液壓舵機技術(shù)要點分析

彭亮亮

（中國船級社浙江分社，浙江 寧波 315000 ）

液壓舵機通常就是指液壓動力轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)，是操舵裝置的重要組成部分，作為轉(zhuǎn)舵執(zhí)行機構(gòu)，常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式有拔叉式、擺缸式和轉(zhuǎn)葉式，結(jié)構(gòu)組成主要包括轉(zhuǎn)舵機構(gòu)、動力設(shè)備及輔助管路附件。舵機出廠檢驗時，通常只進行轉(zhuǎn)舵功能性試驗，實船上再與操舵裝置控制系統(tǒng)、監(jiān)測/顯示報警系統(tǒng)和舵角指示系統(tǒng)組裝，進行系泊試驗和航行試驗，為避免實船安裝不到位或試驗/使用后才暴露出轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)的問題，本文將以拔叉式液壓舵機為例，從產(chǎn)品制造、試驗和安裝三方面進行分析，具體如下：

1 制造過程關(guān)鍵點的控制

1.1 制造廠能力評估

搞清楚制造廠生產(chǎn)流程和特點是準(zhǔn)確進行能力評估的前提，液壓舵機制造廠通常只生產(chǎn)轉(zhuǎn)舵機構(gòu)和液壓動力裝置，在工廠自制的試驗臺架上進行功能試驗，具有以下主要特點：①外購原材料和零部件，自制油缸；②零部件熱處理、表面處理外協(xié)；③無材料理化試驗和無損檢測能力，委托第三方進行；④在工廠試驗平臺上進行加載試驗，連接管路、操控與報警系統(tǒng)都是試驗臺專用，限位器的安裝、舵機底座安裝方式都可能與實船不同。

因此，對認(rèn)可工廠的制造能力評估應(yīng)特別注意：①合格供方清單及控制方式，是否滿足我社規(guī)范對舵機的持證要求；②生產(chǎn)工藝、檢驗規(guī)程的完整性，應(yīng)覆蓋整個生產(chǎn)過程，包括外協(xié)工序。③重要原材料的驗收要求，如自制油缸的原材料，工廠必須建立的原材料驗收程序中，應(yīng)包括對缸體、柱塞、銷軸等主要受力零部件材料的復(fù)驗要求，一般包括理化試驗和無損探傷，特別是進行熱處理時，必須重新檢測。④焊接工藝和焊工的認(rèn)可范圍應(yīng)能覆蓋到承壓殼體、管路及其支承結(jié)構(gòu)。施焊環(huán)境（包括工裝）應(yīng)能確保這些關(guān)鍵部件的焊接質(zhì)量。⑤理化試驗委托我社認(rèn)可機構(gòu)或權(quán)威機構(gòu)，特別注意取樣時應(yīng)經(jīng)驗船師確認(rèn)材料標(biāo)識與質(zhì)保書的一致性，當(dāng)委托權(quán)威機構(gòu)時，還需要見證全部試驗。⑥無損檢測都選擇認(rèn)可機構(gòu)，當(dāng)制造廠自己實施時，能力評估應(yīng)包括操作人員資質(zhì)，以及程序文件、工藝文件等是否納入質(zhì)量體系控制范圍。⑦模擬加載試驗臺架的能力和完整性，轉(zhuǎn)舵能力一般參照CB/T3130《液壓舵機試驗方法》進行評估，需要特別注意與舵機進行聯(lián)調(diào)的控制系統(tǒng)和報警系統(tǒng)功能的完整性。

1.2 舵機質(zhì)量控制

拔叉式液壓舵機，質(zhì)量控制的核心就是油缸（見圖1）的質(zhì)量，控制點包括原材料、加工、焊接、裝配精度。

圖1 油缸裝配圖

首先是原材料的控制。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第3 篇第13 章第1 節(jié)，操舵裝置的受力部件應(yīng)為鋼質(zhì)或其他的韌性材料制成，通常材料的延長率不小于12%，抗拉強度不超過650mm/N2,材料復(fù)查和復(fù)驗時應(yīng)注意該性能要求。此外，容易出錯的還有缸體的材料標(biāo)準(zhǔn)GBT8162 和GBT8163 的選擇錯誤（見圖2），由于兩者性能指標(biāo)不同、用途不同，不能混淆，差異對比見表1。

表1 GBT8162 與GBT8163 對比

圖2 擬用于制造舵機油缸的無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)選擇錯誤

再者就是缸體上的焊接，包括悶頭與缸體的焊接、套環(huán)與缸體的焊接，以及缸體上進出油口、壓力座、放油塞的焊接。承壓和傳遞機械負(fù)荷位置的焊接都應(yīng)考慮全焊透，并通過無損檢測和液壓試驗予以驗證。圖3 是有設(shè)計缺陷的節(jié)點圖，不僅悶頭、壓力座與缸體未設(shè)計成全焊透形式，而且兩條焊縫的位置重合，容易造成或擴大焊接應(yīng)力，圖4 是優(yōu)化后的焊接節(jié)點，能夠有效解決承壓位置的焊接質(zhì)量和減少焊接應(yīng)力。

圖3 焊接節(jié)點圖

圖4 優(yōu)化后的焊接節(jié)點圖

此外，還應(yīng)注意柱塞的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)我社指南要求，柱塞的剪切和抗壓強度計算都是基于橫截面面積，因此，柱塞為實心圓鋼，而不是鋼管加悶頭焊接的結(jié)構(gòu)形式（見圖5）。

圖5 鋼管加悶頭焊接的柱塞

還有就是裝配與精度控制，重點關(guān)注兩個油缸公共軸線的同軸度、柱塞銷軸安裝的垂直度、銷軸與柱塞間隙與貼合、滑塊與導(dǎo)板的間隙與貼合，避免精度超差，導(dǎo)致運動件受力不平衡、異常磨損，長此以往就可能導(dǎo)致舵機結(jié)構(gòu)破壞等嚴(yán)重后果。此外，裝配完整性不能忽視，哪怕只是一顆螺絲釘，我社指導(dǎo)驗船師李寧在對韓通贏吉DWT38000 化學(xué)品船舵機損傷事故的分析中，就指出導(dǎo)致事故的直接原因就是下部滑塊螺栓未緊固，使用后逐漸松動，導(dǎo)致滑塊脫落。

圖6 滑塊緊固螺栓安裝圖和事故照片

1.3 液壓動力系統(tǒng)質(zhì)量控制

液壓動力系統(tǒng)包括電機、液壓泵、管路、閥及附件、油箱和傳感器。首先，液壓管路、接頭、閥、法蘭和其他附件都應(yīng)I 級管系的要求；安全閥的設(shè)置應(yīng)覆蓋到每套動力源，開啟壓力不小于最大工作壓力的1.25 倍，其最小排量不低于可能通過這些閥排放的所有泵總?cè)萘康?10%；隔離閥的安裝，對于非雙套設(shè)置的轉(zhuǎn)舵機構(gòu)，都是將隔離閥直接裝在液壓缸體上，為確保各套動力系統(tǒng)間能有效轉(zhuǎn)換，可在隔離閥上安裝操作手柄（圖7）。

圖7 隔離閥操作手柄

此外，規(guī)范13.1.12.1 要求液壓泵應(yīng)經(jīng)過100 小時的持續(xù)試驗，因此，對液壓泵的持證要求不僅是要有產(chǎn)品證書，而且需要提供按舵機油泵要求進行的耐久試驗報告，否則不能用于舵機液壓動力系統(tǒng)，除非在舵機型式試驗時同步進行100 小時的耐久試驗。

最后，濾器、冷卻器、各類監(jiān)控報警用的傳感器的安裝應(yīng)該完整，以便進行聯(lián)調(diào)試驗。特別注意冷卻器的配備，除非液壓油及液壓元器件的選擇給予了特別考慮，否則都應(yīng)配備油冷卻器；對于不進行兩套動力裝置同時運轉(zhuǎn)工況的舵機，方能不設(shè)置液壓阻塞報警，此時也必須在產(chǎn)品證書和安裝使用說明書中明確。

2 試驗關(guān)鍵點的控制

為確保出廠試驗的準(zhǔn)確性，初次認(rèn)可時需要對試驗臺架進行評估，包括加載系統(tǒng)能力、控制系統(tǒng)、監(jiān)測報警、測試儀表等試驗設(shè)備的完整性，還應(yīng)確保加載系統(tǒng)本身的可靠性和安全性。

試驗前，對舵機在試驗臺上的安裝檢查，除核查證書報告一致性和符合性外，還需特別注意小零部件是否安裝齊全，如傳感器、限位器、緊固螺絲，監(jiān)測報警的接線是否正確和完整。同時，還建議通過記錄審核和現(xiàn)場抽查的方式來確認(rèn)制造工藝得到有效落實，因為從很多舵機案例來看，很多都是歸結(jié)于小零件失效，或工藝執(zhí)行不到位導(dǎo)致零件損壞所致。

試驗過程中，一般首先對液壓動力系統(tǒng)進行測試，確保動力系統(tǒng)的電機、油泵、管路及閥件等附件無異常，并通過模擬試驗確認(rèn)監(jiān)測報警點能正常工作。進行轉(zhuǎn)舵機構(gòu)轉(zhuǎn)舵能力和功能測試時，試驗項目從空載開始，逐級加載至額定負(fù)載，測試中詳細(xì)記錄試驗數(shù)據(jù)，包括舵角、轉(zhuǎn)舵時間、油壓、輸出扭矩、電機功率、油溫，以及轉(zhuǎn)舵機構(gòu)工作狀況，是否存在異常等。對于安全閥開啟、報警隔離與轉(zhuǎn)換等功能試驗時均需要進行多次試驗，以驗證功能穩(wěn)定性，一般不少于三次。

3 實船安裝關(guān)鍵點的控制

舵機實船安裝，涉及整個操舵裝置，包括舵機、操舵裝置控制系統(tǒng)、監(jiān)測/顯示及報警系統(tǒng)、舵角指示系統(tǒng)的互聯(lián)互通。因此，我們不僅應(yīng)關(guān)注舵機油缸、舵柄、液壓管路等主要受壓、受力部件的安全及在船上是否正確安裝，也要關(guān)注操舵裝置的其他設(shè)備是否正確安裝，聯(lián)動功能是否能正常工作。

近年來，出現(xiàn)的船舶失舵、擱淺、碰撞案例，都與操舵裝置未能正確安裝有關(guān)如：

（1）電氣舵角指示系統(tǒng)供電連接、安裝位置及數(shù)量不正確，如圖8， 該類型液壓舵機，由于機械舵角都是采用刻度尺固定在油缸上，就地操舵人員觀察會受影響，故實船安裝時，都需要在操舵人員的正前方安裝電舵角指示器。

圖8 舵機艙舵角指示器未安裝在操舵人員正前方

（2）限位舵角行程開關(guān)的安裝位置及數(shù)量不正確，如圖9，兩套行程開關(guān)安裝在相鄰位置，一般應(yīng)調(diào)整在水平和垂直位置上，避免相互干擾影響，此外，選擇限位器時還應(yīng)考慮到當(dāng)該開關(guān)輸出不起作用時，不會在轉(zhuǎn)舵機構(gòu)運行到機械限位舵角過程中被破壞，即不能卡住活動部件。①連接螺栓防松措施未安裝；②電磁閥/電液換向閥系由直流電控制時，船上該電磁閥/電液換向閥的電源電壓過低；

圖9 行程限位器安裝位置缺陷

而且從這些案例的分析結(jié)果看出，發(fā)生事故的原因主要是由于小零件未按要求正確安裝所致。這些問題短時間內(nèi)不會影響操舵裝置的正常使用，即使在船舶系泊試驗、航行試驗中可能很難發(fā)現(xiàn)這些問題，因此，需要舵機生產(chǎn)廠根據(jù)其舵機設(shè)計特點，不僅要提供操作使用說明書，還應(yīng)根據(jù)船舶設(shè)計特點給出操舵裝置安裝復(fù)查要點，以便于船員、驗船師核查。一般包括：①舵機的適用條件、功能特點；②各螺栓連接的防松措施的要求；③限位舵角行程開關(guān)的設(shè)置（包括行程開關(guān)的數(shù)量及位置）；④電氣舵角指示系統(tǒng)供電連接、安裝位置及數(shù)量；⑤機械舵角指示器設(shè)置的位置；⑥配用電磁閥/電液換向閥規(guī)格型號、公稱流量或通徑、公稱壓力、控制電源要求。如為直流電磁閥/電液換向閥，其電壓范圍要求；⑦液壓油柜的安裝高度要求（如液壓泵不與油箱整體安裝）；⑧推薦的液壓油型號及適用溫度范圍；⑨舵機制造廠認(rèn)為需要關(guān)注的其他要求，如密封圈使用壽命。

4 結(jié)論

綜上所述，液壓舵機作為操舵裝置的重要組成部分，產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性不僅需要從原材料、機加工、焊接與裝配、試驗層層把關(guān)，也需要注意工藝的精細(xì)設(shè)計與落實，還需要注意實船安裝復(fù)查，以及與操舵裝置其他組成部分的聯(lián)調(diào)測試，確保整個操舵系統(tǒng)互聯(lián)互通，操舵、報警、隔離、轉(zhuǎn)換動作協(xié)同一致。