“育鯤”輪減搖鰭裝置收/放鰭電氣故障實例

汪旭明，許長青，張均東

（1.大連海事大學船舶電氣工程學院，遼寧 大連 116026，2.大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

“育鯤”輪是我國自主設計的第一艘專用遠洋教學實習船，是航海技術、輪機工程、船舶電子電氣工程專業(yè)及陸上部分專業(yè)進行海上實習的平臺，同時也執(zhí)行出國訪問等重要任務。船上配置了大量的教學實習和科研設備，采用了Brown Brothers Aquarius 50 系列折葉式減搖鰭，以滿足船舶對安全性、適航性、舒適性的較高要求。本文介紹了“育鯤”輪減搖鰭裝置電氣液壓控制的工作原理，基于減搖鰭裝置放鰭和收鰭故障實例對其控制系統(tǒng)進行排查，確定電氣故障并處理使其恢復正常運行。

1 減搖鰭工作原理

如圖1，減搖鰭液壓系統(tǒng)由液壓動力單元和內(nèi)接管構成。液壓系統(tǒng)提供的液壓動力與控制信號交互作用，用油缸來操作鰭的上升或下降以及收鰭和放鰭。主泵/電動機組由液壓油泵26、電動機24 和卸載閥32 構成。卸載閥32 得電時閉合，泵的流量全部用于鰭的操作功能。卸載閥32 斷電時打開，主雙聯(lián)泵的高流量單元在低壓狀態(tài)下直接回到油箱，低流量單元輸出用于收鰭/放鰭操作。除了鰭上升和下降的穩(wěn)定操作外，在啟動、收鰭/放鰭及所有其他操作中，高流量單元都在卸載，使得電動機可以在最小負載狀態(tài)下啟動，收鰭/放鰭操作和鰭對中操作可以慢速進行。

圖1 “育鯤”輪減搖鰭裝置液壓系統(tǒng)圖

1.1 放鰭和收鰭工作原理

在放鰭（收鰭）操作中，電磁閥1 右側(cè)放鰭（左側(cè)收鰭）線圈得電，使得液壓油通過平衡閥箱36 中的平衡閥36.1（36.2）的通道進入收鰭和放鰭油缸左側(cè)（右側(cè)）的環(huán)形區(qū)域，把活塞桿向右推回原位（外伸）。同時，液壓油被送到對面的平衡閥36.2（36.1），目的是打開平衡閥36.2（36.1），油缸右側(cè)（左側(cè)）的液壓油在油缸活塞作用下流回油箱。放鰭（收鰭）動作完成后，線圈斷電。

1.2 鰭的上升和下降工作原理

鰭的上升和下降通過電液比例閥17 實現(xiàn)，比例閥由比例螺線管操縱，為流向鰭上升或下降油缸的液壓油提供流量和方向控制。在鰭片的上升過程中，比較放大器輸出鰭角差電流信號給比例閥17，比例閥右邊的螺線管得電，線軸向左移動，移動距離與電流信號強度成正比，液壓油經(jīng)過比例閥供到上升和下降油缸的左端，鰭上升，上升的角度與電流信號強度成正比。在鰭的下降過程中，比例閥17 左邊的螺線管得電，線軸向右移動，鰭下降。比例閥出口的兩個液壓油管路之間設有手動旁通閥13 和溢流閥組2，過載時溢流閥組2 使得高壓可以從壓力管路釋放到回油管路。

當負載感應隔離閥11 得電時，負載感應啟動。用來使鰭上升或下降油缸里的活塞某一側(cè)較高的壓力，通過背對背單向閥15 和補償器箱18 傳遞到壓力補償器3的頂上，補償器在整定值下打開增加旁通量，以降低高壓活塞那一側(cè)的壓力。

1.3 減搖鰭應急操作

應急泵/電動機組由齒輪泵27 和電動機25 組成，把低量壓力油通過單向閥8 送入分配閥箱16，在緊急情況下，收鰭/放鰭電磁閥1 和比例閥17 可以手動操作分別控制收鰭/放鰭和鰭上升或下降。此外，左右舷液壓動力單元各有一個緊急停機按鈕開關，用于緊急停止減搖鰭電機或靠港時鎖定減搖鰭禁止啟動。

2 故障現(xiàn)象與排查分析

2.1 故障現(xiàn)象

某航次由大連港至連云港航行期間，減搖鰭為駕駛臺遙控，放鰭操作過程中，駕駛臺和本地控制單元的觸摸屏上右舷減搖鰭Extended 指示燈亮（放鰭到位），并且進入了船舶穩(wěn)定的程序，鰭角正在正常擺動；此時左舷減搖鰭Extending 指示燈卻一直閃爍（表明左鰭正在伸出未到位），并持續(xù)此狀態(tài)。操作左右減搖鰭收鰭后再重新放鰭，故障依舊。此外，左舷減搖鰭收鰭操作過程中系統(tǒng)出現(xiàn)報警“Port fin failed to lock in time”，并且駕駛臺和本地控制單元的觸摸屏操作面板上的左舷減搖鰭HOUSED 指示燈不亮（收鰭未到位），經(jīng)機旁檢查此時左舷減搖鰭已經(jīng)收回。

2.2 故障排查分析與處理

減搖鰭系統(tǒng)報警信息中文意思為“鰭片未能及時鎖定”，表明收鰭操作葉片進入鎖定位置的耗時超過了允許的時間。經(jīng)過分析系統(tǒng)的控制原理，可以得出可能的原因有：

（1）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)阻塞；

（2）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)泄漏；

（3）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)中有空氣；

（4）主泵故障；

（5）PLC 數(shù)字量輸出故障，收鰭電磁線圈故障；

（6）PLC 模擬量輸入故障，收鰭/放鰭位置反饋傳感器故障。

由于操作減搖鰭實際已經(jīng)收鰭完成，說明液壓系統(tǒng)工作正常，初步排除主泵故障和液壓系統(tǒng)阻塞、泄漏或進氣等故障。

船舶拋錨后，將減搖鰭轉(zhuǎn)為本地離線控制，這樣可以在減搖鰭間的本地控制單元進行收鰭和放鰭的操作。本地控制單元的控制器為西門子PLC，由中央處理器CPU315-2 DP、數(shù)字量輸入/輸出模塊DI/DO、模擬量輸入輸出模塊AI/AO 組成。通過觸摸屏進行人機交互，提供手動收鰭/放鰭功能，以及提供鰭片角度、鰭片位置（收鰭、正在收鰭、放鰭、正在放鰭）的狀態(tài)信息和視聽警報。操作點擊“EXT.AND CENTRE”進行放鰭操作，放鰭完成后點擊“HOUSED”進行收鰭操作，在本地控制單元的硬件信息頁比對左鰭和右鰭在收放鰭過程中對應PLC 的輸入和輸出，并觀察和測量收鰭/放鰭電磁閥1、負荷感應隔離電磁閥11、泵卸載電磁閥32的動作情況。

收鰭操作時，左右舷減搖鰭對應電磁閥動作時序相同，排除左舷PLC 數(shù)字輸出故障和收放鰭電磁閥故障。進一步排查PLC 模擬量輸入和收鰭/放鰭位置反饋傳感器。

放鰭操作時，左舷減搖鰭動作時序有誤：檢查左鰭觸摸屏的硬件信息頁的PLC 數(shù)字量輸出DO 的相應狀態(tài)為OFF，電磁閥負荷感應隔離電磁閥11、泵卸載電磁閥32 的線圈未得電。默認PLC 程序執(zhí)行正常且無硬件故障，則判斷PLC 輸入條件不滿足，即收/放鰭位置反饋傳感器送給PLC 模擬量輸入模塊4-20 mA 的電流信號有誤，放鰭操作中左鰭Extending 指示燈持續(xù)閃爍，無法進入穩(wěn)定程序進行鰭上升和下降操作。

檢查收/放鰭位置反饋傳感器，在觸摸屏硬件信息頁觀察比對左右舷減搖鰭收鰭/放鰭操作過程中對應輸出的電流信號，記錄數(shù)據(jù)如下：左舷放鰭到位時的位置反饋傳感器電流信號為4.41mA，收鰭到位時的位置反饋傳感器電流信號為19.05mA；右舷放鰭到位時的位置反饋傳感器電流信號為4.30mA，收鰭到位時的位置反饋傳感器電流信號為18.91mA。可以看出左舷減搖鰭位置反饋傳感器的輸出電流信號偏大0.12mA 左右，可能是導致本次故障的原因。

檢查左舷減搖鰭收/放鰭位置反饋傳感器的信號線1 和2 接入本地控制單元的接線排TB1 的29、30 端子處，將信號線1、2 在控制箱的接線端子處拆下，通過信號發(fā)生器在29、30 端子處通過恒流源裝置接入18.91mA的電流信號，此時左舷HOUSED 指示燈亮。即確認了故障：因位置反饋傳感器的信號偏差，放鰭操作時鰭片伸出已到位但是反饋電流偏大，導致控制系統(tǒng)識別放鰭未到位，PLC 無相應數(shù)字輸出，負荷感應旁通閥電磁閥11、泵卸載電磁閥32 不得電，系統(tǒng)仍指示“Extending”，無法進入船舶穩(wěn)定、鰭角擺動的程序；收鰭操作時，鰭片收回已到位但是反饋電流偏大，控制系統(tǒng)識別收鰭未到位，收鰭時間過長導致系統(tǒng)發(fā)出“Port fin failed to lock in time”報警，且HOUSED 指示燈不亮。

如圖2所示，在左舷收鰭/放鰭位置反饋傳感器的信號輸出端1 和2，通過串并聯(lián)的兩個電阻（R1 為1.1 Ω，R2 為2.8 kΩ），使傳感器輸出信號分流后送至接線端子29、30 接入PLC 模擬量輸入模塊。如圖3所示，此時電流減小至18.917mA，左舷鰭片收回狀態(tài)HOUSED指示燈點亮。通電運行，收/放鰭操作試驗其功能，系統(tǒng)恢復正常運行。

圖2 位置傳感器信號改接圖

圖3 左舷減搖鰭本地液晶顯控單元

3 結束語

本文介紹的“育鯤”輪減搖鰭裝置放鰭和收鰭故障的直接原因是收鰭/放鰭位置反饋傳感器信號偏移所致，拋錨中通過收鰭/放鰭操作試驗，實測位置反饋電流數(shù)據(jù)通過串并聯(lián)電阻分流進行處理，解決了收鰭/放鰭故障，保障了船舶航行和教學實習訓練任務。通過本文對該故障實例分析和排查處理為同類型減搖鰭裝置故障解決提供參考。