AQMUS205FP型全回转舵桨液压系统原理及故障分析

李文钊，白栋材，孙可义

(神华黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113)

AQMUS205FP型全回转舵桨液压系统原理及故障分析

李文钊，白栋材，孙可义

(神华黄骅港务有限责任公司，河北 沧州 061113)

针对神华黄骅港拖轮AQM US 205 FP型全回转舵桨液压系统控制原理和常见故障进行了重点分析，并结合故障实例，探讨快速解决舵桨液压系统故障的思路和方法。

全回转舵桨；液压系统；故障分析

Abstract:In this paper,the control principle and common faults are analyzed of the hydraulic system of tug type AQM US 205 FP full-revolving rudder propeller in Shenhua Huanghua harbor,and thinking and method of solving problems are probed on the hydraulic system of rudder propeller with the trouble example.

Keywords：full-revolving rudder propeller;hydraulic system;fault analysis

芬兰Rolls-Royce公司生产的AQM US 205 FP型全回转舵桨在港作拖轮、渡船和工程船舶上广泛应用[1]。它有着结构紧凑、操作便捷和机动性强等优点。由于该舵桨系统结构精密、控制复杂，维修难度大，本文结合工作实践分析其液压系统工作原理和故障原因。

1 舵桨液压控制系统原理

AQM US 205 FP型舵桨是一种吊舱式Z型传动、可转向的推进单元，主要由回转机构、输出轴系、垫圈、转舵装置、润滑系统、螺旋桨和底盖等组成[2]。“神华拖1”轮即是装备2套AQM US 205 FP型全回转舵桨的2 940 kW拖轮，主要参数见表1。拖轮主柴油机启动后，转速和转矩经中间轴系传递到舵桨输入轴法兰。输入轴上装有皮带轮，通过6根V型皮带驱动组合泵运转。

表1 “神华拖1”轮舵桨主要技术参数表

1.1离合器控制原理

离合器控制泵1从油箱吸油为离合器控制提供液压油，离合器控制原理见图1。为了保护舵桨系统中轴承、齿轮、转舵齿轮和离合器及其控制元件，液压油流被强制流过1个或2个滤器3。压力油流过滤器后会进入减压阀4，从而调整到离合器恒定工作压力，之后油流经过冷却器11。冷却器上设有旁通阀，一方面降低高压油流对冷却器的冲击，另一方面通过高低黏度油流混合达到降温的目的。最后，从冷却器出来油流被引入上部齿轮箱的轴承，最后返回油箱12。

1-离合器控制泵；2-滤器选择阀；3-双联滤器；4-减压阀1；5-减压阀2；6-电磁换向阀1；7-压力传感器；8-溢流阀1；9-电磁换向阀2；10-溢流阀2；11-滑油冷却器；12-油箱。图1 离合器控制液压原理图

AQM US 205 FP型舵桨的离合器控制有3种工作状态：脱排、滑擦和合排，电磁换向阀6的线圈得失电情况见表2。当驾驶台控制手柄离开零位(约5°)，手柄内的微动开关动作，送出啮合指令。该指令通过I/O串口单元读取，然后转换成数字量模式并通过CAN总线传送到CAN控制器节点(CCN-01)，经CCN-01内置程序处理后发出指令使Y353电磁阀得电，经过约1 s延时后，又使离合器的电磁阀Y351得电，离合器控制压力油一部分经溢流阀8泄压后经系统背压阀回油箱，另一部分压力油降至0.8 MPa后送至离合器，使其啮合但在滑动摩擦状态。再经过2 s左右，Y353电磁阀失电，油压恢复至2.4 MPa，离合器完全合排。离合器啮合过程中，液压油先泄压再增压的设定，是为了减小对离合器的冲击和增加润滑的需要。

表2 离合器动作时电磁阀得失电情况表

系统中的压力传感器7监测啮合压力值，当系统没有检测到信号，延时3～5 s左右，取消啮合指令，使Y351电磁阀失电，离合器分离。若手柄还在啮合的位置，系统又会重复执行上述程序，经过2次后，系统发出报警(ACU warning-*CL-SR-F离合器啮合故障)[3]。当控制系统在没有得到压力传感器7的闭合信号时，为保护离合器，这时推动加速手柄时，系统将不给主机速度控制信号(4～20 mA模拟量)。

1.2转舵控制原理

液压转舵控制系统是一个封闭的系统，其控制原理见图2。主转舵泵1为斜盘式轴向柱塞泵，由比例换向阀6改变斜盘倾斜角度来实现泵的变量、变向控制。主泵单元的内置增压泵12主要作用是补偿内部泄露、保持变量泵控制系统所需的压力和冲洗冷却泵壳体等。主转舵泵出来的液压油分2路各控制1个液压马达。任一主油路上设置1个安全阀(7或8)设定压力为32 MPa；两主油路同时共用一个或门梭形阀3，该阀后设有一溢流阀2(设定压力为30 MPa)。当系统压力超过30 MPa时，首先打开或门梭形阀，主泵倾斜盘内的液压油经第一个溢流阀2泄压，斜盘回复原位，降低主泵排量；若系统压力仍大于32 MPa时，第二个安全阀(7或8)同时泄压，迅速降低系统压力。

1-主转舵泵；2-溢流阀1；3-或门梭形阀；4-马达(HM2)；5-马达(HM1)；6-比例换向阀；7-安全阀1；8-安全阀2；9-溢流阀2；10-双联滤器；11-滤器选择阀；12-增压泵；13-油箱。图2 转舵控制液压原理图

舵桨回转动作是由2台马达(HM1和HM2)驱动来实现的。在舵桨机构上有2个角度传感器，一个是转舵控制反馈，另一个是推力方向指示。这2个传感器是一种电位器，通过转向管里的机械齿轮箱驱动。手柄或舵桨转动位置通过I/O串口单元读取，然后转换成数字量模式并通过CAN总线传送到CAN控制器节点(CCN-01)。当舵桨转向时，舵桨控制单元(ACU)CCN-01节点的内置程序会比较参考值和实际值的差。转舵系统会根据这个差值成比例发出控制信号给主泵的三位两通比例换向阀，主泵输送的油流驱动液压马达转动，通过齿轮和齿圈传动使舵桨转向。当舵桨实际角度接近设定值时，这个信号也会相应减小，从而控制转舵速度降低，直到转舵完成。

2 舵桨液压系统常见故障分析

舵桨液压系统中设置了多种仪表和传感器来监测系统运行状态，并通过报警系统及时反馈。常见的报警故障有液压油滤器堵塞、离合器合排压力低和油温高报警等。

2.1滤器堵塞报警

滤器进出口装设压差传感器，差值为0.25 MPa，当液压油压差值高于设定值且持续时间大于15 s时发出报警指示。当发生报警时，首先要拆卸滤器进行清洗或更换。滤器的清洗和更换作为日常维护保养项目之一有固定的周期，清洗时要特别观察杂质情况来判断系统工作状态。清洗或更换后仍然报警的，可排查压差传感器自身故障，如滤器出口导压管堵塞或电气线路故障等。

2.2离合器合排压力低

合排压力监测点设在离合器控制油路滤器出口处，设定值为1.7 MPa，同时该处设置一个压力表和一个备用接口用于日常巡检、维修。导致离合器合排压力低的原因主要有以下3种。

1)压力仪表或传感器损坏。压力传感器和压力指示表互相校核，当压力表指示值与系统报警不一致时，则检查二者是否损坏。压力表指示压力偏差往往是由于铜管不畅通造成的，需要定期疏通。压力传感器常见故障有微动开关损坏、阀芯卡阻、阻尼孔堵塞或电气线路故障等。

2)管路或液压阀等元件泄漏。液压油泄漏会造成油箱液位降低，进而柱塞泵入口吸空而无法建立压力。阀块或管接头渗油往往是该处密封圈老化失效导致，要将关键部位的密封圈更换纳入日常检维修项目中定期更换。

3)液压泵损坏。柱塞泵对油液要求严格，由于舵桨工作环境恶劣，维修保养过程中如果清洁不当会导致液压油杂质污染，造成液压泵机械损害。

2.3油温高报警

液压油温度过高会造成油品变质和油液中空气溢出造成系统穴蚀等危害。舵桨液压系统的油温监测点有多处，如液压系统、液压系统油箱和重力油柜等。造成系统油温高的原因主要有以下3种。

1)液压油冷却系统故障。舵桨液压油经船舶海水冷却系统冷却。由于此冷却器与主机淡水冷却器、空冷器等串联，如主机负荷过高会造成末端海水温度高影响舵桨冷却效果；海水管路和冷却器容易脏堵，造成流量降低也能导致油温过高。

2)系统内部异常磨损严重。液压系统中泵内部磨损、阀块与阀杆的摩擦等会产生油温升高；部分油液润滑和冷却伞形齿轮，也会产生大量热量；舵桨液压系统处在机舱的高温工作环境，尤其是夏季特别容易造成系统油温过高。

3)油箱油位低。因泄漏等原因造成的系统油量过少，内部油液循环加快，散热时间变短，导致油温高。

3 舵桨液压系统典型故障实例

神华黄骅港全回转拖轮已运行10余年，积累了丰富的舵桨液压系统故障处理经验。

3.1控制手柄发讯故障

黄骅港“神华拖1”轮，在工作中发现驾驶台控制手柄归零位后，左舵桨离合器未能脱排，而且此类故障以前偶尔发生过，而能执行正常的合排动作。首先分析故障的偶发性且合排动作能正常执行，说明液压阀、执行机构也正常，问题可能出在脱排指令的传送过程上。于是从指令发出开始检查，操作手柄观察电磁阀线圈得电情况正常，拆卸控制手柄后检查控制离合器的微动开关，发现其零位位置与手柄零位不一致，经调整后，试车正常。

3.2离合器机械故障

黄骅港“神华拖1”轮工作中突然发生右桨离合器无法脱开故障，在反复操作数次后成功脱开。故障排查分析本着先电气控制后液压机械的原则，首先分析脱排控制指令是否正常输出，操作手柄并检查控制离合器的电磁阀线圈，发现线圈正常得电且电压正常。再检查系统各处的压力指示，都在正常范围内，管路未发生堵塞，Y350、Y351和Y353也未发生卡阻。拆检双联滤器滤芯，油质正常，滤芯也没有明显杂质。最后，只能将舵桨液压系统解体，发现离合器活塞弹簧压盘固定螺栓数根断裂，导致合排时勉强传递转矩，而脱排时压盘倾斜造成弹簧无法使活塞完全复位。经更换固定螺栓后，试车正常。

[1] 牟伟,张守波,范丽丽．罗尔斯-罗伊斯AQM US 205-255系列舵桨滑差离合器浅析[J]．船电技术，2015(2)：37-48.

[2] 齐冬. 港口全回转拖轮应用及其推进装置研究[D].大连:大连海事大学,2012.

[3] 岳小林．Z型舵桨离合器故障分析及处置探讨[J]．中国高新技术企业，2015(29)：105-106.

李文钊(1988-)，男，山东邹平人，工程师，硕士，主要从事港机和港作拖轮机电设备管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.003

2017-05-22