舵機(jī)安全閥排量的計(jì)算分析及其檢驗(yàn)要點(diǎn)

王兆暉

(中國船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司 南京分公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

舵機(jī)是船舶重要的機(jī)械設(shè)備之一，它控制著船舶的轉(zhuǎn)向和航向，對(duì)船舶安全發(fā)揮重要的作用。舵機(jī)安全閥，其作用是防止舵機(jī)液壓系統(tǒng)中的壓力升高超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力， 造成管道爆裂、電機(jī)過載、系統(tǒng)失效。我國CB/T 972—1994標(biāo)準(zhǔn)[1]、《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)[2](下文簡稱《鋼規(guī)》)、《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)[3](下文簡稱《內(nèi)規(guī)》)，對(duì)舵機(jī)安全閥排量均有技術(shù)要求。國外對(duì)舵機(jī)安全閥也有相關(guān)規(guī)定，如：美國船級(jí)社ABS規(guī)范[4]。

目前，在舵機(jī)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：舵機(jī)的安全閥一般未持有CCS產(chǎn)品證書；在案卷歸檔時(shí)也未能將安全閥的質(zhì)量證明書納入案卷；在安全閥選型時(shí)設(shè)計(jì)人員并未考慮其排量問題，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇安全閥。因此，舵機(jī)檢驗(yàn)時(shí)船檢人員必須對(duì)安全閥排量足夠重視，以確保船舶安全運(yùn)營。

本文以某160 kN·m舵機(jī)為研究對(duì)象，首先根據(jù)舵機(jī)計(jì)算，結(jié)合CCS規(guī)范對(duì)舵機(jī)安全閥的技術(shù)要求，分析安全閥選型時(shí)的依據(jù)；最后提出在舵機(jī)現(xiàn)場檢驗(yàn)中關(guān)于安全閥問題的建議，以此減少檢驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)，提高檢驗(yàn)質(zhì)量。

1 某舵機(jī)安全閥的配備問題

某160 kN·m舵機(jī)配備的防止超壓的安全閥主要形式有溢流閥、舵機(jī)專用閥2類。在現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，安全閥排量的選取與規(guī)范要求不一致。

(1)主要參數(shù)

某160 kN·m的舵機(jī)，轉(zhuǎn)舵時(shí)間為12 s，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

公稱扭矩160 kN·m；柱塞直徑175 mm，舵柄半徑450 mm，最大工作壓力13.5 MPa；配用電機(jī)型號(hào)180M-4-H，功率18.5 kW，轉(zhuǎn)速1 470 r/min；配用油泵型號(hào)63SCY14-1B，排量63 mL/r；配用安全閥排量100 L/min。

(2)舵機(jī)安全閥的配備問題

計(jì)算油泵的排量：63 mL/r×1 470 r/min=92.6 L/min。根據(jù)《鋼規(guī)》和《內(nèi)規(guī)》關(guān)于“安全閥最小排量，應(yīng)不低于可能通過這些閥排放的所有泵總?cè)萘康?10%” 的要求，安全閥的配用排量應(yīng)滿足1.1倍泵的排量，所以其排量應(yīng)為:92.6 L/min×1.1=101.8 L/min。配用的安全閥排量低于規(guī)范要求的值。

2 舵機(jī)計(jì)算過程及分析

2.1 舵機(jī)計(jì)算過程

根據(jù)CCS規(guī)范的要求，分析舵機(jī)計(jì)算過程。

(1)公稱轉(zhuǎn)舵扭矩時(shí)推舵裝置的壓差△P為

式中：ΔP為工作壓差，MPa；M為公稱轉(zhuǎn)舵扭矩，M=160 kN·m；D為柱塞直徑，D=175 mm；R為舵柄半徑，R=450 mm；α為工作舵角，α=35°；ηm為推舵裝置機(jī)械效率，ηm=0.85。

經(jīng)計(jì)算，△P=11.7 MPa。

(2)最大工作壓力PH

最大工作壓力是指液壓舵機(jī)在輸出公稱轉(zhuǎn)舵扭矩時(shí)泵的出口壓力，計(jì)算方法如下：

PH=△P+Pb

式中：PH為最大工作壓力，MPa；Pb為系統(tǒng)壓力損失(包括背壓、不同的控制系統(tǒng)Pb值略有不同),本計(jì)算取Pb=1.8 MPa。

經(jīng)計(jì)算，PH=13.5 MPa。

(3)設(shè)計(jì)壓力PS

舵機(jī)的設(shè)計(jì)壓力PS應(yīng)取最大工作壓力PH的1.25倍，即：PS=1.25PH=16.9 MPa。

(4)推舵裝置活塞單行程需油量q

活塞單行程需油量是指舵從一舷35°至另一舷30°油缸所需供油量。

對(duì)于撥叉式推舵裝置，需油量按下式計(jì)算：

式中：q為活塞單行程需油量，L；ηv為液壓缸容積效率，ηv=0.98。

經(jīng)計(jì)算，q=14.1 L。

(5)最小供油量QH

最小供油量QH是指保證舵機(jī)按規(guī)定的轉(zhuǎn)舵時(shí)間t工作時(shí)，液壓泵應(yīng)至少提供的油量。

式中：QH為最小供油量，L/min；t為轉(zhuǎn)舵時(shí)間，t=12 s；ηcv為系統(tǒng)容積效率，ηcv=0.95。

經(jīng)計(jì)算，QH=74.2 L/min。

根據(jù)現(xiàn)有泵的排量，選取與最小供油量相比略大的泵，其排量為92.6 L/min，液壓泵型號(hào)為63SCY-14B。

(6)液壓泵軸功率NH的計(jì)算

式中：NH為液壓泵軸功率，kW；ηP為液壓泵總效率，ηP=0.85。

經(jīng)計(jì)算，NH=19.6 kW。

按照CCS規(guī)范的要求，電機(jī)在工作壓力下可以有一定的過載，但其過載系數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)一般不超過1.28倍，故選擇的電機(jī)型號(hào)為Y180M-4-H，其功率為18.5 kW。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)舵機(jī)計(jì)算書中未對(duì)安全閥的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但在液壓原理圖中標(biāo)明了安全閥的技術(shù)參數(shù)：舵機(jī)安全閥排量為100 L/min。

(2)根據(jù)CCS規(guī)范的要求：泵的排量為92.6 L/min，其安全閥的排量應(yīng)至少為1.1倍泵的排量，即101.8 L/min。但在選擇安全閥型號(hào)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的最大工作排量，一般根據(jù)泵的最小供油量選取。實(shí)例中，舵機(jī)最小供油量為74.2 L/min，按照規(guī)范要求，安全閥最小排量應(yīng)為1.1倍泵的排量，即74.2 L/min×1.1=81.6 L/min。按照此原則選擇的安全閥排量為100 L/min，完全滿足規(guī)范的要求。

(3)在對(duì)比CCS規(guī)范(《鋼規(guī)》和《內(nèi)規(guī)》)、船舶標(biāo)準(zhǔn)(CB/T 972—1994)和ABS船級(jí)社規(guī)范發(fā)現(xiàn)，對(duì)舵機(jī)配備的安全閥在調(diào)定壓力的要求均一致，但在對(duì)安全閥排量的要求描述中有一定的差異：

《內(nèi)規(guī)》中第13.1.7.2(2)條要求：安全閥最小排量，應(yīng)不低于可能通過這些閥排放的所有泵總?cè)萘康?10%，在此情況下，壓力的升高應(yīng)不超過調(diào)定壓力的 10%；

《鋼規(guī)》中第9.1.10.1條要求：安全閥的最小排量應(yīng)不低于通過安全閥排放的泵的容量的110%，在此情況下，其壓力的升高應(yīng)不超過整定壓力的10%。

船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 972—1994規(guī)定：當(dāng)安全閥通過主泵最大工作排量110%排量時(shí)，其壓力不得超過安全整定壓力的10%；

美國船級(jí)社ABS規(guī)范中規(guī)定：“Each relief valve is to be capable of relieving not less than 110% of the full flow of the pump(s) which can discharge through it.”即：每個(gè)安全閥的排量應(yīng)不少于通過其排出泵的全部排量的110%。

CCS規(guī)范強(qiáng)調(diào)的是安全閥的排量應(yīng)根據(jù)所配備的泵的排量確定，而船標(biāo)和ABS規(guī)范明確的是應(yīng)根據(jù)泵的最大工作排量確定。這不同之處在實(shí)際的選型時(shí)差別其實(shí)很大。如果選擇的泵為定量泵，兩者的計(jì)算要求是一致的；但如果選擇的是液壓泵，由于其排量是可調(diào)整的，差別就較大。這是因?yàn)閺S商在確定泵的排量時(shí)，已經(jīng)放大了一個(gè)安全系數(shù)。上述的計(jì)算顯示按照2種選型方式確定的安全閥的排量至少分別為101.8 L/min和81.6 L/min。

(4)為了節(jié)省部分成本，設(shè)計(jì)時(shí)在系統(tǒng)最大工作排量的情況下所選擇的電機(jī)可以有一定的過載系數(shù)(一般不超過1.28)。如果調(diào)試時(shí)選擇的排量過大，即舵機(jī)轉(zhuǎn)舵速度過快，則會(huì)造成電機(jī)過載而燒壞，因此在舵機(jī)調(diào)試時(shí)，設(shè)定的轉(zhuǎn)舵速度一般稍大于設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)舵速度，以確保電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生較大的過載。但是否有可能在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試的過程中將系統(tǒng)的最大工作排量調(diào)整為泵的額定容量。通過計(jì)算書和設(shè)計(jì)人員的溝通可以確認(rèn)，這種情況一般是不會(huì)發(fā)生的，所以安全閥選型時(shí)，對(duì)于規(guī)范中要求的系統(tǒng)最大工作排量，按照液壓泵的標(biāo)稱排量考慮過于浪費(fèi)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算出的液壓泵最小供油量考慮，在經(jīng)濟(jì)性和安全性上都能符合要求。

3 舵機(jī)安全閥排量檢驗(yàn)中的注意點(diǎn)

(1)檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)逐一核對(duì)安全閥銘牌中標(biāo)定的參數(shù)是否符合CCS規(guī)范的要求，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注壓力、排量的參數(shù)。如安全閥無銘牌，則應(yīng)要求工廠將安全閥的質(zhì)量證明書歸入案卷中。

(2)建議在以后的圖紙審核中，安全閥的選型應(yīng)根據(jù)液壓泵的最小供油量，并將其納入到計(jì)算中，使設(shè)計(jì)人員更充分地理解規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)建議在以后的舵機(jī)檢驗(yàn)計(jì)劃中明確：檢驗(yàn)后需歸檔的資料中應(yīng)涵蓋安全閥的質(zhì)量證明文件。

4 結(jié)論

(1)CCS規(guī)范對(duì)舵機(jī)安全閥的排量有明確技術(shù)要求，因此在檢驗(yàn)中應(yīng)是重點(diǎn)關(guān)注的問題。

(2)根據(jù)計(jì)算出的液壓泵最小供油量進(jìn)行安全閥選型，在經(jīng)濟(jì)性和安全性上都能符合要求。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)確認(rèn)在安全閥開啟壓力下，其壓力升高值符合《海規(guī)》第3篇13.1.7.2(2)要求，其壓力不得超過安全整定壓力的10%。

(4)檢驗(yàn)人員應(yīng)該重視舵機(jī)安全閥的配備問題，確保船舶安全。