一种泵控型舵机液压系统分析

前几天我刚刚写了一篇《一种阀控型舵机液压系统分析》的文章，但同时我还见到了一篇“海员M船员” 微信公众号发的另一篇《泵控型舵机》文章（以下简称《文章》，您如感兴趣可以点击该文章详细了解一下），阅读后我感觉很有必要针对该《文章》再写一篇分析文章，以便让我为这个世界再做一点点独一无二的服务，因为我发现《文章》例举的“泵控型舵机”液压系统原理图有很多地方的设计都不能满足SOLAS公约、相关法规及规范的要求，很有必要提醒相关方注意，以便及时采取必要的防范措施，保证船舶航行安全。

《文章》例举了一份泵控型舵机液压系统原理图（参见图1），在我几十年的审图经历中我还真没有见过像图1这种系统设计，可能是几十年前的设计，这些年我猜想应该不会再这样设计了吧！

图1 《泵控型舵机》文章附图（红色标记为我添加的内容）

图中（注：为便于您理解，我对原文附图标注有些修改）：1-主油泵；2-电动机；3-辅油泵；4-油箱；5-粗滤器；6-精滤器；7-减压阀；8、9-单向阀；10-旁通阀；11-溢流阀；12-冷却器；13-液控单向阀；14-可调节流阀；15-安全阀；16-限位螺帽；17-减速器；18-螺杆；19-导块；20-浮动杠杆组；21-伺服电机；22-手轮；25-指令舵角复视器；26-舵角发讯器

《文章》对该泵控型舵机液压系统的工作原理进行了一些介绍，在此我就不重复介绍相同的内容了，只简单补充一些没有介绍的内容或没有表述清楚的一些内容：

一、该例举的泵控型舵机液压系统设计简介：

1、液压动力装置是采用相同动力的双机组配置，主泵采用双向变量泵，液压系统采用了闭式循环方式，主泵变量控制所需动力源、主泵冷却及系统补油等均由辅泵负责提供，主泵与辅泵采用同轴电动机同步驱动，这种设计通常用于中、大型液压舵机。机组可独立工作并满足SOLAS公约对船舶主操舵装置的转舵能力要求，必要时也可同时工作（转舵速度将增加一倍，但需要增加液压阻塞监测报警）。

2、转舵机构为（柱塞式）四缸双拨叉式，设置了手动隔离阀及旁通阀，由于在两组拨叉式转舵机构之间没有加装类似“自动安全切换装置”等，故根据SOLAS公约如第II-1章第29.16条等要求，就不能用于10000总吨及以上的油船、化学品船或气体运输船。

3、系统配置了一只油箱（4）并带有冷却器（12），通过截止阀及粗滤油器后分别为两只辅泵供油，2只辅泵的回油大部分作为各自主泵的冷却油通过主泵泵壳后汇合直接返回油箱；未见设置液位监测报警传感器，也未见绘制公约要求的储备油箱。

4、动力机组采用一套浮动杠杆式追随机构（零部件序号16至25）控制主泵变量及舵角位置的实现。正常操舵情况下从驾驶台发出操舵指令至舵机舱伺服电机（21），经过减速器（17）减速后并通过螺杆（18）及导块（19）后变为直线运动型式的指令信号，再通过浮动杠杆组（20）将操舵指令传递给主泵变量控制伺服阀并控制主泵的排量及指定液压油方向的输出，主泵变量输出液压动力推动转舵机构油缸驱动舵轴旋转，实现转舵目的，同时浮动杠杆组（20）将实际舵角指令反馈给主泵变量控制伺服阀，当实际舵角达到指令舵角时，主泵变量控制伺服阀恢复零位，主泵变量盘也恢复零位，无液压动力输出，这样便达到一个完整的操舵指令的实现。限位螺帽（16）用于限定最大指令舵角值（例如±35°），手轮（22）用于舵机舱就地手动操舵控制，25号部件应该是指令舵角复视器，以便就地查看发出的舵角指令值。

二、该泵控型舵机液压系统设计存在的问题：

1、动力系统的独立性问题：

该系统的动力系统的独立性设计无法满足SOLAS公约第II-1章29.6.1条要求的“如果操舵装置包括有两台或更多相同的动力设备，则不必装设辅助操舵装置，但：…….3 主操舵装置应布置成当其管系或1台动力设备发生单项故障后，此故障能被隔离，使操舵能力能够保持或迅速恢复。”主要原因是系统共用了一只油箱，假设油箱系统出现单项故障（如爆管、滤油器（5）滤芯阻塞或该滤油器前截止阀阀芯脱落阻塞等等），均会导致2套动力装置全部同时失效的严重失舵故障。而正确的设计应该是为每个动力装置配置各自独立的一只油箱，并配有独立的低液位监测报警传感器（SOLAS公约第II-1章29.12.2条）及温度监测报警传感器（参见CCS《钢质海船入级规范》第3篇报警和监测要求表13.1.9.1序号“液压油温度高”的监测要求，用于控制冷却器（12）的启停），同时增加SOLAS公约第II-1章29.12.3条要求的储备油箱。

2、操舵控制系统的独立性问题：

该系统的操舵控制系统的独立性设计无法满足SOLAS公约第II-1章29.7条要求的“应按下列要求设操舵装置的控制装置：.1　对于主操舵装置，在驾驶室和舵机舱；.2　如主操舵装置按照本条6布置并由两个独立的控制系统控制，该两个控制系统均能从驾驶室操作，但不必设置两套操舵手轮或操舵手柄。如果控制系统是由液压遥控传动装置组成，则除10000总吨及以上的油船、化学品船或气体运输船外，不必设置第二套独立控制系统” ；主要原因是因为该控制系统不属于公约所指的“液压遥控传动装置”，而是由电气+浮动杠杆式追随机构组成，虽然电气部分可能是设有2套独立的发令装置（如2只21a/21b伺服电机），但系统却共用了一套浮动杠杆式追随机构操舵控制系统，假设系统出现单项故障（如任一连杆及摇臂的销轴松脱、螺杆与导块卡死等等），均会导致2套动力装置全部同时失效的严重失舵故障。虽然如遇到减速器（17）损坏卡死，还可以使用舵机舱手轮（22）就地进行手动“应急”操舵，但该手轮操舵位置不应该理解为SOLAS公约所要求的“应急操舵位置”（关于这个问题我今后抽时间再专门写一篇文章来解释）。而正确的设计应该是给两套动力装置分别设置一套独立的浮动杠杆式追随机构。

记得现已作废的CB*3131-82《液压舵机出厂试验方法》标准中的图3也有类似的系统原理图，摘录参见如图2：

图2 CB3131-82标准图3

可见该标准例举的操舵控制系统是采用驾驶台电气来控制舵机舱操纵电磁阀（36），再控制执行机构（19油缸）进而通过机械反馈装置（17）来控制两套主变量泵实现操舵目的。与图1略有不同的是有液压缸及液压电磁阀，就地手动应急操纵机构（20）是直接控制液压缸的，但这种设计仍不属于公约所指的“液压遥控传动装置”，故图2的设计仍然与图1类似，控制系统的独立性不能满足公约及规范要求。公约对“液压遥控传动装置”的放宽应该是基于：1）从舵机舱到驾驶台沿途液压管的布置非常繁琐，制造成本比较高，操舵噪音大，不会被大量使用；2）相比其它控制方式，远程液压遥控操舵装置可靠性相对比较高，故一些船东又喜欢这种设计。记得上世纪80年代，我还是经常见到采用“液压遥控传动装置”作为主操舵控制装置的设计型式的，因为当时电磁阀工作可靠性不高，阀件卡死及电磁阀烧毁情况屡屡出现，可是现在随着科技发展，零部件的可靠性提高，情况已经完全不一样了！这种“液压遥控传动装置”操舵控制系统应该不会再安装到新船上了。

3、其它不满足安全要求的情况：

1）辅泵出口安全阀的设计不满足公约及规范要求。例如假设精滤器（6）滤芯坍塌或该滤器前后任一截止阀未打开或因故障卡死，则会造成辅泵超压、爆管或滤油器炸裂的安全事故。SOLAS公约第II-1章29.2.3条要求“凡在液压系统中能被隔断的和由于动力源或外力作用能产生压力的任何部件，应设置安全阀。”故正确的做法是将安全阀（溢流阀11）移到辅泵出口，同时取消精滤器前后的截止阀，在精滤器边增加保护滤器的安全措施（如增加单向阀等）。

此外，在溢流阀（11）进口部位应补充安装压力监测报警传感器，监测控制压力的波动范围满足规范要求，例如CCS《钢质海船入级规范》第7篇第2.2.2.1条要求“控制系统的液压动力源及管系，应满足本规范第3篇第2章和第4章第7节的有关要求以及下列要求：……(2) 当系统的压力低于正常工作压力预定值时，应发出报警。”及第2.1.2.3条要求的“自动化系统的液压和气动设备，应能在动力源压力变化额定值的±20%时正常工作，在设计压力值的1.5 倍时不损坏。” 《文章》中提及“溢流阀11调定为15 MPa左右”的表述应该有误，根据经验应该是15bar。

2）辅泵出口减压阀的设计不满足公约及规范要求。根据CCS《钢质海船入级规范》第3篇第2.8.5.4条要求“压力管路上如装有减压阀时，应在减压阀后装设安全阀及压力表，并应设有装设截止阀的旁通管路或至少另设有一只可供随时更换的备用减压阀。”假设减压阀（7）卡死在关闭位置，无法为主系统补油，此时可以紧急启动另一套动力装置进行操舵；而假设该减压阀卡死在全开位置，如果在减压阀出口不安装安全阀，虽然通常不会造成管路破裂（假设减压阀至单向阀8之间的管子强度满足要求，且大多数都是采用液压集成块而不使用管子），但此时却会因补油压力的提升而导致主系统输出能力的降低，因为对外输出转舵扭矩的大小是基于转舵机构液压缸两端的压差，如果该压差减小，转舵机构就不能输出满足SOLAS公约第II-1章第29.3.2条对主操舵装置操舵能力的要求了。所以正确的做法应是在减压阀7出口部位安装溢流阀，以限制最高补油压力。