李文釗，白棟材，孫可義

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113)

AQMUS205FP型全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)原理及故障分析

李文釗，白棟材，孫可義

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113)

針對(duì)神華黃驊港拖輪AQM US 205 FP型全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)控制原理和常見(jiàn)故障進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并結(jié)合故障實(shí)例，探討快速解決舵槳液壓系統(tǒng)故障的思路和方法。

全回轉(zhuǎn)舵槳；液壓系統(tǒng)；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

芬蘭Rolls-Royce公司生產(chǎn)的AQM US 205 FP型全回轉(zhuǎn)舵槳在港作拖輪、渡船和工程船舶上廣泛應(yīng)用[1]。它有著結(jié)構(gòu)緊湊、操作便捷和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于該舵槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精密、控制復(fù)雜，維修難度大，本文結(jié)合工作實(shí)踐分析其液壓系統(tǒng)工作原理和故障原因。

1 舵槳液壓控制系統(tǒng)原理

AQM US 205 FP型舵槳是一種吊艙式Z型傳動(dòng)、可轉(zhuǎn)向的推進(jìn)單元，主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輸出軸系、墊圈、轉(zhuǎn)舵裝置、潤(rùn)滑系統(tǒng)、螺旋槳和底蓋等組成[2]?！吧袢A拖1”輪即是裝備2套AQM US 205 FP型全回轉(zhuǎn)舵槳的2 940 kW拖輪，主要參數(shù)見(jiàn)表1。拖輪主柴油機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)中間軸系傳遞到舵槳輸入軸法蘭。輸入軸上裝有皮帶輪，通過(guò)6根V型皮帶驅(qū)動(dòng)組合泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 “神華拖1”輪舵槳主要技術(shù)參數(shù)表

1.1離合器控制原理

離合器控制泵1從油箱吸油為離合器控制提供液壓油，離合器控制原理見(jiàn)圖1。為了保護(hù)舵槳系統(tǒng)中軸承、齒輪、轉(zhuǎn)舵齒輪和離合器及其控制元件，液壓油流被強(qiáng)制流過(guò)1個(gè)或2個(gè)濾器3。壓力油流過(guò)濾器后會(huì)進(jìn)入減壓閥4，從而調(diào)整到離合器恒定工作壓力，之后油流經(jīng)過(guò)冷卻器11。冷卻器上設(shè)有旁通閥，一方面降低高壓油流對(duì)冷卻器的沖擊，另一方面通過(guò)高低黏度油流混合達(dá)到降溫的目的。最后，從冷卻器出來(lái)油流被引入上部齒輪箱的軸承，最后返回油箱12。

1-離合器控制泵；2-濾器選擇閥；3-雙聯(lián)濾器；4-減壓閥1；5-減壓閥2；6-電磁換向閥1；7-壓力傳感器；8-溢流閥1；9-電磁換向閥2；10-溢流閥2；11-滑油冷卻器；12-油箱。圖1 離合器控制液壓原理圖

AQM US 205 FP型舵槳的離合器控制有3種工作狀態(tài)：脫排、滑擦和合排，電磁換向閥6的線圈得失電情況見(jiàn)表2。當(dāng)駕駛臺(tái)控制手柄離開(kāi)零位(約5°)，手柄內(nèi)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，送出嚙合指令。該指令通過(guò)I/O串口單元讀取，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量模式并通過(guò)CAN總線傳送到CAN控制器節(jié)點(diǎn)(CCN-01)，經(jīng)CCN-01內(nèi)置程序處理后發(fā)出指令使Y353電磁閥得電，經(jīng)過(guò)約1 s延時(shí)后，又使離合器的電磁閥Y351得電，離合器控制壓力油一部分經(jīng)溢流閥8泄壓后經(jīng)系統(tǒng)背壓閥回油箱，另一部分壓力油降至0.8 MPa后送至離合器，使其嚙合但在滑動(dòng)摩擦狀態(tài)。再經(jīng)過(guò)2 s左右，Y353電磁閥失電，油壓恢復(fù)至2.4 MPa，離合器完全合排。離合器嚙合過(guò)程中，液壓油先泄壓再增壓的設(shè)定，是為了減小對(duì)離合器的沖擊和增加潤(rùn)滑的需要。

表2 離合器動(dòng)作時(shí)電磁閥得失電情況表

系統(tǒng)中的壓力傳感器7監(jiān)測(cè)嚙合壓力值，當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，延時(shí)3～5 s左右，取消嚙合指令，使Y351電磁閥失電，離合器分離。若手柄還在嚙合的位置，系統(tǒng)又會(huì)重復(fù)執(zhí)行上述程序，經(jīng)過(guò)2次后，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警(ACU warning-*CL-SR-F離合器嚙合故障)[3]。當(dāng)控制系統(tǒng)在沒(méi)有得到壓力傳感器7的閉合信號(hào)時(shí)，為保護(hù)離合器，這時(shí)推動(dòng)加速手柄時(shí)，系統(tǒng)將不給主機(jī)速度控制信號(hào)(4～20 mA模擬量)。

1.2轉(zhuǎn)舵控制原理

液壓轉(zhuǎn)舵控制系統(tǒng)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，其控制原理見(jiàn)圖2。主轉(zhuǎn)舵泵1為斜盤(pán)式軸向柱塞泵，由比例換向閥6改變斜盤(pán)傾斜角度來(lái)實(shí)現(xiàn)泵的變量、變向控制。主泵單元的內(nèi)置增壓泵12主要作用是補(bǔ)償內(nèi)部泄露、保持變量泵控制系統(tǒng)所需的壓力和沖洗冷卻泵殼體等。主轉(zhuǎn)舵泵出來(lái)的液壓油分2路各控制1個(gè)液壓馬達(dá)。任一主油路上設(shè)置1個(gè)安全閥(7或8)設(shè)定壓力為32 MPa；兩主油路同時(shí)共用一個(gè)或門(mén)梭形閥3，該閥后設(shè)有一溢流閥2(設(shè)定壓力為30 MPa)。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)30 MPa時(shí)，首先打開(kāi)或門(mén)梭形閥，主泵傾斜盤(pán)內(nèi)的液壓油經(jīng)第一個(gè)溢流閥2泄壓，斜盤(pán)回復(fù)原位，降低主泵排量；若系統(tǒng)壓力仍大于32 MPa時(shí)，第二個(gè)安全閥(7或8)同時(shí)泄壓，迅速降低系統(tǒng)壓力。

1-主轉(zhuǎn)舵泵；2-溢流閥1；3-或門(mén)梭形閥；4-馬達(dá)(HM2)；5-馬達(dá)(HM1)；6-比例換向閥；7-安全閥1；8-安全閥2；9-溢流閥2；10-雙聯(lián)濾器；11-濾器選擇閥；12-增壓泵；13-油箱。圖2 轉(zhuǎn)舵控制液壓原理圖

舵槳回轉(zhuǎn)動(dòng)作是由2臺(tái)馬達(dá)(HM1和HM2)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在舵槳機(jī)構(gòu)上有2個(gè)角度傳感器，一個(gè)是轉(zhuǎn)舵控制反饋，另一個(gè)是推力方向指示。這2個(gè)傳感器是一種電位器，通過(guò)轉(zhuǎn)向管里的機(jī)械齒輪箱驅(qū)動(dòng)。手柄或舵槳轉(zhuǎn)動(dòng)位置通過(guò)I/O串口單元讀取，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量模式并通過(guò)CAN總線傳送到CAN控制器節(jié)點(diǎn)(CCN-01)。當(dāng)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)，舵槳控制單元(ACU)CCN-01節(jié)點(diǎn)的內(nèi)置程序會(huì)比較參考值和實(shí)際值的差。轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)差值成比例發(fā)出控制信號(hào)給主泵的三位兩通比例換向閥，主泵輸送的油流驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪和齒圈傳動(dòng)使舵槳轉(zhuǎn)向。當(dāng)舵槳實(shí)際角度接近設(shè)定值時(shí)，這個(gè)信號(hào)也會(huì)相應(yīng)減小，從而控制轉(zhuǎn)舵速度降低，直到轉(zhuǎn)舵完成。

2 舵槳液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

舵槳液壓系統(tǒng)中設(shè)置了多種儀表和傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)反饋。常見(jiàn)的報(bào)警故障有液壓油濾器堵塞、離合器合排壓力低和油溫高報(bào)警等。

2.1濾器堵塞報(bào)警

濾器進(jìn)出口裝設(shè)壓差傳感器，差值為0.25 MPa，當(dāng)液壓油壓差值高于設(shè)定值且持續(xù)時(shí)間大于15 s時(shí)發(fā)出報(bào)警指示。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，首先要拆卸濾器進(jìn)行清洗或更換。濾器的清洗和更換作為日常維護(hù)保養(yǎng)項(xiàng)目之一有固定的周期，清洗時(shí)要特別觀察雜質(zhì)情況來(lái)判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。清洗或更換后仍然報(bào)警的，可排查壓差傳感器自身故障，如濾器出口導(dǎo)壓管堵塞或電氣線路故障等。

2.2離合器合排壓力低

合排壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在離合器控制油路濾器出口處，設(shè)定值為1.7 MPa，同時(shí)該處設(shè)置一個(gè)壓力表和一個(gè)備用接口用于日常巡檢、維修。導(dǎo)致離合器合排壓力低的原因主要有以下3種。

1)壓力儀表或傳感器損壞。壓力傳感器和壓力指示表互相校核，當(dāng)壓力表指示值與系統(tǒng)報(bào)警不一致時(shí)，則檢查二者是否損壞。壓力表指示壓力偏差往往是由于銅管不暢通造成的，需要定期疏通。壓力傳感器常見(jiàn)故障有微動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞、閥芯卡阻、阻尼孔堵塞或電氣線路故障等。

2)管路或液壓閥等元件泄漏。液壓油泄漏會(huì)造成油箱液位降低，進(jìn)而柱塞泵入口吸空而無(wú)法建立壓力。閥塊或管接頭滲油往往是該處密封圈老化失效導(dǎo)致，要將關(guān)鍵部位的密封圈更換納入日常檢維修項(xiàng)目中定期更換。

3)液壓泵損壞。柱塞泵對(duì)油液要求嚴(yán)格，由于舵槳工作環(huán)境惡劣，維修保養(yǎng)過(guò)程中如果清潔不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致液壓油雜質(zhì)污染，造成液壓泵機(jī)械損害。

2.3油溫高報(bào)警

液壓油溫度過(guò)高會(huì)造成油品變質(zhì)和油液中空氣溢出造成系統(tǒng)穴蝕等危害。舵槳液壓系統(tǒng)的油溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)有多處，如液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)油箱和重力油柜等。造成系統(tǒng)油溫高的原因主要有以下3種。

1)液壓油冷卻系統(tǒng)故障。舵槳液壓油經(jīng)船舶海水冷卻系統(tǒng)冷卻。由于此冷卻器與主機(jī)淡水冷卻器、空冷器等串聯(lián)，如主機(jī)負(fù)荷過(guò)高會(huì)造成末端海水溫度高影響舵槳冷卻效果；海水管路和冷卻器容易臟堵，造成流量降低也能導(dǎo)致油溫過(guò)高。

2)系統(tǒng)內(nèi)部異常磨損嚴(yán)重。液壓系統(tǒng)中泵內(nèi)部磨損、閥塊與閥桿的摩擦等會(huì)產(chǎn)生油溫升高；部分油液潤(rùn)滑和冷卻傘形齒輪，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量；舵槳液壓系統(tǒng)處在機(jī)艙的高溫工作環(huán)境，尤其是夏季特別容易造成系統(tǒng)油溫過(guò)高。

3)油箱油位低。因泄漏等原因造成的系統(tǒng)油量過(guò)少，內(nèi)部油液循環(huán)加快，散熱時(shí)間變短，導(dǎo)致油溫高。

3 舵槳液壓系統(tǒng)典型故障實(shí)例

神華黃驊港全回轉(zhuǎn)拖輪已運(yùn)行10余年，積累了豐富的舵槳液壓系統(tǒng)故障處理經(jīng)驗(yàn)。

3.1控制手柄發(fā)訊故障

黃驊港“神華拖1”輪，在工作中發(fā)現(xiàn)駕駛臺(tái)控制手柄歸零位后，左舵槳離合器未能脫排，而且此類(lèi)故障以前偶爾發(fā)生過(guò)，而能執(zhí)行正常的合排動(dòng)作。首先分析故障的偶發(fā)性且合排動(dòng)作能正常執(zhí)行，說(shuō)明液壓閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)也正常，問(wèn)題可能出在脫排指令的傳送過(guò)程上。于是從指令發(fā)出開(kāi)始檢查，操作手柄觀察電磁閥線圈得電情況正常，拆卸控制手柄后檢查控制離合器的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn)其零位位置與手柄零位不一致，經(jīng)調(diào)整后，試車(chē)正常。

3.2離合器機(jī)械故障

黃驊港“神華拖1”輪工作中突然發(fā)生右槳離合器無(wú)法脫開(kāi)故障，在反復(fù)操作數(shù)次后成功脫開(kāi)。故障排查分析本著先電氣控制后液壓機(jī)械的原則，首先分析脫排控制指令是否正常輸出，操作手柄并檢查控制離合器的電磁閥線圈，發(fā)現(xiàn)線圈正常得電且電壓正常。再檢查系統(tǒng)各處的壓力指示，都在正常范圍內(nèi)，管路未發(fā)生堵塞，Y350、Y351和Y353也未發(fā)生卡阻。拆檢雙聯(lián)濾器濾芯，油質(zhì)正常，濾芯也沒(méi)有明顯雜質(zhì)。最后，只能將舵槳液壓系統(tǒng)解體，發(fā)現(xiàn)離合器活塞彈簧壓盤(pán)固定螺栓數(shù)根斷裂，導(dǎo)致合排時(shí)勉強(qiáng)傳遞轉(zhuǎn)矩，而脫排時(shí)壓盤(pán)傾斜造成彈簧無(wú)法使活塞完全復(fù)位。經(jīng)更換固定螺栓后，試車(chē)正常。

[1] 牟偉,張守波,范麗麗．羅爾斯-羅伊斯AQM US 205-255系列舵槳滑差離合器淺析[J]．船電技術(shù)，2015(2)：37-48.

[2] 齊冬. 港口全回轉(zhuǎn)拖輪應(yīng)用及其推進(jìn)裝置研究[D].大連:大連海事大學(xué),2012.

[3] 岳小林．Z型舵槳離合器故障分析及處置探討[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015(29)：105-106.

李文釗(1988-)，男，山東鄒平人，工程師，碩士，主要從事港機(jī)和港作拖輪機(jī)電設(shè)備管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.003

2017-05-22