重要設備，保持船舶舵機工作性能良好對于船舶安全具有重要意義。

二、船舶舵機相關公約要求

1.公約適用范圍

船舶舵機的要求是來自《1974年國際海上人命安全公約》附則第II-1章第29條操舵裝置和第30條電動和電動液壓操舵裝置的附加要求這兩條的要求。《1974年國際海上人命安全公約》1981年修正案（MSC.1（45））對附則II-1章1-54條進行了重寫，形成本章的第29條操舵裝置和第30條電動和電動液壓操舵裝置的附加要求，并于1984年9月1日生效。即于1984年9月1日或以后安放龍骨或處于類似建造階段的船舶，都適用第29條和30條。第II-1章第29條操舵裝置的最新修訂是2014年的MSC.365（93），是對舵機海試要求的明確，對PSC檢查無影響。

2.幾個與PSC檢查直接相關的定義

（1）操舵裝置控制系統(tǒng)系指將舵令由駕駛室傳至操舵裝置動力設備的設備。操舵裝置控制系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、液壓控制泵及其電動機、電動機控制器、管系和電纜組成。

（2）主操舵裝置系指在正常情況下為操縱船舶而使舵產生動作所必需的機械、舵執(zhí)行器、操舵動力設備（如設有）和附屬設備以及對舵桿施加扭矩的裝置（如舵柄或舵扇）。

（3）操舵裝置動力設備：

①如為電動操舵裝置，系指電動機及有關的電氣設備；

②如為電動液壓操舵裝置，系指電動機及有關的電氣設備和與之相連接的泵；或

③如為其他液壓操舵裝置，系指驅動機及與之相連接的泵。

（4）輔助操舵裝置系指如主操舵裝置失效時操縱船舶所必需的設備，其不屬于主操舵裝置的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同樣用途的部件。

（5）動力執(zhí)行系統(tǒng)系指提供動力以轉動舵桿的液壓設備，由一個或幾個操舵裝置動力設備，連同有關的管系和附件以及舵執(zhí)行器組成。各個動力執(zhí)行系統(tǒng)可共用某些機械部件（即舵柄、舵扇和舵桿）或共用有同樣用途的部件。

（6）跑舵系指舵機不能保持指定舵角。

（7）沖舵系指舵機轉到指令舵角后仍繼續(xù)轉動一定角度。

（8）滯舵系指舵機收到舵角指令后不能立即轉舵。

三、PSC檢查典型案例分析

（一）船舶概況（見表1）

表1 PSC檢查案例船舶概況

（二）檢查缺陷認定及描述

在詳細檢查階段，檢查員在檢查舵機的過程中，要求船員進行機旁應急操舵測試。現(xiàn)場操作過程中發(fā)現(xiàn)在用1號舵機進行機旁應急操舵時，轉到左舵15度后，舵角持續(xù)向左舵增大；回正到0度，舵角向左舵逐漸增大；轉到右舵10度后，舵角逐漸向0度減小。經過多次測試核實，無論舵角轉到何角度均出現(xiàn)跑舵現(xiàn)象。試驗2號應急舵，也有類似現(xiàn)象。但從駕駛臺隨動控制沒有出現(xiàn)上述問題。

針對發(fā)現(xiàn)的缺陷，檢查員開具了如表2中所述的缺陷：

表2 舵機跑舵相關缺陷描述

（三）缺陷分析

無論是閥控型還是泵控型液壓舵機，其控制系統(tǒng)基本原理都如圖1所示。

圖1 舵機控制系統(tǒng)基本原理圖

比較環(huán)節(jié)是船舶隨動操舵和自動舵中重要的一個環(huán)節(jié)。當實際舵角與舵輪、自動舵給出角度不同時，經過比較環(huán)節(jié)，給出舵機控制機構一個信號，舵機控制機構通過傳動機構來控制舵葉角度，舵機控制機構在給傳動機構信號的同時也會給比較環(huán)節(jié)一個反饋，舵葉也會給比較環(huán)節(jié)反饋，來實現(xiàn)船舶轉向。

機旁應急操舵是屏蔽比較和反饋環(huán)節(jié)，直接由人工控制舵機執(zhí)行機構以控制舵葉。圖2是該船舵機控制系統(tǒng)邏輯圖，從中可以看出舵機操控的邏輯結構。

案例中該船舵機為泵控型舵機，通過控制雙向變量泵的排油方向來控制油路，從而實現(xiàn)轉舵。而雙向變量泵流量和方向的改變就是靠伺服機構來控制。如本案例中，伺服機構即由圖3中的伺服油泵、力矩馬達、電磁換向閥和伺服活塞組成。

圖2 舵機控制系統(tǒng)邏輯圖

圖3 舵機系統(tǒng)圖

（四）通過分步排除法對缺陷原因進行分析

不同類型的舵機跑舵的原因各有不同，本案例中的舵機為川崎泵控型往復式舵機，其系統(tǒng)圖如圖3所示，根據其跑舵情況初步判斷跑舵的主要原因可能為：控制系統(tǒng)故障；反饋環(huán)節(jié)故障；舵機執(zhí)行機構故障；雙向變量泵伺服機構故障。

本案例中跑舵情況為：1號舵機應急舵無人操作跑舵，2號舵機應急舵無人操作跑舵，兩臺舵機跑舵速率不同，從駕駛臺控制的隨動舵沒有跑舵現(xiàn)象，隨動控制沒有問題。

（1）如為控制系統(tǒng)故障，通常情況會出現(xiàn)問題的是隨動控制操舵，與故障現(xiàn)象不同，排除自動控制系統(tǒng)故障。

（2）如果反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么同樣隨動控制操舵會出現(xiàn)故障。應急操舵由于不接入反饋信號，不受反饋故障影響，與故障現(xiàn)象不同，排除反饋環(huán)節(jié)故障。

（3）舵機周圍沒有明顯的漏油痕跡，如果舵機執(zhí)行機構等公共部分故障的話，無論何種操舵方式，故障現(xiàn)象均應相同，據此檢查人員排除舵機轉舵油缸等如圖3中所示的公共機械部分故障。

（4）從機旁應急操舵跑舵故障現(xiàn)象來看，比較兩種操作方式，機旁應急操舵相比隨動系統(tǒng)少了反饋調節(jié)，隨動舵無故障最有可能是正常工作的反饋機構將跑舵消除。最明顯故障現(xiàn)象是在無人操舵時，本應該處于零流量位置的雙向變量泵未保持零位，結合兩臺舵機旁應舵無人操作有規(guī)律跑舵，那么最有可能是在無人操舵時應保持零位的雙向變量泵伺服機構存在故障。

雖然雙向變量泵伺服機構故障是最可能原因，但要明確雙向變量泵伺服機構是一套系統(tǒng)，由多個部件組成，如伺服機構中換向閥鎖閉不嚴，液壓油會持續(xù)進入伺服油缸，伺服活塞持續(xù)向一方向移動，使得雙向變量泵朝一方向持續(xù)加大油量。如為此種故障，舵機的表現(xiàn)為：在機旁應急操舵，暫停操作時，舵機會持續(xù)向一方向偏，并且越來越快。如為隨動操舵，控制系統(tǒng)會不停地調節(jié)舵機，企圖使實際舵角與所給出舵角一致，不停的調節(jié)會使電磁換向閥不停動作。此種檢查情況與實際不符，因此不是電磁換向閥鎖閉不嚴產生的故障。

如為伺服活塞故障，例如活塞卡死，那么舵將無法工作；活塞漏油，則會出現(xiàn)滯舵、舵機轉動速度慢等情況與實際故障情況不同，排除該部件故障。如為伺服機構零位偏移，在機旁應急操舵的表現(xiàn)為：暫停操作時，舵機會以固定速度固定向一方向移動。如為隨動操舵，線性傳感器會反饋零位并進行調節(jié)，因此在隨動控制時，反饋系統(tǒng)將該故障消除，不會出現(xiàn)跑舵，這種情況與現(xiàn)場檢查一致。因此該船舵機跑舵應該是伺服機構零位故障導致的。

（五）檢查缺陷整改

所屬船級社于當天登輪對缺陷進行了確認，服務商對該缺陷進行修復時證實，該問題確實如PSC檢查員判斷，是由于伺服機構零位不準導致，通過伺服泵控制閥進行零位調節(jié)，修復該缺陷。船級社缺陷糾正報告如表3所示。

表3 船級社缺陷糾正報告

四、進一步的建議

筆者后續(xù)多次對此類問題跟蹤檢查，發(fā)現(xiàn)該種缺陷并不是個例，而是有規(guī)律呈現(xiàn)，船齡較大且是川崎及類似的泵控型往復式舵機存在該問題比例較高，只是跑舵方向和嚴重程度有所不同，因此，該類問題應當引起船舶相關方的關注和重視。

1.對船東和管理公司而言

作為最大利益方與履行所營運船舶航行安全及防污染主體責任方，要對所屬船舶符合缺陷規(guī)律情況的船舶開展自查，及時將故障排除，防止意外發(fā)生。同時要建立科學保養(yǎng)計劃。過度保養(yǎng)會使維護費用增加導致營運利潤下降，而保養(yǎng)不足會造成船舶提前報廢且嚴重威脅船舶安全。因此航運企業(yè)要加強先進管理理念學習，統(tǒng)計船舶故障情況分布規(guī)律，對船舶營運、船舶壽命和維修保養(yǎng)等進行綜合分析，在以保障船舶安全營運、船員良好權益的前提下，制訂科學維修保養(yǎng)計劃來有效控制船舶的運營成本。

2.對船員而言

船舶維護保養(yǎng)是一項長期的工作，良好的日常保養(yǎng)能將事故隱患消滅于萌芽狀態(tài)。船員在船舶維護保養(yǎng)工作中起的作用很大。不同船舶有著不同的維護保養(yǎng)特點，在每次上船后要及時掌握船舶的維護保養(yǎng)計劃，及時按要求開展工作，對于日常保養(yǎng)不能浮于表面，要根據維修保養(yǎng)計劃將保養(yǎng)工作落到實處，良好的保養(yǎng)工作能減少突發(fā)事故的發(fā)生，更是對自己安全的一個保障，同時對于船舶關鍵設備更要注意。除日常維修保養(yǎng)外，良好的演習也是發(fā)現(xiàn)隱患的重要途徑。本文案例中的舵機故障并不是突發(fā)性故障，而是一個長期存在的問題，雖然隨動操舵時沒有故障現(xiàn)象，但如果船員在進行應急操舵演習時能多用心，就能及時發(fā)現(xiàn)該故障，進而消除隱患。

3.對PSC檢查人員而言

舵機跑舵到什么程度不符合要求，公約中沒有明確規(guī)定，但是這個問題對于船舶安全有較大影響。發(fā)現(xiàn)該問題時具體處理意見為離港前糾正還是禁止船舶離港，可以參考以下要求：（1）中國船級社《鋼質海船入級規(guī)范》第三分冊，13.1.5.9操舵裝置應有保持舵位不動的制動裝置。（2）《液壓舵機通用技術條件》（CB/3129—82）中1.10無論舵處于任何位置，均不應有明顯跑舵現(xiàn)象。

在臺架實驗中，當舵桿扭矩達到公稱值時，往復式液壓舵機的跑舵速度不應大于0.5度/分鐘，轉葉式液壓舵機不應大于4度/分鐘。其次也要看船舶總體狀況而定。

五、總結

舵機作為船舶的重要組成部分，在保障船舶正常航行方面起著重要作用。保障舵機的正常工作對于船舶航行安全至關重要，各個公司要結合此種故障規(guī)律盡早排查以免造成事故，船員在日常工作中要加強設備的檢查與維護保養(yǎng)工作。PSC檢查只是起到監(jiān)督作用，只有船方作為責任主體做好相關工作，才能保障船舶的營運安全與船員的生命安全。