襟翼舵卡舵故障技術分析

理維華

（中國海警局直屬第六局，山東青島 266000）

0 引言

在某一段時期，某公務船反復出現卡舵、滯舵故障，排查液壓及控制系統均未發現問題，但后期雖有一臺舵機卡舵現象突然消失，但整體舵效明顯變差。疑點聚焦在機械部分，通過反復追蹤及水下摸排，初步定位襟翼舵故障。隨后進塢檢驗時確認襟翼舵傳動裝置故障。本文就該故障的發生機理和根本原因進行技術分析。

1 故障現象

2022 年9 月，某公務船操舵人員反饋，該船在海上作業時出現一、兩次操舵失靈，具體癥狀是在回舵時出現舵角卡滯、轉舵困難的情況，切換另一液壓泵組故障仍然存在，重新打舵有時會消失。靠港后技術保障人員登船進行了現場打舵試驗，反復多次均未發現異常，分析為偶發故障。提醒操舵人員注意觀察，特別是卡舵時要保持現狀記錄油壓、電流、報警點等相關信息。在后期使用中操舵者進行了仔細觀察，發現大多數卡舵出現在回舵時10°～15°，此時現場人員觀察到舵機油泵油壓異常升高至安全閥起跳壓力。往大舵角打后再回舵，卡舵現象有時會消失，現場管理人員多次排查始終無法查出原因。

另一艘船的情況是，在正舵時航向不能維持航向，需打5°左右的舵角以保證不偏航。

2 故障分析

2.1 基本情況

該船為3000 t 級公務船，采用雙槳雙舵配置。每舵配有雙泵組液壓泵站，轉舵機構采用三葉式轉舵油缸，舵為懸掛式襟翼舵結構，整個舵機/舵葉系統總體布置如圖1 所示[1]。

圖1 舵系布置

2.2 主要故障

通過現場觀察卡舵時油壓異常升高至安全閥起跳現象基本判定是機械部分卡阻，卡阻部位集中在轉舵油缸、舵承及襟翼舵組件等三處相對運動部件點。

（1）打開轉舵油缸檢查，發現油質正常，液壓缸底面有部分劃痕及磨痕凸臺，缸體側面有輕微劃痕。根據現場磨損、磨痕分析，認為目前的磨損情況雖然會增加液壓油泄漏及轉舵阻力，但不會造成轉舵卡阻。

（2）分析舵承結構，該舵采用內置滑動式上舵承，即推力環設置在三葉式轉舵油缸底部，靠轉舵油壓支撐、潤滑推力環。下舵承采用的不銹鋼襯套組裝在連接套筒組件上，舵桿下舵承處鑲嵌套筒。該處部件不便于拆卸檢查。

（3）襟翼舵組件檢查，通過舵艙艙內部件檢查未發現卡阻原因后，派潛水員對水下部分進行了檢查，除舵結構組件表面的海生物外，仔細檢查后發現右舷襟翼舵舵銷蓋板脫落，滑動桿與滑動銷半嚙合狀態；左側舵體暫未發現異常。

考慮到水下修理難度大，該船2 個月后安排有塢檢計劃，未進行實質性修理，維持現狀繼續執行后期任務。

2.2.1 襟翼舵

由于明顯損害出現在襟翼舵的傳動機構，因此在此對襟翼舵及其傳動機構予以分析。

襟翼舵作為船用舵始于20 世紀60 年代，舵葉裝置由主舵葉和襟翼兩部分組成，對于給定的舵角α（圖2），襟翼可以相對于主舵葉多轉動β 角，使水流產生更有效的折射，從而提供比常規舵更大的升力。實踐表明，在小舵角下其升力系數比常規舵高，舵效可以達到普通舵的1.6～1.8 倍[2]。這大大提高了船舶的操縱性，改善了船舶的機動性。

圖2 襟翼舵示意

某批次公務船均使用同型襟翼舵，這種型式的襟翼舵之主舵葉為懸掛式布置，襟翼通過鉸鏈式轉軸與主舵葉后緣相連。

2.2.2 襟翼舵傳動機構

通常情況下，襟翼舵的襟翼傳動機構有棘輪傳動、曲柄機構傳動和導桿/導套傳動等不同型式。該船為了取得額外的β 角，襟翼與主舵葉之間采用導桿/導套傳動方式，也是最常用的傳動方式。

該船襟翼舵的導桿式傳動機構形式如圖1 所示：在舵系的假舵體上預制圓形立軸套，以承載導桿立軸；襟翼舵橫導桿一端為叉形結構，在其叉入導桿立軸后，通過端蓋蓋板將橫導桿鎖固；導桿的另一端為自由端，亦即導桿可在導套內自由滑動。導桿材料為不銹鋼，導套內為高分子襯套材料。

2.3 傳動機構故障情況

船舶上塢后檢查，發現襟翼舵存在如下損壞和異常（圖3）：

圖3 左、右襟翼舵損壞情況

（1）左襟翼舵襟翼傳動機構的導桿端蓋脫落，致橫導桿與立軸分離，且導桿端部叉口部位與立軸分離后因異常觸碰而變形。

（2）右襟翼舵傳動機構導桿端部端蓋脫落，立軸下軸套破損，立軸脫落。

（3）導桿與立軸交叉配合部位海生物密集，提示導桿端部叉口與立軸早已分離，襟翼部分已失去應有的舵效。

（4）導桿尾部伸展出導套的圓柱表面海生物生長飽滿，提示導桿在導套中無法保持自由滑動狀態。

另一艘船在進塢檢查時，襟翼舵系統并未出現上述明顯損壞，當時僅發現導桿叉頭端部的端蓋固定螺栓脫落，未引起重視，在進行簡單清潔修理后復航。

2.4 傳動機構失效分析

從現場拆檢的損壞情況和故障時伴生的相關癥狀可以斷定，襟翼舵傳動部分失效的主要原因是導桿和導套之間出現了不應有的卡滯。這種卡滯一旦出現，襟翼舵在某個角度將出現轉舵困難，有時還伴有舵機油壓異常升高的現象。這是襟翼舵傳動機構失效的初級階段。

由于這種卡滯，在操舵過程中導桿會無法隨舵角變化而自由滑動，并由此承受來自導套的一個極大的軸向（橫向）拉力。導套的這個拉力來自于上述襟翼舵角β 變化所產生的升力矩。

導桿前端部叉口部位端部的鎖固蓋板在設計中僅用兩顆螺釘將蓋板固定在叉口部位。從導桿承受的軸向力分析，這種設計使得導桿承受額外軸向力的能力非常薄弱。一旦導桿在導套中出現卡滯，導桿上的軸向拉力很容易將端蓋拉掉。這是襟翼舵傳動機構損害的進一步加劇階段。

一旦導桿鎖固端蓋脫落，導桿會與立軸分離并失去約束，卡滯在導套中的導桿可能會隨著舵葉的轉動而觸碰立軸，而這種異常觸碰會使立軸損壞或叉口部位變形。這是襟翼舵傳動機構最終損壞的階段。

從上述分析可知，造成該型襟翼舵傳動機構損壞的原因主要有兩個：①導桿/導套間出現異常卡滯，這也是襟翼舵傳動機構損壞的首要原因；②導桿端部端蓋固能力薄弱，當導桿卡滯后因無法承受軸向拉力而容易松脫，使得導桿容易與立軸分離并發生異常接觸、損壞。這種設計方面的缺陷是導致卡滯的導桿發生后續損壞的重要因素。

從邏輯上判斷，導桿/導套卡滯的成因應與導桿/導套的設計間隙變小有直接關系。在主舵葉/襟翼轉舵過程中，導桿與導套之間將承受襟翼升力矩所產生的橫向分力，使導桿的橫側面與導套襯套間相互擠壓，容易出現導桿在導套中移動困難的情況。因此，導桿與高分子導套之間保持良好的間隙十分必要。

經查閱CB/T 4274—2013《襟翼舵通用技術標準》第5.5.4 條之規定，為保持導桿在導套內的自由滑動，導桿與導套之間的最小間隙應在1.5～2.5 mm[3]。

導桿/導套間隙變小的原因主要有兩個：①高分子材料的導套因擠壓變形，或導桿與導套因磨損而失中，可能會使導桿/導套間的預留間隙在某些接觸部位變小，從而造成導桿/導套卡滯；②導桿在海水中會附著海生物，這些海生物可能會隨著導桿的移動而帶入導套高分子襯套中，長期以往會填充到導桿/導套間隙中，最終造成間隙變小。拆檢發現，導桿表面海生物滋生嚴重。查閱該型襟翼舵安裝使用說明書，在其日常使用維護中有如下要求：“當船進入碼頭或港口時，如船舶停留的時間超過7 d，則每隔7 d 舵機操舵2～3 次，即從左滿舵至右滿舵往復2～3 次。防止海生物在傳動機構上滋生。”

本次維修中并未測取該船導桿/導套的實際間隙變化情況，但從表面現象可以看出，附著有較多海生物并存有劃痕。查閱相關資料，上海救助局的東海救××輪[4]在2018 年曾發生過同樣的問題，其所用襟翼舵同為無錫某公司生產，與上述襟翼舵同屬一種類型，僅舵葉面積不同。東海救××輪在故障時與該船一樣，也伴生操舵卡滯、舵機油壓異常升高和跳閘情況。

拆解后測量，發現襟翼舵傳動機構的導桿/導套間隙變小，僅為0.13～0.28 mm，遠小于標準規定的1.5～2.5 mm。

3 處理措施

本次修理中，改進了傳動裝置中的導桿叉口與立軸的鎖固方式，即在叉口部位增加了貫穿螺栓、將導桿和立軸連接起來，同時仍保留原端蓋蓋板連接形式（圖4）。

圖4 改進后的導桿與立軸連接形式

上述導桿與立軸鎖固方式所做的改進，極大地改善了原設計中僅靠端蓋/螺栓進行鎖固這一薄弱環節所存在的不足，同時還增加了導桿對抗因卡滯所產生的橫向拉力的能力。

4 結束語

從管理方面分析，本次故障的日常管理缺失是主因。前期由于單位整合，人員大量調整，在船人員日常管理不到位或疏忽，未按說明書要求做好日常維護，造成滋生的海生物不能在初期消除，每年的七八月份又適逢碼頭駐地貝類生物繁殖生產期，貝類殼體緊緊附著在導桿表面，導致傳動機構運動部件間間隙變小，滑動不暢。部分硬質顆粒進入導桿/導套間，當操舵時滑動機構卡阻甚至卡死，最終導致傳動機構損壞。