廣西內河船舶液壓舵機存在問題與對策研究

曾志偉

摘要：液壓舵機是保持船舶航向，保證船舶安全航行的重要設備。文章依據船檢技術規范對船舶液壓舵機的相關規定，對廣西內河船舶裝船液壓舵機的系統組成進行了分析，指出了液壓舵機存在的問題及其原因，并結合廣西船舶實際情況提出了相應的解決方案，以提高液壓舵機安全技術水平，更好地保障船舶航行安全。

關鍵詞：液壓舵機;問題分析;解決對策

0 引言

《鋼質內河船舶建造規范》（2009）生效后，廣西液壓舵機生產廠家按照規范對舵機的新要求進行了更新設計，經改進的內河船舶液壓舵機在實踐中確實起到了提高安全性、減少故障率的作用，但同時也暴露出一些普遍和突出的問題。隨著內河航道等級的不斷提升，船舶朝大型化方向發展，新建船舶噸位越來越大，為保障船舶航行安全，有必要對液壓舵機存在的這些問題進行總結和分析，并及時采取有效措施切實提高廣西內河液壓舵機安全技術水平。

1 廣西內河船舶液壓舵機系統組成

廣西內河液壓舵機液壓系統原理見下頁圖1。分析該舵機原理圖，存在以下主要特征：

（1）轉舵方式采用手操和電操兩種方式，并通過電磁換向閥來轉換。長期以來廣西區內的河船舶駕駛員習慣于在船舶正常航行時使用手輪轉動轉向器來控制液壓舵機轉舵角度、方向和時間，當船舶在離靠碼頭時或者船舶主機怠速工況時才有可能使用電操手柄來控制三位四通電磁換向閥來實現舵機的轉舵角度和方向的變化，電操和手操通過電磁換向閥來切換。

（2）動力設備采用主機軸帶泵和電機驅動泵。為了節能，通常是主機軸帶一臺液壓泵作為常用泵來給液壓系統供油，另外再設一臺電機驅動液壓泵作為備用泵，當船舶在離靠碼頭或者船舶主機怠速工況及主機軸帶泵故障時才啟動向系統供油。

（3）油箱設置采用一個工作油箱，兩泵共用一個工作油箱，另外設置一個高位儲備油箱通過管路與工作油箱相連，在需要時給工作油箱充油。

（4）液壓油缸入口處采用手動雙聯截止閥，當管系或一臺動力設備發生單項故障時，操作截止閥手柄進行系統隔離和轉換。

2 液壓舵機存在的主要問題

2.1 液壓系統管系和附件的設置

2.1.1 問題描述

液壓舵機動力設備的管系和附件雖未實現互相獨立設置，但在油缸入口隔離閥處匯合。隔離閥采用手動雙聯截止閥（12）進行故障隔離，無法滿足船檢技術規范對液壓舵機出現單項故障時，能在10 s內進行隔離并轉換至另一套進行工作的要求。

2.1.2 問題原因分析

《鋼質內河船舶建造規范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.3（1）規定：對轉舵扭矩>16 kN·m的電控型舵機，其動力設備的管系和附件應互相獨立設置，僅在油缸入口隔離閥處匯合。當其管系或一臺動力設備發生單項故障時，此缺陷能被隔離，且能迅速轉換至另一臺使用，轉換時間應≤10 s，并應設有轉換的信號標識。

從圖1可見該液壓系統在單項故障隔離方面存在以下兩個問題：

（1）液壓系統動力設備及其管系在手操/電操電磁換向閥處進行了匯合，屬于兩個動力設備的公共部分，沒有進行完全獨立設置，如果此處的電磁換向閥及其管系發生故障（破損、泄露等），則整個液壓系統會因動力油短缺導致舵機失效。

（2）油缸入口處采用手動雙聯截止閥作為隔離閥對系統進行隔離，不能實現當液壓系統管系或一臺動力設備發生單項故障時，此缺陷能被迅速隔離并轉換至另一臺使用的要求。為什么液壓舵機采用手動雙聯截止閥作為隔離閥無法達到單項故障迅速隔離和轉換的要求呢？主要原因如下：

廣西內河船舶液壓舵機轉舵裝置布置在船舶尾艙平臺上，以前進出船舶尾艙是水密人孔蓋，現在有些船舶改為艙口蓋，在尾艙內設有直梯從艙口蓋或人孔蓋下到尾艙，但是并沒有在尾艙內設置與直梯及轉舵油缸平臺相連的工作通道。由于擺缸式液壓舵機油缸進出口連接的管路都是采用高壓軟管，而可能因為高壓軟管的質量問題，軟管在反復脈沖高壓作用下偶有爆管現象，爆管后有大量液壓油泄漏，可能造成液壓油箱油量不足和使空氣進入管路，嚴重影響舵機性能。若轉舵油缸進出口連接軟管等部件損壞，船員從打開人孔蓋或艙口蓋進入尾艙到達轉舵油缸平臺，然后轉換雙聯截止閥進行故障隔離需要較長時間，無法緊急隔離該處故障部件。再加上廣西內河船舶船員普遍對舵機的知識掌握不足，通常不具備解除故障的能力，所以僅有手動雙聯截止閥來進行故障隔離不可取。

2.1.3 解決對策

（1）取消手操/電操電磁換向閥，將兩套動力設備及其管系進行完全獨立設置，并在油缸入口處與隔離閥進行連接。

（2）將油缸進出口處手動雙聯截止閥更改為自動隔離閥，油缸進出口處采用自動隔離閥，其最大的作用是防止當油缸進出口處的軟管破裂導致舵機失效時，需要船舶駕駛員轉換到另外一套動力及管路，自動隔離閥會隨著駕駛員的轉換信號進行自動轉換，能迅速恢復舵機系統有效工作。

2.2 液壓泵的配置

2.2.1 問題描述

液壓舵機動力設備采用一臺主機帶液壓泵和另一臺電機帶液壓泵，在船舶正常航行時，如果主機帶液壓泵發生故障而主發電機組卻沒有運行發電，會造成無法啟動電機帶動液壓泵的情況出現，導致整個舵機液壓系統動力喪失而舵機失效。

2.2.2 原因分析

《鋼質內河船舶建造規范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.5規定：舵機裝置動力設備可采用由2臺主機分別驅動液壓泵的形式，也可采用一臺液壓泵由主機驅動，另一臺液壓泵由獨立的動力驅動的形式。

廣西內河液壓舵機動力設備配置和操舵模式都是采用一臺由主機驅動，另一臺由電機驅動的方式，船舶正常航行時由主機驅動液壓泵向舵機液壓系統供油，駕駛員操作手輪轉動轉向器進行操舵。在船舶進出港和離靠碼頭時，船舶啟動主柴油發電機組向船舶電站供電，啟動電動機驅動液壓泵向舵機液壓系統供油，并且轉換手操/電操換向閥切換到電操模式操舵。但在實際營運中為了節能，機艙設置的兩臺主發電機組在船舶正常航行時并不運行發電，船舶正常航行時照明和通信等用電由主機軸帶發電機供電。因主機帶的發電機其輸出電源并不符合技術要求，其原動機的主機轉速變化幅度很大，輸出的頻率、電壓不滿足船檢規范對主電源的頻率要求，所以不能接入主配電板作為動力設備電源供電。這種配置和營運方式給舵機系統帶來以下安全隱患：當主機帶液壓泵發生故障時，因為主機軸帶發電機發出的電不能接入主配電板供電給電動機，導致電機帶液壓泵無法啟動供油，整個舵機液壓系統失去動力而舵機失效。

2.2.3 解決對策

（1）主機帶發電機采用真正意義上的軸帶發電機，該發電機發出的頻率經過轉速或頻率的補償后可以滿足規范對主電源的頻率、電壓的要求，并且將軸帶發電機發出的電并入船舶主配電板當作主電源使用。當主機帶液壓泵故障時，可以通過軸帶發電機供電及時啟動電動機帶液壓泵向液壓系統供油，防止舵機失效。

（2）兩臺主機各帶一臺舵機液壓泵，另外設電動機驅動液壓泵一臺，即增加一臺主機帶液壓泵，其中一臺主機帶液壓泵常用，動力設備及管系閥件獨立設置，通過轉向器進行手操操舵;另一臺液壓泵由另外一臺主機通過可控離合器驅動作為備用，液壓泵的輸出管路與電動機帶液壓泵匯合共用一套管路系統，采用電操操舵，船舶正常航行時備用主機帶液壓泵通過控制離合器脫排不工作。當常用主機帶液壓泵發生故障時，離合器遙控合排啟動備用主機帶液壓泵，采用電操方式進行操舵。

綜上，目前對廣西內河船舶來說，最可靠又節能的配置方式是主機軸帶一臺液壓泵和電機帶一臺液壓泵，同時要求主機的發電機必須具有轉速或頻率補償功能，發出的電滿足規范對主電源的要求，并作為主電源接入主配電板供電，在船舶設計時全船只需配置一臺主柴油發電機組，這樣在成本上變化不大又可以保證船舶航行時的正常供電需要。

2.3 手操操舵與轉向器排量的匹配

2.3.1 問題描述

采用手動轉向器進行手操操舵時因轉向器排量選擇不當，導致在大流量時轉舵時間比電操慢而且背壓高，長時間運行使油溫升高、潤滑變差、噪音大，駕駛室環境差。

2.3.2 原因分析

廣西內河船舶液壓舵機通過手操/電操電磁換向閥進行手操/電操切換。主機在低速工況運行時，主機軸帶液壓油泵供油，因低速時液壓泵的供油量小，手操和電操兩種操舵方式其轉舵速度基本上無區別，但在主機高速運轉時兩種操舵方式的轉舵速度差別很大。電操操舵轉舵速度很快不便于駕駛員控制船舶轉向，手操操舵轉舵速度比較慢而且可以通過駕駛員轉動操舵手輪的快慢來控制轉舵速度，比較符合駕駛員的操舵習慣，但是在手操時發現在不操舵時駕駛室壓力表顯示為2～3 MPa（背壓），在技術上任何情況下不操舵時背壓應為0值，說明手操時液流流通不暢，造成液壓油泵供油壓力升高和內泄漏加大，操舵速度明顯比電操慢，經判斷是轉向器選型時排量不足造成的。在這種情況下長時間運行會使液壓油溫升高，造成潤滑變差、噪音變大，駕駛環境不舒適，液壓油泵需要輸出更高的油壓，且不利于系統各部件的正常工作，還會減少壽命、增加故障率。

2.3.3 解決對策

在采用轉向器操舵時一定要在設計階段對轉向器的排量進行校核，并在產品檢驗時進行驗證。

針對這種情況，是否可以取消轉向器操舵，采用雙電操方式？在主機軸帶液壓泵的情況下，因為主機轉速變化范圍較大，廣西內河船舶營運時為了節能，通常讓主機在50%額定功率以下運行，主機軸帶液壓泵皮帶輪的設計也是結合這個功率下的主機轉速來進行設計的，一旦主機在額定轉速附近運行，液壓泵的供油量就特別大，接近電機帶液壓泵的供油量的一倍，這個時候如采用電操會非常快，駕駛員操舵不理想，很容易發生危險，而這個時候采用轉向器操舵反而是一種較好的方式，它可以通過駕駛員轉動操舵手輪快慢來控制轉舵速度。

2.4 安全閥的選型及流量校核

2.4.1 問題描述

安全閥因選型不當、流量不足導致系統泄壓不暢，系統超壓引發安全隱患。

2.4.2 原因分析

《鋼質內河船舶建造規范》（2009）第2篇第9章第9.1.10.1規定：液壓系統中由于動力源或外力作用可能產生過高壓力且能被隔斷的任何部位，均應設置安全閥。安全閥的整定壓力應不低于最大工作壓力的1.25倍，但應不超過設計壓力。安全閥的最小排量應不低于通過安全閥排放的泵的總容量的110%，在此情況下，其壓力的升高應不超過整定壓力的10%。

在船上進行液壓舵機密性試驗和有關閥件參數整定時，發現當調小一個液壓泵排量作液壓系統高壓密性試驗后，調整安全閥開啟壓力至整定值，再調整液壓泵排量至額定排量，安全閥泄壓壓力遠高于整定值，壓力升高大于10%的整定壓力值且壓力表指針不穩定，若雙泵供油則壓力升高更大。出現這種現象的主要原因是個別舵機生產廠家在安全閥選型設計時沒有進行流量校核，造成安全閥流通量與液壓泵的排量不匹配。如果安全閥選型不當，就會出現系統泄壓不暢而導致系統壓力升高，給整個管系和閥件帶來嚴重的安全隱患。

2.4.3 解決方案

針對以上情況，應從這兩方面著手：

（1）要求舵機生產廠家在進行液壓舵機設計時，應對安全閥的流量進行校核，只有校核合格才能最終定型，否則應重新進行選型計算直到滿足要求為止。

（2）驗船師在進行產品檢驗和裝船檢驗時注意核對安全閥的型號規格，并在試驗時注意安全閥的壓力變化。

2.5 液控單向閥特性及負扭矩的影響

2.5.1 問題描述

部分舵機生產廠家為節約成本，僅采用雙向液控單向閥來防止跑舵，未考慮因內河航道水流變化多樣產生的負扭矩影響，而導致舵機操舵時經常發生停停走走現象，特別是在水流較急的水域更容易發生，影響船舶航行安全。

2.5.2 原因分析

負扭矩是由多種因素引起的，如船型、舵葉特性和水流沖擊等。水流沖擊在內河水域是普遍存在的。當水流沖擊與轉舵方向相同時，舵葉轉動速度加快，產生負扭矩現象。由于負扭矩的存在和液控單向閥具有不可能停留在中間某位置，不是開就是關的特性，舵機常常產生吞舵現象。其簡單過程是：水流沖擊→同方向轉舵速度加快→油泵失壓→回油管路單向閥關→停舵的瞬間過程。以上過程反復循環，使得油缸柱塞/活塞停停走走、增加振動和噪聲，長期使用將使舵機系統遭到破壞，因此采用液控單向閥無法克服負扭矩的影響。

2.5.3 解決對策

針對以上問題，認為內河船舶液壓舵機為防止舵機出現跑舵并克服負扭矩，應在每套操舵系統設置一個舵機專用閥，并且將其作為標準配置，確保舵機的安全性，從而保障船舶航行安全。因為舵機專用閥能很好地克服負扭矩現象，舵機專用閥是平衡閥的一種，由主閥和雙向安全閥兩部分組成，主閥起到換向、鎖舵和控制負扭矩的作用，雙向安全閥起壓力控制及旁通作用。

3 結語

液壓舵機的安全技術水平是保障船舶航行安全的關鍵，特別是對廣西內河船舶而言，因為廣西境內航道窄、水流急，船閘和跨河橋梁多，船舶密度大，如果不能確保液壓舵機的安全性，很容易因舵機失效而造成船舶碰撞、擱淺和沉船事故發生，因此，舵機的安全性、穩定性以及安裝和后期的維護保養都很關鍵，但前提是必須先保證舵機本身的設計制造達到船檢規范的安全技術要求，同時根據船舶航行航道的具體情況設計出符合使用要求的舵機。

參考文獻：

[1]中國船級社.鋼質內河船舶建造規范[S].2009.

收稿日期：2020-05-27