基于故障树分析法船舶舵机故障诊断方法研究

李 雪，孙 峥，赵 尚

(镇江船艇学院 装备保障系，江苏 镇江 212003)



基于故障树分析法船舶舵机故障诊断方法研究

李 雪，孙 峥，赵 尚

(镇江船艇学院 装备保障系，江苏 镇江 212003)

液压舵机是船舶最重要的辅机之一，舵机结构复杂，故障繁多且不易排除。以“舵机不能转动”故障为例，利用故障树分析法建立故障树模型，并进行定性和定量分析，得出故障树最小割集和各底事件的概率重要度，将故障树的分析结果应用于故障的排查和分析，可以直观、高效地解决问题。这种方法可以为舵机的维修和维护提供依据。

故障树；液压舵机；故障

液压舵机是船舶重要甲板机械之一，其作用是改变和保持船舶航向。舵机工作直接关系船舶的航行安全。舵机是典型的机电液一体化产品，结构复杂，故障不容易查找[1]。针对船舶舵机的结构及常见故障特点，利用故障树分析法对船舶舵机故障进行分析，为船员进行设备维修、保养提供一种简单可行的方法。

1 液压舵机系统介绍

某型船舶采用的舵机为拔叉式电动液压舵机，控制方式为电磁阀控制式。它由1套拔叉式推舵机构、2套动力柜、1套备用油箱、操纵台等部分组成，结构如图1所示。

当驾驶台给出与实际舵角不同的指令舵角时，电机12启动，带动定量泵11运转，电磁换向阀9某侧电磁线圈通电，阀芯偏离中位，液压油经电磁阀及专用阀8向转舵油缸3某一油路供油，推动拔叉1摆动，进而通过连杆4带动舵柄5和舵杆6转动。当舵转至实际舵角与指令舵角相同时，电磁换向阀的电信号消失，阀芯回到中位，泵的排油经电磁阀卸荷，转舵油缸的油路被封闭，舵停转。

本舵机配备2套互为备用的动力柜，用其中1套工作就能满足船级社对船机的各项要求，另外1套备用[2]。

1. 拔叉 2. 柱塞 3. 油缸 4. 连杆 5. 舵柄 6. 舵杆 7. 安全阀 8. 换向阀 9. 电磁换向阀 10. 卸荷阀 11. 定量泵 12. 电机 13. 油箱 14. 备用动力柜 15. 备用油箱

图1 阀控型液压舵机系统原理图

2 故障树分析法

2.1 基本原理

故障树分析法是一种将系统故障形成的原因作为总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，它可以围绕一个或一些特定的故障模式进行层层追踪。在清晰的故障树下，可以表达系统故障事件的内在联系，提出单元故障之间的逻辑关系，找出系统的薄弱环节[3]。

2.2 分析步骤

2.2.1 选择顶事件

顶事件是FTA所绘制的倒置树形结构中顶端的事件，也是故障树分析的出发点。通常把产品最不希望发生的事件作为故障树的顶事件[4]。

2.2.2 建造故障树

工程中采用演绎法人工建树，对于复杂问题，通常采用计算机辅助手段建树。本研究采用计算机辅助手段来建树。将画好的故障树进行规范化，使之成为仅含有底事件、结果事件，以及“与”“或”“非”3种逻辑门的故障树。

2.2.3 定性分析

求出故障树的所有最小割集，在没有基础数据而无法进一步定量分析的情形下，可以仅作定性比较。

2.2.4 定量分析

在各个底事件相互独立和已知其发生概率的条件下，求出故障树顶事件发生概率和一些重要度指标。

3 利用故障树排除船舶舵机液压系统故障

船舶舵机主要由液压系统、机械系统、电气控制系统等部分组成。每个系统都有可能发生故障，实践表明，液压系统和电气系统比较容易出现故障。其中液压系统经常出现的故障有舵机不能转动、滞舵、跑舵、单向舵等。本文以“舵机不能转动”为例，详细说明故障树法在舵机故障诊断及排除中的应用。

3.1 舵机不能转动故障树建立

导致船舶舵机不能转动的原因主要有以下几种：

1) 遥控系统失灵。如电源故障、保险丝熔断、触头或连接接触不良、电气元件损坏等，还有可能是舵机间电气遥控系统的受动元件或机构故障，如电磁阀阀芯卡阻、传动销脱落等。

2) 主油泵不供油。若泵转动但无油压，可能是泵损坏；也可能是油箱油位过低或吸入侧堵塞。

3) 主油路旁通或严重泄漏。主要原因可能是舵机负荷过大，使油压高于正常值，安全阀开启[5]，也可能是旁通阀开启、安全阀开启压力过低或关闭不严，卸荷阀不能关闭等。

利用“故障树计算机辅助分析软件”建立船舶舵机不能转动故障树，如图2所示。

图2 舵机不能转动故障树

3.2 故障树分析

3.2.1 故障树的定性分析

利用“故障树计算机辅助分析软件”很容易对所建立的故障树进行定性分析，求出全部最小割集，找出引起顶事件发生的所有可能故障模式。舵机不能转动的最小割集为{Xi}，i=1，2，…,15，Xi为基本事件。

从故障树的最小割集可以看出，这个故障树共有15个最小割集，它们构成了舵机不能转动的所有故障模式；所有最小割集都是一阶的，说明舵机系统是一个典型的串联系统，每个最小割集中的故障发生，都会导致舵机不能转动这个顶事件的发生。

3.2.2 故障树的定量分析

根据各基本事件发生的概率，求出各基本事件的概率重要度，并根据概率重要度对基本事件进行排序，可以指导维修人员合理地安排故障排查的顺序。

确定各基本事件的发生概率是进行定量分析的基础，基本事件发生概率的确定方法主要有两种，即故障统计分析法和经验法。故障统计分析法通过统计分析大量的故障数据得到基本事件发生的概率，其优点是结果准确，缺点是数据不容易搜集。经验法比较容易实现，但结果没有故障统计分析法准确。本文采用经验法，发放问卷调查，由各轮机长填写各基本事件发生的概率，求平均值，得到各基本事件发生的概率。舵机不能转动故障树各基本事件发生的概率如表1所示。

表1 基本事件发生的概率

续表

利用“故障树计算机辅助分析软件”计算，得到各基本事件的概率重要度，如表2所示。表2中的数据表示，概率重要度大的基本事件比概率重要度小的基本事件发生故障的可能性大一些。

表2 基本事件概率重要度

3.2.3 利用故障树排除“舵机不能转动”故障

轮机管理人员根据经验和现场观察检测，利用建立的故障树图及故障树的定性和定量分析结果，可以迅速找到故障点，避免从头到尾查找一遍。下面以“舵机不能转动”故障为例，说明利用故障树排除故障的方法[6]。

从舵机不能转动的故障树可以看出，舵机不能转动的中间事件主要有4个，即控制系统失灵、主泵不能供油、主油路不通、转舵机构受阻。

1) 控制系统失灵。用舵机舱的简易操舵台进行操舵，如果舵仍不能转动，说明原因必在舵机上，应对舵机进行详细检查，而不必去检查控制系统下的各基本事件。若舵机运转正常，说明原因在控制系统，那么应参阅驾驶室控制系统的使用说明书，结合控制中间事件(系统失灵)下各基本事件的概率重要度，依次查找故障。

2) 转舵机构受阻。可以根据其下两个基本事件的概率重要度，依次观察转舵机构各构件是否卡住。

3) 主油泵不供油。应先检查油箱的油位是否在液位计的正常范围，若不在(过少)，则补油。检查油液的清洁度和污染，污染严重则可能造成吸油管阻塞。观察电机是否转动，联轴器是否损坏；观察泵是否转动，压力表是否有油压，如果主泵转动无油压，可能是泵损坏，换备用泵，如果正常，说明泵损坏。

4) 主油路不通。检查安全阀预设定压力是否太低，没有达到规定要求。检查截止阀是否关严。电磁阀故障的检查：用手去推电磁阀两端的手动应急按钮，舵转动，说明电磁阀电源插座松脱；若舵仍不动，有可能主阀芯被垃圾、杂质卡住，应把阀拆下，清洗，重新装上再试[7]。

3.2.4 舵机故障的预防措施

为了减少舵机故障发生，轮机管理部门必须严格落实舵机定期保养和维护制度，具体做到以下几点[8]：

1) 日常保养时，仔细检查舵机各运转参数、运转情况和润滑情况，及时发现异常并纠正。

2) 对照液压系统和电气控制系统安装使用说明书进行定期预防、维修。

3) 2台液压动力柜互为备用，每3 h左右互换，这样既能均匀2台设备的正常磨损，又能降低液压油的油温，使液压系统处于较好的工作状态。

4) 保持液压油清洁，平时注意观察滤油器前后的压差，按要求及时清洗或更换滤芯。定期(一般不要超过2 a)采样进行详细的化学性能分析，必要时换油。此外，补油或换油时还应避免液压油混入空气。

4 结束语

利用故障树分析法对船舶舵机故障进行分析，通过建立舵机的故障树，对故障树进行定性分析和定量分析，求得故障树的最小割集和各基本事件的概率重要度，形成供船员进行故障检修的适用性指导文件，船员可以根据经验，结合指导文件迅速查找并排除舵机故障，为船舶抢修提供决策支持。

[1] 段世忠.关于船舶舵机的原理及故障分析与预防[J].民营科技,2012(1):27.

[2] 邹志华.25KNm拨叉式电磁阀控电动液压舵机使用手册[M].北京:机械工业出版社,2003:5-10.

[3] 周海京.故障模式、影响及危害分析与故障树分析[M].北京:航空工业出版社,2003:55-59.

[4] 詹志刚.故障树分析技术在液压舵机系统故障检测中的应用[J].武汉造船,2000(2):16-18.

[5] 陈华旺.基于故障树法的舵机液压系统故障分析及排除[J].九江学院学报,2014(1):45-47.

[6] 王孝霖.船用舵机液压系统分析及典型故障处理[J].机床与液压,2015,43(22):42-44.

[7] 李娟.浅谈电动液压舵机的常见故障及排除[J].科技信息,2008(23):80-81.

[8] 夏秀山.某型驱逐舰液压舵机跑舵故障分析与排除[J].中国修船，2012，25(20)：36-38.

〔责任编辑： 卢 蕊〕

A study on ship steering gear fault diagnosis method based on fault tree analysis

LI Xue， SUN Zheng， ZHAO Shang

(Department of Equipment Support, Zhenjiang Watercraft College of PLA， Zhenjiang 212003, China)

Hydraulic steering gear is the most important ship auxiliary machinery. Its structure is complicated with various faults and difficult to eliminate. This thesis sets up fault tree model based on fault tree analysis, taking the steering gear fault of not rotating as an example, and discusses the minimal cutest of fault and the probabilistic importance through the qualitative analysis and quantitative analysis. The trouble shooting analysis is conducted by the result. It can solve audio-visually and efficiently by this method, which provides references for repair and maintenance of ship steering gear system.

fault tree analysis; hydraulic steering; fault

2016-06-20

镇江船艇学院2015年度学员创新实践活动项目(院学150621号)

李 雪(1978—)，男，辽宁鞍山人，讲师，硕士，主要从事船艇可靠性研究；孙 峥(1987—)，男，浙江宁波人，助教，主要从事精密加工技术研究。

U664.4

A

1008-8148(2016)04-0050-04