船用舵机液压系统分析及典型故障处理.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０６１ 收稿日期 ２０１４－０９－２４ 作者简介 王孝霖 （１９８９）， 男， 硕士， 助理工程师， 主要从事船舶动力装置状态监测、 故障诊断与维修工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｗａｎｇｘｉａｏｌｉｎ４２３＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 船用舵机液压系统分析及典型故障处理 王孝霖， 许历， 韩星星， 苏先明， 解强 （中国卫星海上测控部， 江苏江阴 ２１４４３１） 摘要 介绍某远洋船舶舵机液压系统的组成和各液压元件的功能， 分析该转叶式舵机液压系统的操舵原理。 以舵机液 压系统的一起典型故障为例， 详细介绍了故障处理的方法和过程， 并结合先导电磁阀的结构原理对故障产生的机制进行了 分析。 针对液压油污染易引起舵机故障的问题， 提出了相应的预防措施。 关键词 舵机； 液压系统； 故障机制； 先导电磁阀； 液压油 中图分类号 Ｕ６６４􀆱 ４＋１； ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１８７－３ 船舵安装在船舶的尾部， 主要由舵叶、 舵杆、 舵 机等部分组成， 其作用是改变或维持船舶航向［１］。 船 舶航向的改变是依靠舵机带动舵叶来实现的， 舵机在 整个舵系统中处于重要地位。 舵机的性能决定着船舶 的回转时间和半径， 影响着船舶的机动性。 在船舶航 行过程中舵机发生故障时， 轻则导致偏离航向， 重则 影响应急规避造成事故， 对船舶安全的影响是巨 大的。 船舶舵机按照驱动动力的不同可分为 ３ 类， 即蒸 汽舵机、 电动舵机和液压舵机［２］。 液压舵机具有质量 轻、 尺寸小、 灵敏度高， 工作平稳安全可靠等优点， 能缓冲风浪对舵叶的冲击， 运转噪声低、 振动小， 而 且可实现无极变速， 在现代大中型船舶上得到了广泛 应用［３］。 １ 测量船舵机液压系统分析 某远洋船舶采用双舵设计， 配备了 ２ 台 Ｒｏｌｌｓ⁃ Ｒｏｙｃｅ 公司生产的 ＳＲ７４３Ｘ２ 型转叶式舵机。 转舵执行 机构为球形， 内部腔室结构为三腔型， 主要由转舵油 缸、 定叶、 球形转子、 转叶、 密封装置等部件组成。 其中， 定叶固定在缸体内部， 转叶固定在转子上， 在 液压油的压力作用下， ３ 个转叶在环形转舵油缸内可 带动舵杆以恒扭矩转舵。 该舵机为阀控型液压舵机， 其液压系统如图 １ 所示。 系统设有 １ 号和 ２ 号两个相同的泵单元， 两个单 向定量泵 ３ 作主泵， 经过操纵阀 ７ 和分配阀 ９， 分别 与 ３ 个转舵油缸 Ｃ１Ｃ２、 Ｃ３Ｃ４、 Ｃ５Ｃ６ 组成 ２ 个可各自 独立工作的闭式系统。 ２ 个泵单元中各设有分配阀 ９， 该阀的旁通、 隔离、 工作 ３ 种工况可由旋塞手动调 整， 阀 ９ 常处于工作工况， 可使 ２ 个泵单元并联工作 同时向转舵油缸供油。 正常航行时单用 １ 台主泵供油 转舵， 其流量即能满足在 ２８ ｓ 内将舵由任一舷 ３５转 至另一舷 ３０的要求， 并能达到额定转舵扭矩。 进出 港或窄水道航行时， 可双泵并联工作， 扭矩不变， 转 舵速度可以提高 １ 倍［４］。 操纵阀 ７ 控制油液的流向， 同时兼做主油路锁闭 阀； 电气遥控的电磁换向阀 ８ 作为操纵阀 ７ 的先导 阀， 控制油由主油路提供。 先导式溢流阀 ５ 做主泵安 全阀兼卸荷阀， 整定压力为 １２􀆱 ５ ＭＰａ； 溢流阀 １０ 作 防浪阀， 整定压力为 １５􀆱 ６ ＭＰａ。 单向阀 ４ 位于泵的 出口处起保护作用， 防止系统中的液压冲击影响泵的 工作， 或当泵检修时防止油液倒灌。 液控单向阀 ６ 位 于回油路， 起保压作用［５］。 在 １ 号泵单元中， 当操纵阀 ７ 两端的先导阀 ８ 电 磁线圈均断电时， 两个先导阀均处于下工作位， 阀 ７ 因两端控制油经先导阀 ８ 通油箱而回中， 从而闭锁转 舵油缸油路， 主泵排油经操纵阀 ７ 泄回油箱， 能保证 主泵卸荷。 若电气遥控系统使操纵阀某一端的先导阀 通电， 该导阀将处于上工作位， 控制油从泵出口主油 路经该导阀 ８ 进入操纵阀顶端， 推动操纵阀阀芯离开 中位， 主泵排油经操纵阀和分配阀进入环形油缸。 左 转舵时， 先导阀 ８􀆱 １ 电磁线圈通电， 控制油进入操纵 阀右端， 向左推动操纵阀阀芯， 使得操纵阀处于右工 作位， 此时 Ｃ１、 Ｃ３、 Ｃ５ 为进油腔， Ｃ２、 Ｃ４、 Ｃ６ 为 回油腔， 液压油推动导叶进而带动舵杆顺时针转动， 从而实现左转舵； 右转舵时， 先导阀 ８􀆱 ２ 电磁线圈通 电， 操纵阀处于左工作位， 此时 Ｃ２、 Ｃ４、 Ｃ６ 为进油 腔， Ｃ１、 Ｃ３、 Ｃ５ 为回油腔， 液压油推动导叶进而带 动舵杆逆时针转动， 从而实现右转舵。 当电力遥控系 统失灵时， 可在舵机舱直接顶动先导阀 ８ 的阀芯 操舵。 图 １ 转叶式舵机液压系统图 ２ 故障现象 船舶在某次窄水道航行期间， 为了保证船舶的机 动性， 采用了双舵双泵的工况， 即左、 右舵机同时工 作且各自均为双泵供油。 期间， 发现左、 右舵机工作 不同步， 向右打舵时左舵比右舵的转舵速度慢， 而向 左打舵时双舵正常。 该故障给操舵带来极大不便， 影 响了船舶的机动航行。 如何尽快解决这一故障， 成为 摆在船上工作人员面前的迫切问题。 ３ 故障处理 锚泊后， 在舵机舱内进行检查。 首先， 在双泵工 作模式下操纵双舵， 将左、 右舵机的转舵速度进行对 比， 确定了左舵机向右转舵时速度过慢。 然后， 针对 左舵机进行检查， 对左舵机在单泵工作模式下进行操 纵， 发现 ２ 号泵单独工作时左舵机左、 右转舵均正 常， 而 １ 号泵单独工作时， 只能向左单向转舵。 舵机只能单向转舵的原因一般为以下两个方 面［６］ （１） 遥控系统只能单向动作， 这种情况下机旁 操作应为正常。 这是因为电气遥控系统只能给出单向 操舵信号， 例如线路连接故障、 先导电磁阀一端线圈 损坏。 （２） 主油路单方向不通或旁通。 可能是主油路 某侧安全阀开启压力过低， 或主油路操纵阀单向不能 开启。 针对左舵机 １ 号泵单元， 机旁直接顶动左端先导 阀的阀芯操舵， 发现舵机可正常向右转舵， 疑为电气 遥控系统故障。 但对电气遥控线路进行逐步排查后， 未发现故障； 对左端先导电磁阀的线圈模块进行检 查， 也未发现故障。 因此， 故障应不是由遥控系统导 致。 讨论就放在与主油路通断相关的两个方面 （１） 安全阀开启压力过低。 在安装时， 对安全 阀工作参数进行了试验整定， 此前工作一直正常， 根 据以往经验可推断安全阀发生故障的可能性很小。 （２） 主油路操纵阀不能向右开启。 可能是操纵 阀阀芯发生卡阻， 或左端先导阀阀芯发生卡阻影响了 控制油的流向。 但由于遥控方式下左转舵正常， 机旁 操舵时左右转舵均正常， 说明操纵阀阀芯能正常左右 滑动。 而机旁能够直接顶动左端先导阀阀芯， 给先导 阀阀芯发生卡阻的判断带来了影响。 为了尽快查找故 障根源， 工作人员将 １ 号泵单元操纵阀左端的先导电 磁阀拆下， 并取出先导阀阀体， 透过阀体下部油孔发 现阀芯上存在划痕及细小杂质。 对先导阀内部进行清 ８８１机床与液压第 ４３ 卷 洁后安装复位， 遥控操作发现 １ 号泵单元单独工作时 左、 右转舵恢复正常。 ４ 故障机制分析 先导阀为螺纹式插装阀， 其结构如图 ２ 所示， 主 要由外弹簧、 手动顶杆、 磁芯、 电磁线圈 （图中未 画出）、 阀芯、 复位弹簧组成， 阀体一和阀体二通过 螺纹联接成一体。 该先导阀采用水平安装方式， 阀体 上有油口 Ａ、 油口 Ｂ 和泄油口 Ｔ。 电磁线圈断电时， 阀芯被复位弹簧顶起， 如图 ２ （ａ） 所示， 控制油从 油口 Ａ 进入， 因油口 Ａ 与油口 Ｂ 不连通， 压力油经 阀芯中部滑环上的油孔 ｃ 依次进入油孔 ｄ、 ｅ， 最后 经泄油口 Ｔ 泄回油箱； 此时， 操纵阀阀芯端部油腔中 的液压油通过油口 Ｂ， 也经由泄油口 Ｔ 回油箱。 电磁 线圈通电时， 磁芯因电磁力作用， 克服复位弹簧阻力 向左推动阀芯， 此时阀芯右端滑环上的油孔 ｄ 被封 闭， 油口 Ｂ 与泄油口 Ｔ 油路被切断， 而油口 Ａ 与 Ｂ 连通， 如图 ２ （ｂ） 所示， 控制油从油口 Ａ 进入， 流 向油口 Ｂ， 然后进入操纵阀阀芯端部油腔， 推动操纵 阀阀芯动作。 应急条件下， 通过按压手动顶杆可直接 推动先导阀芯动作。 图 ２ 先导阀结构原理 液压油内杂质进入先导电磁阀内部的阀腔后， 进 入阀芯与阀体之间的滑动间隙， 使得阀芯左右滑动时 产生卡阻。 因电磁线圈对阀芯产生的电磁力有限， 阀 芯受到推力小于阻力和复位弹簧的弹力， 导致阀芯不 能正常向下动作， 控制油经油孔 ｃ、 ｄ、 ｅ 及泄油口 Ｔ 泄回油箱， 进而导致操纵阀阀芯仍位于中位， 主泵排 油泄回油箱， 无法正常转舵。 而机旁手动操作时， 因 力度较大克服了阀芯的卡阻力、 外弹簧弹力及复位弹 簧弹力， 直接推动了阀芯向下动作。 而在复位弹簧的 弹力作用下， 阀芯可以克服阻力作用自行复位， 所以 在故障排除过程中， 机旁手动操作正常后， 再次进行 遥控操作仍存在问题。 分析结果表明， 这一起舵机故 障是由液压油内杂质污染而导致的。 ５ 预防措施 从故障分析的结果可知， 液压油品质对舵机的影 响不容忽视。 舵机运转过程中， 机器磨损下来的金属 屑、 橡胶密封材料的碎片以及水分混入到油中， 会对 液压油造成污染。 此外， 液压油与空气长期接触会发 生氧化反应， 油品会逐渐下降。 为防止液压油污染， 应做好以下几方面工作 （１） 注意滤器前后压差， 及时清洗或更换滤器。 若发现滤器里有金属屑， 应作出相应措施， 以便处理 内部磨损。 （２） 滤器清洗时， 取出过程中应谨慎操作， 避 免滤器内杂质落入油箱， 造成二次污染。 （３） 液压件拆卸维修时， 应注意清洁， 避免杂 质进入系统。 （４） 每年对工作油采样一到两次， 检查油的品 质， 达不到性能要求时， 应当更换液压油。 （５） 充入的新油要经过精滤， 因为即使出厂的 新油， 其清洁度不一定完全符合舵机液压系统的使用 要求。 ６ 结束语 对某远洋船舶舵机液压系统的组成和各液压元件 的功能进行了介绍， 并对液压系统的操舵原理进行了 分析。 从舵机液压系统的故障现象出发， 对故障处理 的方法和过程进行了详细介绍， 通过分析先导电磁阀 结构原理， 表明液压油内杂质是引起舵机故障的原 因。 液压油品质对舵机的影响不容忽视， 加强对包括 液压油在内的液压系统的检查和维护， 是减少此类故 障发生的关键。 参考文献 ［１］ 费千．船舶辅机［Ｍ］．大连大连海事大学出版社，２００５． ［２］ 张征宝．浅谈国内海上航行船舶液压舵机的检验及管理 ［Ｊ］．中国水运，２０１１，１１（１０）６－９． ［３］ 于洪亮．船舶动力装置［Ｍ］．大连大连海事大学出版 社，２００６． ［４］ 梁福权，黄应邦，林锡坤，等．船舶液压舵机的安全检查 及故障分析［Ｊ］．中国水运，２０１３，１３（１１）１５６－１５７． ［５］ 李娟．浅谈电动液压舵机的常见故障及排除［Ｊ］．科技信 息（科学教研），２００８（２３）７４４－７４９． ［６］ 许贤良．液压传动系统［Ｍ］．北京国防工业出版社， ２００８． ９８１第 ２２ 期王孝霖 等 船用舵机液压系统分析及典型故障处理