船舶舵機液壓系統(tǒng)振動原因分析及處理措施

溫燕星

(湛江海濱船廠,廣東 湛江 524000)

汽蝕是一種常見的船舶材料腐蝕現(xiàn)象，對船舶流體設備造成極大破壞，導致船舶設備部件功能下降，嚴重影響船舶設備的運行安全和船舶行駛安全。汽蝕現(xiàn)象通常發(fā)生在液體絕對壓力值達到了其氣化壓力值的情況。現(xiàn)代船舶幾乎全部采用舵機液壓系統(tǒng)，舵機液壓系統(tǒng)是利用液體的不可壓縮性及流量、流向的可控性來達到操舵的目的，因此當舵處在交變復雜的工作環(huán)境，舵機液壓系統(tǒng)的液壓油容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。本文通過某船案例，分析舵機液壓系統(tǒng)汽蝕發(fā)生的條件以及預防措施。

1 故障現(xiàn)象

某船在南海惡劣海況下進行高速航行，在大舵角轉(zhuǎn)舵時，從左滿舵到右滿舵或者右滿舵到左滿舵，舵機液壓系統(tǒng)在0位、或者越過0位23°左右時，屢次強烈振動及發(fā)出刺耳的嘈雜聲，柱塞運行偶有短暫停止。該現(xiàn)象有時會持續(xù)若干秒。當該船靠泊碼頭后，工作人員在舵機艙簡操，舵機液壓系統(tǒng)表現(xiàn)良好，無振動及噪聲。

2 原因分析

2.1 舵機液壓系統(tǒng)型式

舵機液壓系統(tǒng)的型式有2種，一種是開式，一種是閉式。閉式舵機液壓系統(tǒng)特點是油泵的吸、排油口直接與液壓執(zhí)行元件的進出油口相連，形成一個閉合循環(huán)。為了補償泄漏損失，通常需要一個輔助補償油泵和油箱[1]。閉式舵機液壓系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 閉式舵機液壓系統(tǒng)示意圖

某船的舵機液壓系統(tǒng)型式是閉式，其單泵組舵機液壓系統(tǒng)工作原理圖見圖2。

圖2 某船單泵組舵機液壓系統(tǒng)工作原理圖

2.2 工作原理

主油泵的吸/排口經(jīng)過換向滑閥,分別與舵液壓缸的2個腔連接。主油泵是雙向變量柱塞泵。當柱塞從左舷往右舷運動時，主油泵排口排出的高壓油經(jīng)過換向滑閥右位進入液壓油缸的左側(cè)油缸，柱塞往右運動；液壓油缸的右側(cè)油缸的低壓油，通過換向滑閥右位，回到主油泵的吸口；當柱塞達到右邊的限位，且主油泵變量機構(gòu)中位時，吸口、排口既不吸油也不排油。當主油泵變量機構(gòu)變向后，主油泵吸口變?yōu)榕趴冢懦龅母邏河徒?jīng)過換向滑閥左位進入液壓油缸左側(cè)油缸，推動柱塞往左運動，舵液壓缸的右側(cè)油缸的低壓油則回到主油泵的吸口，依次循環(huán)。

輔油泵排出的液壓油分2路，經(jīng)過單向閥1和單向閥2，分別進入主油泵的吸口/排口的管路中。

2.3 舵機液壓系統(tǒng)

舵機液壓系統(tǒng)主油路分成2個獨立的液壓油路，一是主油泵的排油口經(jīng)過管路、換向滑閥到舵液壓缸的高壓腔；另一路是舵液壓缸低壓腔，經(jīng)過管路、換向滑閥到主油泵的吸口。

輔油泵的補油液壓油路主要是輔油泵從油箱吸油，然后排出，分兩路，經(jīng)單向閥1、單向閥2，分別接入2個獨立的主油路。

主油泵是柱塞泵型式，在運行中都有內(nèi)泄。因此，主油泵吸入液壓油流量，用Q主吸表示；主油泵的排量，用Q主排表示；主油泵的泄漏量，用Q主泄表示,單位均為m3/h。三者關(guān)系即：

Q主吸=Q主排+Q主泄。

(1)

當舵機液壓系統(tǒng)工作時，高壓油路接收到的是主油泵排出的液壓油。由于輔油泵補油路的單向閥限制，高壓油路的液壓油只能進入舵液壓缸的高壓腔，推動柱塞運行。此時，舵機液壓系統(tǒng)低壓油路接收到的液壓油流量，用Q低油路表示；低壓腔的柱塞位移容積排量，用Q柱排表示；輔油泵往主油路補給的流量，用Q輔補表示，單位均為m3/h。

低壓油路接收的液壓油流量表達關(guān)系，即：

Q低油路=Q柱排+Q輔補。

(2)

2.4 柱塞受力分析

舵液壓缸的油腔可作為一個厚壁圓筒壓力容器，舵液壓缸內(nèi)部壓力示意圖見圖3。當舵液壓缸的液壓壓力為P時，舵液壓缸截面半徑為r的圓柱面上點的徑向位移Δr表達公式為：

圖3 舵液壓缸內(nèi)部壓力示意圖

(3)

式中，P為舵液壓缸液壓壓力,Pa；E為舵液壓缸材料彈性模量,Pa；μ為舵液壓缸材料泊松比；r1為舵液壓缸內(nèi)徑,m；r2為舵液壓缸外徑,m。

從公式(3)可見，舵液壓缸的徑向位移Δr與舵液壓缸的液壓壓力P成正比，P值越大則Δr越大。此時具有一定容積長度l的舵液壓缸容積增量，用ΔV缸表示：

ΔV缸=2πr0Δr0l

(4)

式中，r0為舵液壓缸內(nèi)孔半徑，m；Δr0為舵液壓缸內(nèi)孔半徑膨脹量，m。

ΔV缸=cPl,

(5)

式中，c為舵液壓缸缸徑截面壓力系數(shù)，m2/Pa。

舵液壓缸的容積增量是主油泵的排量和工作時長t的結(jié)果，則：

ΔV缸=Q主排t，

(6)

式中，t為運行時間長度，s。

由公式(5)、(6)，得：

(7)

舵液壓油缸分別命名為進油腔A和回油腔B。舵和柱塞的質(zhì)量質(zhì)心,用M表示。假設舵受到的外力集中反映到柱塞上，用FM表示。柱塞在軸線方向還受2個力，一個是進油腔A高壓油給予的推力，用FA表示，另一個是回油腔B低壓油給予的推力，用FB表示，舵液壓缸受力示意圖見圖4。

圖4 舵液壓缸受力示意圖

FM、FA、FB都是隨時間t變化的，因此是時間的函數(shù)，分別用FM(t)、FA(t)、FB(t)表示，其柱塞的受力公式表達式如下：

FA(t)+FM(t)+FB(t)=ma(t)，

(8)

vt(t)=v0+a(t)t，

(9)

式中，F(xiàn)A(t)為t時刻進油腔的液壓油對柱塞的推力,N；FM(t)為t時刻舵裝置作用在柱塞的負載，N；FB(t)為t時刻回油腔的液壓油對柱塞的推力，N；m為舵裝置及柱塞的質(zhì)點質(zhì)量,kg；vt(t)為質(zhì)點t時刻的運行速度,m/s；v0為質(zhì)點t0時刻的初始速度,m/s；a(t)為質(zhì)點t時刻的加速度，m/s2。

2.5 舵負載發(fā)生變化時的分析

假設t=0時，柱塞以v0恒速從左往右運動。設柱塞運行方向為正方向，用x表示，如圖4中所示。恒速運動的條件是低壓油路接收液壓油流量Q低油路與主油泵吸入流量Q主吸相等，即：

Q主吸=Q低油路=Q柱排+Q輔補。

(10)

此時，舵液壓缸的A腔液壓壓力用PA0表示，對柱塞的推力為FA(t0)；B腔液壓壓力用PB0表示，對柱塞的推力為FB(t0)；舵的作用力為FM(t0)，三者合力為0,即FA(t0)+FM(t0)+FB(t0)= 0。

當柱塞質(zhì)點上FM(t)作用力出現(xiàn)劇烈變化時，舵機液壓系統(tǒng)各油路的液壓流量和液壓壓力的變化分析如下。

1)當FM(t)的方向與柱塞運行方向相同，F(xiàn)M(t)?FM(0)，且FM(t)為恒值時，由于FM(t)的方向與柱塞運行方向相同，根據(jù)公式(9)，柱塞加速度a(t)的方向為正。由于FM(t)?FM(0)，則柱塞的加速度瞬間變大。又因為液壓油的不可壓縮性且主油泵的吸油流量為恒值，則B腔里液壓壓力在FM(t)作用力下瞬間從PB0上升到PBt,液壓缸B腔的增壓PBt反作用在柱塞上，直至FA(t)+FM(t)-FB(t)= 0，柱塞恢復到初始速度v0運行。此時舵液壓缸 B腔的內(nèi)徑增加，柱塞瞬間加速而后恢復到初始速度，液壓缸A腔液壓壓力瞬間降低又恢復正常。

綜上所述，在外力FM(t)正作用下，設柱塞正加速度a到0的時間段為Δt。在Δt期間，外力FM(t)使低壓油路液壓壓力上升，液壓缸B腔容積增大；由于主油泵吸油流量恒定，低壓油路接收的液壓油流量不變，外力FM(t)正作用下的柱塞往低壓油路排的液壓流量全部轉(zhuǎn)化為液壓缸B腔的容積增量；高壓油路壓力瞬間出現(xiàn)脈沖式下降，然后恢復至初始值，接收到的流量不變，為主油泵的排量Q主排。因此外力FM(t)對舵機液壓系統(tǒng)影響不大。

2)FM(t)的方向與柱塞運行方向相反，且FM(t)?FM(0)時，F(xiàn)M(t)的方向與柱塞運行方向相反，則柱塞加速度a(t)為負值。則公式(9)變?yōu)椋?/p>

vt(t)-v0=-a(t)t。

(11)

兩邊乘以柱塞的截面受力面積,則變?yōu)椋?/p>

vt(t)S柱-v0S柱=-a(t)tS柱，

Q柱排(t)-Q柱排(0)=-a(t)tS柱，

(12)

式中，S柱為柱塞截面受力面積，m2。

由公式(12)可以發(fā)現(xiàn)，當FM(t)的方向與柱塞運行方向相反時，則柱塞往低壓油路排的液壓油流量會減少。令：

ΔQ柱排(t)=S柱a(t)t。

(13)

低壓油路管系空間是由氣體體積V空和液體體積V液組成的。在低壓油路管系充滿液壓油且氣體溶解在液壓油里面時，則V空≈0，氣壓等于液壓；當t時刻低壓油管路接收的液壓油流量小于主油泵的液壓油吸入量時，則溶解在液壓油里的氣體溢出，氣體體積就膨脹變大，根據(jù)壓強連通原理，氣壓等于液壓。氣體常數(shù)公式PV=常數(shù)，則：

P0V0=PtVt，

(14)

式中，P0為t=0時的氣體壓力，與液壓壓力同值，MPa;Pt為t時的氣體壓力，與液壓壓力同值，MPa;V0為t=0時的氣體體積，m3;Vt為t時的氣體體積，m3。

在外力FM(t)反作用下，當Q主吸(t)>Q柱排(t)+Q輔補(t)時，低壓油路管系內(nèi)的液壓油體積減小，氣體體積增大。隨著液體體積的減小，氣體體積膨脹達到一定程度時，氣體的絕對壓力值將達到液壓油飽和氣化絕對壓力值。水蒸氣和溶解在液壓油中的空氣溢出，氣泡大量產(chǎn)生后又破裂，發(fā)生了汽蝕現(xiàn)象，導致低壓油路管系內(nèi)產(chǎn)生響聲和振動。

2.6 液壓油汽蝕現(xiàn)象

低壓管路管系液壓油發(fā)生汽蝕現(xiàn)象主要原因是液壓油絕對壓力低于液壓油飽和氣化絕對壓力。在FM(t)反作用下，柱塞作減速運動，改變了低壓油路液壓油流量。

若FM(t)?FB(t)，則以下算式將FB(t)忽略。從公式(8)可以得出，

a(t)=[FA(t)-FM(t)]/m

=S柱[P(t)-PMt]/m，

(15)

式中，PMt為外力FM(t)作用在柱塞截面積的壓強，Pa；m為舵所有相關(guān)聯(lián)的運動件質(zhì)點的質(zhì)量，kg。

舵液壓缸的即時壓力是時間的函數(shù)，則公式(7)變化為：

(16)

代入公式(15)得出:

(17)

將公式(17)代入公式(13)，得：

(18)

從公式(18)可以看出，ΔQ柱排(t)是時間t的一元二次方程函數(shù)，有一個最大值ΔQ最大值,即：

(19)

從公式(19)可以發(fā)現(xiàn)，主油泵的排量越大，則ΔQ最大值就越小；當FA(t)與液壓缸對柱塞初始推力的差值(用壓強表示)、液壓缸A腔容積(用液壓缸容積長度l表示)越大時，則ΔQ最大值就越大。

當外力FM(t)反作用下，柱塞運行阻滯，導致主油泵吸入流量Q主吸(t)大于柱塞位移排量Q柱排(t)和輔油泵排量Q輔補(t)之和時，則輔油泵的排量小于主油泵的泄漏量和柱塞位移排量，即：

Q輔補(t)

(20)

若主油泵的泄漏量和排量為恒定時，則輔油泵補充給低壓油路的液壓流量低于柱塞減速后的液壓油空缺量，低壓油路將產(chǎn)生真空，發(fā)生液體汽蝕現(xiàn)象，同時導致柱塞運行過程中出現(xiàn)卡滯停頓現(xiàn)象。

綜上所述，液壓舵機閉式液壓系統(tǒng)里，低壓油回路產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象的因素有：主泵的排量、輔油泵的排量、外力、液壓缸壓力腔的容積和初始壓力。

3 結(jié)束語

在故障排查時，檢測了該船的輔油泵流量，發(fā)現(xiàn)輔油泵的排量比標定的排量少了4 L。

裝船的液壓舵機在設計上是滿足要求的，由于長時間使用，導致了泵、管系產(chǎn)生了磨損，導致了低壓油回路的流量減少，低于主油泵吸入流量，特別是主油泵和輔油泵的性能下降時。液體汽蝕現(xiàn)象對液壓泵設備、管路系統(tǒng)是有危害的，它會腐蝕液壓泵零部件和管壁，甚至震斷管路，產(chǎn)生影響人體健康的高倍音頻。針對液壓舵機修理，提出以下建議：①主油泵、輔油泵修理后，應作排量性能試驗；②主油泵(柱塞泵)修理時，應注意柱塞與襯套的配合間隙，配流盤的密性；③對液壓管路接頭、閥門檢漏；④管路應避免過長，管壁避免采用薄壁無縫鋼管。