某調距槳裝置螺距抖動故障分析

馬曉乾

（1．上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444；2．上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

可調螺距螺旋槳（簡稱調距槳，CPP）作為船舶主動力推進裝置，是集機械、液壓以及電控為一體的復合系統。在主機轉向和轉速一定的情況下，調距槳可較方便地通過改變槳葉螺距角度實現主機負荷的增大和減小，從而改善船舶在不同航行工況下的推進效率和操縱性能，實現船、機、槳的良好配合[1]。

1 故障現象

調距槳裝置根據監控系統發出的螺距指令來控制液壓系統的比例閥（或備用電磁閥），使液壓機組產生的高壓油通過配油器進入軸內油管和槳轂油缸的正車腔或倒車腔；活塞在液壓油的作用下向前或向后移動，從而帶動曲柄-滑塊機構運行，使槳葉繞其轉軸轉動，實現槳葉螺距的變化。

在一次航行試驗過程中，主機運行工況穩定，螺距表指示顯示為93%，螺距表指針開始發生約±3%的振蕩，此刻負責機艙的工作人員應立即要求主機脫排并停車，以免發生嚴重事故。由此，本文分析了可能引起該故障的3大原因及初步排查方法。

2 機械原因

為查找機械系統故障引起的螺距抖動，按表1對可能的機械故障點進行了排查。

對以上各故障點進行仔細排查后，未發現問題，說明槳轂組件到配油器之間的機械部分并無故障[2]。

表1 機械故障點及排查方法

3 液壓原因

根據表2內容進行故障排查。

由于此套液壓系統較為穩定，經過上述方法排查后發現液壓系統功能正常，由此可見，液壓系統也無故障。為了驗證液壓系統無故障，也可通過左右槳液壓機組對應閥件互換的方式確認閥件是否發生故障[3]。

表2 液壓故障點及排查方法

4 電控原因

經過對機械系統與液壓系統的故障排查，發現2大系統均能正常使用且穩定可靠，故將重點關注電控系統的檢查。對于電控系統的檢查分為2部分，即實際螺距有振蕩現象和實際螺距無振蕩現象。如表3所示。

表3 電控故障點及排查方法

首先判斷實際螺距有無振蕩可從2點進行判斷。

1）機械指針有無晃動，倘若機械指針有晃動，則螺距表必然也會有抖動，證明實際螺距有振蕩；反之，倘若機械指針未晃動，而螺距表有強烈抖動，則證明是表3所述的后3種情況之一。

2）觀察船用軸功率儀在故障發生時，有無劇烈軸功率突變。當航行工況沒有改變時，主機轉速恒定；如若實際螺距發生抖動，則可能引起軸功率有較大上下浮動。由此可知，實際螺距發生了抖動。

在確定實際螺距發生抖動的情況下，當檢查反饋電位計時，電位計兩端的輸入電壓為10 V。使用控制箱上的本地控制按鈕進行正倒車操作，將螺距調至93%時，可發現實際螺距與理論螺距存在差異，反復試驗3次～4次，均得出以上現象。此時測量反饋電位計中間抽頭與兩端點間電壓有0.1 V～0.2 V的上下浮動量，由此判斷應為反饋電位計故障。為了驗證確實是電位計故障，將萬用表連接在電位計中間抽頭與任意端點上進行測量，且繼續使用機旁控制箱本控操作正倒車，發現螺距在93%±5%時，電壓有突變現象，即不像正常電位計電壓變化那般順滑。由此，確認螺距抖動是由電位計故障引起的。

電位計是安裝在配油器旁螺距發訊器中的部件，是一種可調電子元件，由1個電阻體和1個轉動或滑動系統組成。當在電阻體的2個固定觸電之間外加1個電壓時，通過轉動或滑動系統改變觸點在電阻體上的位置。因此，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關系的電壓，如圖1所示。

本文使用的反饋電位計為電阻式精密電位計（如圖2所示）。

圖1 電氣示意圖（軸端俯視）

該電位計的特點是體積小，性價比高，使用壽命長（擁有100×106次運動壽命），線性優異（達±0.2%），分辨率高（優于0.01°），最高允許轉速達10 000 r/min，且能無限制連續旋轉。該電位計適合應用于測量、控制和儀器化的儀表。

圖2 P-2500電位計（單位：mm）

在得出電位計故障的結論后，需使用調距槳裝置常用的閉環控制系統，如圖3所示。

圖3 閉環控制系統

電位計是將機械位移轉換成電信號的重要元件。在調距槳運行過程中，發出螺距指令后，PLC將通過液壓系統控制雙油管活塞前后運動，進而將其轉換成槳轂槳葉的旋轉運動。在精確控制槳葉旋轉角度時，配油器上的螺距發訊器便起到了決定性的作用，因此電位計故障對調距槳裝置的使用以及整個船舶都會產生極大的負面影響。

找出螺距抖動故障的原因后，更換備用電位計，本控操作測量電位計輸出的電壓平滑，螺距指示也再無抖動現象發生。后續又安排了一次航行試驗，驗證了螺距在動態航行過程中不會發生抖動，由此可見，故障消除。

電位計、螺距發訊板等都是電控系統中閉環控制中較為重要的元器件，當其發生故障或損壞時，調距槳裝置將會無法再使用遙控操作。故在重要零部件投入使用前，應進行可靠性試驗以驗證其穩定性。安裝部位振動、噪音大以及空氣中水汽油對電控系統部件的損害等都應考慮在內。

5 結論

本文在故障排查過程中，基于有限的條件，從機械、液壓及電控等方面分別進行討論，梳理了可能發生的故障部位，并制定了行之有效的驗證方法，最終確定螺距抖動是由電位計故障導致的。

船用調距槳裝置的應用在國內已相當成熟，其設計過程也是殊途同歸的。故本文對螺距抖動的排查方法也適用于其他類似船用調距槳裝置，為今后排查螺距抖動提供思路。