舵機安全閥排量的計算分析及其檢驗要點

王兆暉

(中國船級社質量認證公司 南京分公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

舵機是船舶重要的機械設備之一，它控制著船舶的轉向和航向，對船舶安全發揮重要的作用。舵機安全閥，其作用是防止舵機液壓系統中的壓力升高超過系統設計壓力， 造成管道爆裂、電機過載、系統失效。我國CB/T 972—1994標準[1]、《鋼質海船入級規范》(2018)[2](下文簡稱《鋼規》)、《鋼質內河船舶建造規范》(2009)[3](下文簡稱《內規》)，對舵機安全閥排量均有技術要求。國外對舵機安全閥也有相關規定，如：美國船級社ABS規范[4]。

目前，在舵機檢驗時發現：舵機的安全閥一般未持有CCS產品證書；在案卷歸檔時也未能將安全閥的質量證明書納入案卷；在安全閥選型時設計人員并未考慮其排量問題，只是根據經驗選擇安全閥。因此，舵機檢驗時船檢人員必須對安全閥排量足夠重視，以確保船舶安全運營。

本文以某160 kN·m舵機為研究對象，首先根據舵機計算，結合CCS規范對舵機安全閥的技術要求，分析安全閥選型時的依據；最后提出在舵機現場檢驗中關于安全閥問題的建議，以此減少檢驗中的風險，提高檢驗質量。

1 某舵機安全閥的配備問題

某160 kN·m舵機配備的防止超壓的安全閥主要形式有溢流閥、舵機專用閥2類。在現場檢驗時發現，安全閥排量的選取與規范要求不一致。

(1)主要參數

某160 kN·m的舵機，轉舵時間為12 s，其主要技術參數如下：

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；配用電機型號180M-4-H，功率18.5 kW，轉速1 470 r/min；配用油泵型號63SCY14-1B，排量63 mL/r；配用安全閥排量100 L/min。

(2)舵機安全閥的配備問題

計算油泵的排量：63 mL/r×1 470 r/min=92.6 L/min。根據《鋼規》和《內規》關于“安全閥最小排量，應不低于可能通過這些閥排放的所有泵總容量的110%” 的要求，安全閥的配用排量應滿足1.1倍泵的排量，所以其排量應為:92.6 L/min×1.1=101.8 L/min。配用的安全閥排量低于規范要求的值。

2 舵機計算過程及分析

2.1 舵機計算過程

根據CCS規范的要求，分析舵機計算過程。

(1)公稱轉舵扭矩時推舵裝置的壓差△P為

式中：ΔP為工作壓差，MPa；M為公稱轉舵扭矩，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為推舵裝置機械效率，ηm=0.85。

經計算，△P=11.7 MPa。

(2)最大工作壓力PH

最大工作壓力是指液壓舵機在輸出公稱轉舵扭矩時泵的出口壓力，計算方法如下：

PH=△P+Pb

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

經計算，PH=13.5 MPa。

(3)設計壓力PS

舵機的設計壓力PS應取最大工作壓力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。

對于撥叉式推舵裝置，需油量按下式計算：

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。

經計算，q=14.1 L。

(5)最小供油量QH

最小供油量QH是指保證舵機按規定的轉舵時間t工作時，液壓泵應至少提供的油量。

式中：QH為最小供油量，L/min；t為轉舵時間，t=12 s；ηcv為系統容積效率，ηcv=0.95。

經計算，QH=74.2 L/min。

根據現有泵的排量，選取與最小供油量相比略大的泵，其排量為92.6 L/min，液壓泵型號為63SCY-14B。

(6)液壓泵軸功率NH的計算

式中：NH為液壓泵軸功率，kW；ηP為液壓泵總效率，ηP=0.85。

經計算，NH=19.6 kW。

按照CCS規范的要求，電機在工作壓力下可以有一定的過載，但其過載系數設計時一般不超過1.28倍，故選擇的電機型號為Y180M-4-H，其功率為18.5 kW。

2.2 計算結果分析

(1)舵機計算書中未對安全閥的參數進行計算，但在液壓原理圖中標明了安全閥的技術參數：舵機安全閥排量為100 L/min。

(2)根據CCS規范的要求：泵的排量為92.6 L/min，其安全閥的排量應至少為1.1倍泵的排量，即101.8 L/min。但在選擇安全閥型號時，根據系統的最大工作排量，一般根據泵的最小供油量選取。實例中，舵機最小供油量為74.2 L/min，按照規范要求，安全閥最小排量應為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，完全滿足規范的要求。

(3)在對比CCS規范(《鋼規》和《內規》)、船舶標準(CB/T 972—1994)和ABS船級社規范發現，對舵機配備的安全閥在調定壓力的要求均一致，但在對安全閥排量的要求描述中有一定的差異：

《內規》中第13.1.7.2(2)條要求：安全閥最小排量，應不低于可能通過這些閥排放的所有泵總容量的110%，在此情況下，壓力的升高應不超過調定壓力的 10%；

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

船舶行業標準CB/T 972—1994規定：當安全閥通過主泵最大工作排量110%排量時，其壓力不得超過安全整定壓力的10%；

美國船級社ABS規范中規定：“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：每個安全閥的排量應不少于通過其排出泵的全部排量的110%。

CCS規范強調的是安全閥的排量應根據所配備的泵的排量確定，而船標和ABS規范明確的是應根據泵的最大工作排量確定。這不同之處在實際的選型時差別其實很大。如果選擇的泵為定量泵，兩者的計算要求是一致的；但如果選擇的是液壓泵，由于其排量是可調整的，差別就較大。這是因為廠商在確定泵的排量時，已經放大了一個安全系數。上述的計算顯示按照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)為了節省部分成本，設計時在系統最大工作排量的情況下所選擇的電機可以有一定的過載系數(一般不超過1.28)。如果調試時選擇的排量過大，即舵機轉舵速度過快，則會造成電機過載而燒壞，因此在舵機調試時，設定的轉舵速度一般稍大于設計的轉舵速度，以確保電機不會產生較大的過載。但是否有可能在實際生產調試的過程中將系統的最大工作排量調整為泵的額定容量。通過計算書和設計人員的溝通可以確認，這種情況一般是不會發生的，所以安全閥選型時，對于規范中要求的系統最大工作排量，按照液壓泵的標稱排量考慮過于浪費，應根據計算出的液壓泵最小供油量考慮，在經濟性和安全性上都能符合要求。

3 舵機安全閥排量檢驗中的注意點

(1)檢驗時，應逐一核對安全閥銘牌中標定的參數是否符合CCS規范的要求，應重點關注壓力、排量的參數。如安全閥無銘牌，則應要求工廠將安全閥的質量證明書歸入案卷中。

(2)建議在以后的圖紙審核中，安全閥的選型應根據液壓泵的最小供油量，并將其納入到計算中，使設計人員更充分地理解規范和標準的要求。

(3)建議在以后的舵機檢驗計劃中明確：檢驗后需歸檔的資料中應涵蓋安全閥的質量證明文件。

4 結論

(1)CCS規范對舵機安全閥的排量有明確技術要求，因此在檢驗中應是重點關注的問題。

(2)根據計算出的液壓泵最小供油量進行安全閥選型，在經濟性和安全性上都能符合要求。

(3)現場試驗時，應確認在安全閥開啟壓力下，其壓力升高值符合《海規》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)檢驗人員應該重視舵機安全閥的配備問題，確保船舶安全。