舵机是保障船舶正常航行的关键设备之一, 舵机工况是否良好对船舶的安全营运有直接影响。按照中国船级社《钢质海船入级规范》要求, 船舶主操舵装置和舵杆应具有足够大的强度, 能在船舶最大航海吃水和最大营运前进航速时操舵, 使舵自任一舷的35°转至另一舷的35°, 且于相同条件下自一舷的35°转至另一舷的30°所需时间不超过28 s[1]。笔者管理的2艘新船的舵机都为HATLAPA R4LG舵机, 近期均出现舵机转舵速度慢的故障。笔者分析故障原因, 总结处置经验, 供船舶和岸基管理人员参考。1 故障现象某船驶出苏伊士运河航行在地中海水域时, 大副发现手动操舵从左舵10°到右舵时转舵速度慢。意识到该异常现象后, 大副马上进行多次反复测试, 在分别选用单台泵运转和2台泵同时运转时, 均出现从左侧向右侧转舵比从右侧向左侧转舵慢的现象。轮机员将舵机操控转到机旁, 使用应急操舵装置测试舵机, 发现情况与驾驶台操控一样, 仍是从左侧向右侧转舵比从右侧向左侧转舵慢。初步判定故障出现在舵机上。2 故障分析2.1 HATLAPA R4LG舵机介绍该船舵机使用HATLAPA R4LG阀控型四缸拨叉式液压舵机, 见图1。其是海船上常用的一种较为可靠的舵机, 舵杆上的转矩通过拨叉将推力直接传递到撞杆上, 结构简单, 加工及拆装都比较方便。整个舵机液压系统设计紧凑, 体积较小。
图1 HATLAPA R4LG舵机示意 2.2 舵机液压工作原理舵机液压系统1号泵组工作原理见图2。该舵机配有2套相同的单向定量油泵 (以下简称油泵) , 吸排油方向不变, 由2套三位四通阀控制液压油方向进入一侧油缸, 达到改变转舵方向的目的。当三位四通阀处于中位时, 油泵的排油经过换向阀旁通直接返回油泵进口, 同时将连通油缸的油路锁闭, 实现稳舵。
图2 舵机液压系统1号泵组工作原理 当舵机操控系统发出右舵指令后, H形电磁换向导阀1Y2得电, 来自控制油路的液压油通过该阀到三位四通阀的A侧, 阀芯向B侧推动。来自油泵的液压油通过三位四通阀流经B侧液压管路, 流进1号油缸和对角的4号油缸, 舵杆逆时针转动, 实现船向右转。2.3 舵机转舵速度慢原因分析舵机的转舵速度取决于单位时间内进入油缸的油量, 而油泵输出的油量在单位时间内不变。转舵速度变慢, 不是定量泵出问题 (流量变小) , 就是系统某个部件出现漏油, 使得进入油缸的油量变少导致的。分别测试2台泵, 在单独运转时和同时运转时均出现同样的故障现象, 排除某台泵出问题的可能性, 问题根源应是系统某个部件漏油。沿着液压油的流向, 逐一分析可能的漏油部件[2]。(1) 油泵出口主油路上的安全阀。该安全阀的作用是保护油泵, 防止在换向阀出现故障时因油泵出口压力过高而损坏油泵。当该安全阀出现泄漏时供油量变小, 转舵速度会变慢, 但该现象是在单侧泵组使用时双向转舵均变慢, 另一侧安全阀正常的泵组单独使用时无影响。因此, 油泵出口主油路上安全阀泄漏的因素可以排除。(2) 补油单向阀。在三位四通阀后, 连接油缸的2个方向的油路上均连接1个吸口单向阀, 用于在该油路回油时为系统补油, 见图2中的A1和B1。如果单向阀B1由于关闭不严漏油, 那么导致油路B供油时油量变小, 即1、4号油缸进油, 向右转舵速度变慢。因此, B1补油单向阀漏油是一个可能的因素。(3) 2个油缸之间的安全阀组。在每一侧的2个油缸之间设有1对安全阀组并包括1个旁通阀, 见图2中的U1。安全阀组的作用是在停止转舵状态下, 当海浪或其他外力冲击舵叶, 通过撞杆传递到油缸, 导致油缸内与其相连的管路油压过高时开启, 使高、低压油缸相通, 保护设备和管路。该安全阀组俗称“防浪阀”。阀组中并联的旁通阀是在手动隔离一侧的液压单元和2个油缸时使用。打开旁通阀后, 该侧的2个油缸相通, 同时关闭与另一侧油路相连的2个阀, 就可把该侧的整个液压系统隔离。如果安全阀组1个方向的安全阀或者与其并联在一起的单向阀出现泄漏, 同时另一方向上没有问题, 就会出现单方向转舵慢的现象。安全阀组漏油也是一个可能的因素。旁通阀关闭不严也会转舵慢, 但现象应该是2个方向转舵同时变慢。3 故障排除和解决3.1 故障排除按照上述的原因分析, 初步判定问题应该发生在补油单向阀或者油缸之间的安全阀组上。舵机操控液压系统见图3, 它由左、右2套完全相同的液压系统组成, 即一共有4个补油单向阀、4个安全阀组。为简化工作, 准确判断出是哪套系统中的哪个阀出现问题, 分别隔离左、右两侧液压系统, 操舵测试进一步判断。
图3 舵机操控液压原理 U1、U2—旁通阀 (常闭) ;C1、C2、C3、C4—油泵隔离阀 (常开) ;V1、V2—系统分离阀 (常开) 先隔离左侧1号油泵, 使用右侧2号油泵, 分别在4个油缸同时工作和仅右侧2、4号油缸工作时进行操舵测试。具体的隔离操作如下:先将2台舵机系统停掉, 关闭左侧泵隔离阀C1和C3, 启动2号舵机系统, 在4个油缸同时工作的状态下手动操作主控制阀2, 2个方向操舵测试, 同时记录转动相同舵角使用的时间;然后打开旁通阀U1, 关闭系统分离阀V1和V2, 在仅右侧2、4号油缸工作时手动操作主控制阀2进行测试。同理, 隔离右侧2号油泵, 换用左侧1号油泵, 分别在4个油缸同时工作和仅左侧1、3号油缸工作时进行操舵测试。测试结果见表1。表1 单侧液压系统使用转舵时间统计 导出到EXCEL
液压泵选择 | 工作油缸 | 从左舵20°到右舵20° | 从右舵20°到左舵20° |
仅2号油泵工作
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4个油缸工作 | 13.5 | 13.8 |
2、4号2个油缸工作 | 7.2 | 7.0 |
仅1号油泵工作 |
4个油缸工作 | 25.0 | 14.0 |
1、3号2个油缸工作 | 13.5 | 7.2 |
经过系统隔离测试, 根据表1记录的转舵时间可知, 在隔离左侧1号油泵、仅使用右侧2号油泵时, 不管是用4个油缸工作还是2个油缸工作, 2个方向的转舵速度基本相同;在隔离右侧2号油泵、仅使用左侧1号油泵时出现问题。因此, 2号油泵及液压管系上的阀件没有问题, 并且2个液压系统中油缸之间的安全阀组也没有问题。显然, 漏油点为1号油泵液压管路上的补油单向阀。转舵慢在从左向右转时出现, 这时高压液压油通向1号油缸, 故可以判断在1号油缸与1号油泵相连的管路上的补油单向阀B1出现泄漏。 3.2 故障解决确认可以停航修理后, 停掉舵机, 关闭电源, 拆检1号油泵上的补油单向阀。该单向阀设计在三位四通阀下面的阀块内部, 阀块侧面连接的液压油管与油缸相连, 阀块固定在油柜的顶面, 阀块下面连接的油管与油泵相连并且浸泡在油箱内, 从外面无法拆下, 只能将油柜顶面拆开, 把电动机、油泵、阀块和油柜顶板一并吊起, 从阀块的下面找到补油单向阀。将油柜顶板1圈螺栓拆下后, 再拆下阀组的相连油管, 用吊具挂在电机上将油柜顶板吊起。从阀块底部检查发现补油单向阀B1松脱, 失去止回作用 (见图4) 。单向阀为带外螺纹的中空式圆柱形设计, 顶部为密封面, 带有弹簧, 底部为内六角孔, 上紧在带内螺纹的油腔中。轮机员用内六角扳手将单向阀重新拧紧后, 把电机、油管等装复。 
图4 补油单向阀 再次启动舵机后操舵测试, 舵机从左向右转舵速度慢的现象消失, 系统恢复正常。为避免相同问题在另一台油泵上出现, 安排轮机员在合适的港口对2号油泵进行拆检, 发现2号油泵上的2个补油单向阀也有松动的迹象, 采用上述方法拧紧。4 结束语几乎在相同的时间, 该船的姊妹船出现相同的舵机从左向右转舵速度慢的问题, 经过拆检发现2号油泵上的1个补油单向阀整个掉落, 最后在油柜的底部找到。随后, 轮机员对该船其他3个补油单向阀进行检查和拧紧。通过本文液压舵机的故障, 可以总结几点经验: (1) 液压舵机在油路方面出现问题时, 一定要先研究液压系统图, 从工作原理上全面分析, 用排除法逐步锁定故障点。这样可以更加直接地解决问题, 简化维修工作。(2) HATLAPA液压舵机要定期检查浸泡在油箱内部的油泵、油管、阀件等, 特别是新船上的舵机。安装、振动、磨损等因素都会导致漏油等故障, 安排定期检查并做好记录, 能够有效保证舵机的正常运转。(3) 建议舵机生产厂家完善舵机液压部分的设计, 在补油单向阀、吸口单向阀等处增加1个防松动的锁紧装置。
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