華順輪側推變距速度緩慢故障修理技術研究

計紅雷 全向宏 深圳華威近海船舶運輸股份有限公司

隨著船舶技術的不斷發展，為了提高船舶的操縱性能，艏艉側推器開始大規模進入應用。它主要用于輔助船舶自由靠港、離港、避險或在低速漂泊狀態時的精確定位，能增強船舶的操作使用和機動性能目前，很多新造船舶和特種船舶都安裝了艏側推，其操縱性能得到明顯的提高。艏側推大多裝在船艏水線下的橫向導筒中。艏側推裝置屬于重要的水下設備，一旦發生故障多要進塢維修，難度及成本很大。本文針對艏側推可變距螺旋槳的變距速度緩慢進行原理分析，并提出修改方案，最終有效解決了華順輪的操作故障問題。以此避免了進塢維修，減輕了船東的運營成本。

案例說明：

2015年7月15日，華順輪在南海某油田作業海區靠平臺機動操作時發現，艏側推可變螺距槳（即controllable pitch propeller 以下簡稱CPP）出現操縱故障。當時的故障現象是當CPP從右側100%螺距向左側100%螺距變距時，變距速度緩慢，而從左側推向右側變距時速度正常。同時通過觀察注意到，該故障現象基本是在側推器開始運行大約半小時后會出現。并且，隨著使用時間的延長，CPP變距速度會變得更慢，并逐漸惡化，以至于到后來大約數分鐘才能將螺距從30%左右變回到0位。該故障現象嚴重影響了船舶機動操縱性能，增加了“華順”輪長時間靠平臺作業的風險。

圖1 液壓系統原理

1.華順輪側推器的性能參數與驅動原理

該側推是由挪威ULSTEINPROPELLERA.S公司生產的150TV-A型可變螺距管道式側推器。驅動馬達采用電力驅動，電制440V/60HZ，功率589Kw，轉速118 5rpm；螺旋槳4片槳葉，轉速390rpm；控制系統液壓部分采用了伺服液壓泵，流量38升/分鐘的齒輪泵，電機 440V，功率 3.16Kw。液壓系統最大壓力（安全閥調節壓力）40-45bar，操作單元液壓壓力20-23bar；側推系統油約需200lts，槳轂潤滑采用潤滑油脂；推力接近9噸（1hp=735.5w，約11kg/hp）。

其螺距變距原理，采用了電液控制方式。液壓系統中，關鍵的元件有：輔助液壓系統（獨立的）中的微量閥（電液控制轉換元件），伺服小油缸，主液壓系統中的電動齒輪泵，組合閥，配油閥及動力油缸。螺距的改變由液壓模塊實現，液壓油經過電磁分配閥加載于側推裝置的伺服油缸，伺服油缸活塞帶動槳葉改變螺距。駕駛臺操作指令發出電信號，通過輔助液壓系統的微量閥，控制液壓小油缸活塞運動，驅動鏈接配油環的驅動桿轉動，從而控制動力系統配油環轉動，改變主液壓系統中動力油缸液壓油的進出方向，驅動動力活塞直線運動，動力活塞驅動變距機構完成變距。其變距機構為曲柄滑塊機構，由動力油缸中活塞帶動十字頭，十字頭帶動滑塊及曲柄運動，將動力活塞的直線運動變成驅動槳葉改變螺距的回轉運動，從而改變螺距大小。其液壓系統原理見圖1。

2.故障原因分析

通過分析，可以認識到槳葉變距慢的原因，有三方面原因：一是驅動力太小；二是阻力太大；三是液壓系統中的閥件故障的影響、以及管系泄漏或堵塞的可能。

其中驅動力的大小取決于油壓的大小，即F=P＊S(F為驅動力，P為液壓油壓力，S為動力活塞面積)；阻力的大小取決于兩方面，一是槳葉受到水的阻力的大小，二是轉葉機構本身的摩擦阻力。

考慮到華順輪使用年限較長，槳葉轉葉機構機械過度磨損的可能性很大，過度磨損可能導致變距機構在某方向或某位置阻力大從而引起卡滯。需要更大的推力方能推動槳葉變距。修復水下部分過度磨損機械零件，是最徹底的解決阻力大的方案。當然，進塢修理的花費不菲。首先要訂購相關大修備件，包括密封件及大型變距機構相關原件（或修復過度磨損零件至原始尺寸），其次是船舶的停船造成的船期損失。為了不影響船舶作業，如果能不進塢修理，是最經濟的解決方案。為了證實不進塢修理的可行性，我們抓住航次靠泊碼頭的機會及在油田作業間隙的機會，對側推進行多次的試驗記錄。通過試驗記錄發現，在側推運行前半小時，側推運行正常。測量結果如下:液壓油溫度低于53攝氏度,變距油缸油壓32bar,油泵出口壓力35bar。本側推安全閥設定壓力45bar，順序閥開啟壓力25bar。半小時以后測量，發現油溫超過53攝氏度以后，油壓隨著溫度升高，油壓逐漸下降至28bar。油壓下降的原因，隨著溫度升高，液壓油的粘度逐漸下降，液壓系統的泄漏量逐漸增加，由于泵的排量固定，導致油壓逐漸下降。當油壓下降到一定程度，油缸活塞的推力不足以克服槳葉轉動的阻力，造成槳葉變距緩慢或停止。另外，根據試驗，在側推主馬達不運行時，螺距的變距速度正常，壓力也較小，10bar以下。沒有水流的阻力影響，較小的力就可以推動變距。當槳葉在主馬達帶動下以390rpm速度旋轉時，此時由于水流的反作用力影響，隨著螺距加大，推力加大，水流的阻力也加大，當螺距到最大螺距角時阻力達到最大。正常情況下需20bar的油壓推動變距。由于槳的變距機構過度磨損，曲柄盤、滑塊、十字頭銷配合間隙變大，造成變距機構摩擦卡阻情況加重，阻力較正常情況偏大。根據測量數據分析，當油壓低于28bar時，從右向左變距變得很慢或卡滯。實測時發現，在右側30%螺距時動作特別緩慢。當壓力保持在32bar以上，螺距可以順利變動。也即是說，當油壓達到32bar，槳葉順利變距，而當壓力低于28bar時，變距速度變慢甚至在某個螺距角卡滯。

3.故障原因與解決方案

根據測試結果及槳葉變距慢兩點原因分析，要順利轉動槳葉，可采取以下措施：

（1）增加驅動力大小，即增加液壓油壓力。

（2）降低轉葉機構摩擦阻力。由于轉葉機構有過度磨損，必須訂購相關配件進塢拆解修理，消除磨損間隙的影響，方可使槳葉正常變距，這也是通常的做法，但前提是支付高額的修理費用及承擔停船停租巨大損失及對油公司服務帶來的負面影響。

顯然，如果考慮第一個因素，增加油壓至適當的壓力，大約32bar左右，可以讓變距正常動作，從而避免臨時停船進塢修理的不良影響。如果可行的話，可以適當延長側推使用時間甚至到下一個正常塢修期。

基于以上分析，我們優先考慮采取相關措施來提高油壓以增加驅動力的大小。

首先，分析油壓下降的原因：（1）液壓泵內部泄漏造成效率下降引起的壓力下降。（2）油溫升高，粘度下降，造成泄漏增加油壓下降。（3）液壓系統閥件及管系的泄漏或堵塞造成的油壓下降（參考側推液壓系統圖1）。

其次，針對以上油壓影響原因，我們采取了以下措施以提高油壓至32bar以上。

（1）訂購排量更大的液壓泵，訂購了一臺更大排量的液壓泵。原泵設計流量為38lts/m，我們選用了75lts/m的液壓齒輪泵，以補償液壓系統泄漏，并將舊泵送專業公司修復。由于此措施實施周期長，我們首先采取以下第二步改進措施。

（2）降低液壓油溫度。考慮到側推前半小時運行正常，油溫度低于53攝氏度，隨著運行時間加長，溫度逐漸升高。當溫度高于53度時發生故障。如果降低油溫，使油溫度低于53度，應該可以恢復側推變距功能。此措施實施可當天完成，于是立即購買了冷卻器，配置時考慮到吸口管徑匹配，冷卻器進出口管徑和吸口管相當。（原理是在泵的吸口管加冷卻器），將冷卻器串聯在泵的吸口。試車時發現，泵的壓力并沒有提高，仔細分析原因，由于在液壓泵的吸口串聯了冷卻器，增加了吸口管線長度，即增加了工質運動阻力，降低了吸口流量即泵的流量，雖然溫度降低了，得不償失。為了提高吸口管流量即克服冷卻器和管線的阻力，考慮在冷卻前增加一臺增壓泵。于是選購了一臺規格為75lst/m的低壓齒輪泵。改裝選配了一臺進口電機配上國產齒輪泵，經過數小時的改裝，完工后試車發現，油壓達到32bar，且油溫穩定在48度以下，達到了預期目的。經過長達1小時試驗，CPP變距操作正常。具體改裝圖參考圖2。

4.最終解決方案

首次改裝順利達到目的。經過初次改裝，證明了我們不進船塢修理的方案是可行的。

經過一段時間的使用，華順輪2016年8月反映，側推CPP操作故障又出現，故障和前一次改裝前一樣。基于上次的改裝及原因分析，我們對影響CPP變距速度的第3項原因進行了相關改進，即著力于排除液壓系統中的閥件故障的影響，以及管系泄漏或堵塞的影響。

圖2 第一次系統改裝圖紙

針對此項原因進行相關檢查及試驗。

首先，更換了液壓系統中安全閥和順序閥，疏通了泵的進口管線，通過逐項檢查排除，運行側推試車，發現改善效果不理想。大約半小時后故障依舊。

其次，重新考慮以上3個原因的影響，對側推故障原因再次進行分析及測試，期望能再做些改進，否則只能選擇進塢修理。測試時發現當側推運行超過半小時，油溫達到46度，油壓下降至28bar，出現CPP動作變慢影響操作。考慮到冷卻器前的國產增壓泵使用時間超過一年，決定更換的增壓泵，當天更換泵后，發現側推正常可以使用，壓力明顯提高至30bar。維持此狀態繼續使用了近2個月至2016年10月，發現故障現象又出現，且有加重，油壓低于28bar，且動作時間3分鐘以上，嚴重影響了使用。根據上次分析原因，可以判斷的是，側推變距機構磨損更嚴重了，進一步加重了變距阻力。

圖3 第二次系統改造圖紙

為了判斷液壓系統驅動變距力能否克服阻力，在側推主馬達不運轉情況下，操作CPP變距至最大，觀察油壓情況。如果泄漏嚴重，油壓應該低于28bar，如果油壓能達到32bar，說明泄漏可以補償。于是我們取消了伺服小油缸機械限位，手動操作螺距至最大螺距位置，發現油壓可以升高到34bar，泵出口壓力36bar。根據以上分析，可見壓力還有提升空間，可以一試能否克服逐漸增大的阻力。如果排除液壓管系對流量的影響，增加泵的流量，將壓力升高到32bar以上，即可以推動CPP動作。

為了排除液壓泵吸口的增壓泵及冷卻器，管系對總流量的影響，我們對串聯的雙泵進行了流量測試。分析了現有液壓系統各元件情況，測量了油泵的流量，發現雙泵串聯的流量僅為32升，明顯低于設計流量38升，考慮到主泵的流量已經增加到75升，問題應該存在增壓泵上及其他液壓閥件和吸口管線上。首先，我們將液壓閥件順序閥和安全閥換新，調整好壓力，試車，發現故障現象依舊存在，排除了水上部分閥件泄漏原因（華順輪上一次進塢修理時已經將槳轂部分的配油閥換新，可以基本排除水下閥件泄漏原因）。其次，串聯泵的流量過小影響了系統流量。于是決定將吸口增壓泵及冷卻器和相應連接管線拆掉，將系統復原，冷卻系統單獨改裝，另找了冷卻器的吸口和出口，見改裝圖。并且，將液壓泵吸管線進行了疏通。經過再次改裝測試，發現油壓顯著升高至32bar，在不加冷卻器的情況下運行了1個小時，壓力32bar，正常，油溫升高到48度，CPP操作正常。達到改裝目的，如果進一步控制油溫，側推運行可以達到正常運的變距要求。后來，經過海上長時間作業，側推連續運行長達4小時，經測量，系統滑油油溫穩定在50度左右，油壓保持在32bar左右，CPP變距正常。經過后來的數次航行試驗證明，連續長時間靠平臺使用側推情況下，CPP螺距均可正常操作。第二次改裝見圖3。

5.結束語

經過一年多時間的使用及前后兩次系統改造，華順輪側推變距緩慢故障已基本消除。同時證明了我們的研究方法及修改措施對該類故障的解決具有顯著的成效。此次維修改進方法徹底達成了我們預想目的，為船東節約了時間與經濟成本，是一次有指導意義的改進實踐。