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)

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。

［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.