对一份阀控型液压舵机系统原理图解读

今天有网友给我网上留言反馈，希望我能够多介绍一点目前典型液压舵机的液压系统原理图，因为各液压舵机制造厂都有自己的设计经验和方法，多少有些不同。此外，厂家为了自身利益，往往给船厂、船东或船级社提供的图纸（包括样本）局部会进行“简化”，以防止其它厂家模仿。另外我也不能直接拿厂家的设计图纸进行公开点评，这也涉及替设计方保密的问题。故我只能对已经在网上公开的文章中提供的图纸进行一点解读，请各位谅解。

碰巧我前几天见到“吴淞海事”微信公众号发表的一篇《蓝鲸安检 | 舵机油柜布置与液压系统原理图不一致的案例及其分析》的文章（可以点击查看），其中就有一份比较典型的且相对比较清晰的阀控型液压舵机原理图（参见图1），在此我就对该文提供的图片及图纸等信息进行一点解读。（如果想进一步了解液压舵机相关技术要求，可参见我之前发的《船舶技术讲坛系列讲座-液压舵机》（可点击查看））

图1  阀控型舵机液压系统原理图

一、液压舵机液压系统解读

从该舵机液压系统原理图可以得到如下信息：

1、系统配置

两台相同配置的液压动力装置（图号：V576CS130A-00）加一只储备油箱（图号：V576CS17B），一套带手动隔离阀的拨叉式转舵机构（手动隔离阀直接安装在转舵机构液压缸缸体上），再外加一台电控操纵台，这种配置理论上应该符合海船法规及标准的要求（但不包括法规对一些油船、化学品船及液化气体船舶的附加要求）。从动力柜图号及储备油箱图号看是直接采用了长江船舶设计院在上世纪80~90年代设计的舵机图纸（不知该船配套的液压舵机制造厂是否得到设计院的图纸使用授权；另外顺便补充一点，上世纪80年代长江船舶设计院主要负责内河液压舵机的产品设计及主导内河船舶液压舵机相关标准的制修订，上海704所负责我国海船液压舵机的设计及相关标准的制修订；据我所知，长江船舶设计院当时是田婉华老前辈负责液压舵机产品图纸的设计，上海704所是崔若松（可能“若”字有误）大师负责，90年据说崔大师去从事我国航母工作了；当时国内获得液压舵机生产许可证的制造厂只有7家，北方一家，武汉一家，南方一家，江苏4家）。由于本案例图纸设计采用的是手动隔离阀，故已无法满足后来修改的内河非急流航段航行船舶的法规及标准对舵机故障隔离时间的要求了；另外，由于电控操纵台与液压系统无关，不需要绘制在该液压系统图中，而且明细表中也没有该操纵台，故极有可能是设计方想让该操纵台与液压舵机一起打包配套上船，从而躲避船检。如果可能，下次船检上船检验时可以查验一下该操纵台是否经过船检审图及检验并持有船用产品船检证书。

2、主要参数

公称转舵扭矩180kNm，转舵角±35°，转舵时间＜20s，（最大）工作压力15.5MPa，设计压力16.9MPa，耐压试验25MPa，密性试验21.1MPa，底座轴向推力≥800kN，动力柜与转舵机构连接钢管内径34mm，壁厚5mm。

其中设计压力16.9MPa，耐压试验25MPa，密性试验21.1MPa这3个参数均无法满足法规及标准要求了，设计压力应该为15.5×1.25=19.375MPa，耐压试验应该为19.375×1.5=29.1MPa，密性试验应该为19.375×1.25=24.2MPa；这里为什么取1.25及1.5系数今后有时间再慢慢说。

船舶底座除了承受轴向力之外，还需要承受径向力（具体值我就不复核了）。

无缝管壁厚5mm应该没问题。

写转舵时间＜20s应该是有“原因”的，如果舵机设计仅用于海船，那么转舵时间写≤28s即可，这样电动机功率配置可以更小（目前是11kW），液压泵（4）排量也可以更小（现在明细表是63SCY14-1B手动变量泵，实际图纸绘制的是定量泵，有误），其实大多数图纸标识20s主要是为了今后船舶在进入内河非急流航段航行时能够让监管方误认为这舵机是满足内河法规及标准要求的（关于海船进江要求今后有空我再慢慢写），故如CCS产品审图中心遇到这种情况都会给予特别提醒，签发的审图意见书中会明确注明规范标称值仍然为≤28s，另外加备注转舵速度可达≤20s，另外明确海船法规及规范名称，不包括内河法规及规范，防止该图纸产品被用于内河非急流航段航行船舶。

3、动力柜液压系统

1）阀控系统

采用（开始）阀控系统是想简化系统配置，主要适用于中小型液压舵机（板式阀通常控制在最大通径20mm，插装式阀控制在32mm之内），液压舵机公称扭矩通常在320kNm以内。

2）操舵换向

采用中位M机能（PT腔导通）的内控型三位四通电液换向阀（榆次系列），不操舵时液压油能够从背压阀（8）回油箱，该背压阀是为适应榆次系列换向阀的要求（控制压力好像是7~15bar，还包括回油T口的最高背压限制）配置的，最早是使用固定节流阀产生背压，但容易造成液压冲击，损坏压力表等问题，故打算采用背压单向阀，但又不容易购置（得特制），最后改用低压溢流阀，整定压力在7bar。华德及力士乐等都采用自带背压（单向阀）功能的内控电液换向阀，整定压力4.5bar，因而省去了背压阀（8）。

3）舵机专用阀（10）

主要为了克服负扭矩工况及为了锁舵，防止不操舵时跑舵，液压舵机标准中的稳舵试验及负扭矩试验都是这个阀件的作用，此外还包括双向安全阀（船舶行业可能常称防浪阀），在这是保护转舵机构的，系统溢流阀（6）也是起安全阀作用的，主要保护泵及相关系统，之于它们为什么根据公约及法规要求都要求整定在最大工作压力的1.25倍，抽空再慢慢解释（《液压舵机通用技术条件》CB*3129-82第1.11条提及的安全阀整定压力为公称压力110%的要求是不符合SOLAS公约及相关法规及规范的），对这两个安全阀的整定要求在具体系统中其实整定是应该有差别了，如果感兴趣可以网上检索（如使用“稻壳阅读器”）看看我过去写过的一篇《液压系统中安全阀的可靠性》（《造船技术》1998年第8期），可能会提及。80年代当时舵机专用阀也是分两种模式，长江船舶设计院设计的舵机专用阀可以独立工作，由当时的南京河运学校校办工厂制造，后来转南京福雷公司生产；而704所设计的舵机专用阀在回油部分需要有背压（通常采用节流口），原淮阴清江制造厂都是自制；现在一些企业还有采用平衡阀来代替舵机专用阀的情况；我原来也打算搞个实用新型发明专利的，将这个舵机专用阀的功能融入三位四通电液换向阀之中，后来我进入船舶检验局工作了就放弃了。

4）设置溢流阀（7）的原因

是因为回油滤油器（2）出口设置了截止阀（为了清洗滤器方便），如果不注意关闭了该截止阀，启动机组的瞬间就会炸裂滤油器外壳，目前该节流阀都已经由单向阀（背压通常为3.5bar）替代了。

5）失压报警器/压力传感器（5）的设置原来是基于规范对“独立”设置的带辅助控制系统的情况提出的要求，而本案例的控制液压油是来自“内控”的，与主系统合一，故就没有必要再重复设置该报警了，海船目前都没有这个要求，后来内河规范不知什么原因增加了该条要求，长江船舶设计院当时为了省事，为满足规范要求获得图纸审查顺利通过等就增加了该传感器，其实是可以省略的。

其它好像没有什么可以再解释的了，这个液压系统其实配置是非常简单的。

二、关于机械防护要求

从该文章看，对液压油箱及储备油箱的法规要求解读及现场处置都很到位了，不容易！

当然从文章照片还可以见到泵组未增加防护罩或围栏等安全防护措施（参见图2及图3），在船舶倾斜摇摆的工况下易对船员造成安全事故，故船舶规范对此都有明确要求，如CCS《钢质海船入级规范》（2023）第3篇第1.3.6.1条就明确要求“机械运转时，可能对工作人员构成危险的部位，应设置防护罩或栏杆等安全设施。”

图2 液压舵机泵组

图3  绞缆机液压系统泵组

三、关于液压油使用问题

该文章提及液压舵机与甲板机械液压装置对液压油的选择有不同要求，这是对的。甲板机械需要满足甲板机械的环境条件要求，如CCS《钢质海船入级规范》（2023）第3篇表1.2.1.2对环境温度的要求是-25℃~45℃，而对室内设备（如液压舵机）环境温度要求就是0~45℃，故液压油的选择对甲板机械来说就需要选择低凝液压油。此外对主要承载材料的选择（如钢材）也需要考虑低温环境条件下的性能，如材料低温冲击温度的选择要求等，甲板机械与室内机械的要求也不同。