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摘要： 船舶舵机装置是保證船舶航行安全的重要设备，舵机装置故障将直接危及船舶的航行安全。针对某轮频繁出现的跑舵故障，对舵机液压系统的工作原理进行了分析，并深入剖析了加在舵叶上的水动力矩的变化规律，找出了舵机液压系统中双向液压锁频繁损坏导致跑舵的原因，指出了舵机液压系统设计中存在的不足，提出了改进措施。
关键词： 液压系统；故障分析； 改进方案
一、引言
船舶舵机装置是保证船舶航行安全的重要设备，用于控制和驱动舵叶的转动，保证船舶按要求迅速可靠地将舵叶转到并保持在指定的舵角，以使船舶航行在给定的航线上，舵机装置故障将直接危及船舶的航行安全。现代船舶舵机大部分为液压舵机，对于船舶工程技术人员来说，舵机液压系统的故障诊断与排除也是一个难点。本研究针对某轮舵机液压系统的一例故障原因进行了深入剖析，指出了舵机液压系统设计上存在的缺陷，提出了改进措施。
二、故障分析
（一）舵机液压回路分析
该轮舵机装置由2 个液压油缸推动撞杆带动舵杆，使舵叶产生转动。船舶航行时，舵叶上的水作用力相对船舶重心产生转船力矩，从而改变船舶航向。该轮舵机液压系统原理如图1 所示。图1 中，1为舵机油泵，2 为电磁换向阀，3为双向液压锁，型号为SXYS-2-B40，4 为双向安全阀，5为液压油缸。当不转舵时，电磁换向阀2 左右线圈均不得电，电磁换向阀2 工作于中位，舵机油泵处于泄油状态，由于双向液压锁3 的锁闭，液压油缸中的油不能流动，舵就处于给定的舵角位。当有操舵命令时，电磁换向阀2 相应电磁线圈就会得电。假如左边电磁线圈得电，电磁换向阀阀芯动作工作在左位，液压系统左边主油路接通压力油并打开液压锁进油，右边油路液压锁受左侧主油路油压控制而打开，通过电磁换向阀左位接通低压侧泄放油箱回油，相应油缸进油和回油，带动舵叶转动； 右侧电磁线圈得电，系统动作原理相同。当实际舵角与发令舵角一致时，电磁换向阀2 电磁线圈就会失电，双向液压锁3 锁闭，舵就稳定在给定的舵角位。
图1 舵机液压回路
通过上述分析可知，当没有操舵指令时，舵角是靠液压系统中双向液压锁对油路的锁闭作用而保持不变，因此当液压锁由于阀座损坏而锁闭不严时，在舵叶上水动力矩的作用下，就会出现上述的跑舵故障。
（二）双向液压锁频繁故障原因分析
图1 液压回路为典型的油缸锁闭回路，被许多液压设备所采用，但该回路用于液压舵机场合还是存在一些问题。
目前船舶多采用空心复板舵，其水平方向剖面呈流线型。图2 所示出舵的工作原理。当船舶航行时，如舵叶处于正舵位置，即舵角（舵叶与船舶中线的夹角）α= 0，若忽略螺旋桨和其他原因造成的不均匀水流的影响，则舵叶两侧的水流对称，水压力相等对船的前进方向不产生影响。当舵叶偏转某一舵角α时，则水流以冲角α流向舵叶，使两侧的流线不再对称，流程长的一侧流速较快，静压较小。舵叶所受水压力的合力用FN表示，FN垂直于舵叶纵剖面，指向舵叶背水面，其作用点O（ 其位置随舵角α而变） 称为压力中心。除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力FT，它比FN小得多。所以当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN和FT合力的水作用力F。舵上的水作用力F也可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水流方向平行的阻力FD。
图2 舵上水作用力及对船上的影响
舵的水压力FN相对于舵杆轴线的力矩称为舵的水动力矩，用Ma表示，如下式所示：
式中： xC —— 舵压力中心至舵杆轴线的距离m平衡舵XC = CX b - Z
CN、CX —— 舵叶的压力系数、压力中心系数，其大小随舵角α而变，并与舵叶几何形状有关，由模型试验测定
A —— 舵叶面积，m2
v —— 舵叶处水流速度，m/s，舵在螺旋桨尾流中时取航速的1. 15 ～ 1. 2 倍
b —— 舵叶平均宽度，m
Z —— 舵杆轴线至舵叶导边的距离，m
ρ—— 海水密度，kg /m3
操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩，用M 表示。舵匀速转动时，转舵扭矩应等于水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf的代数和，即M = Ma+ Mf。M 以方向与舵转向相同为正，而Ma、Mf以方向与舵转向相反为正。显然，Mf始终为正值，平衡舵一般Mf= （0.15 ～ 0.20） Ma。正车回舵或倒车偏舵时Ma为负，则会出现负转舵力矩。
现代船舶大多采用平衡舵，这种舵的水动力矩Ma因力臂XC减小而减小，使舵机需要的功率减小。平衡舵在小舵角时水动力矩会出现负值，转舵时水动力矩会帮助转舵，这是由于压力中心位于舵杆中心线前的缘故。选用适当的平衡系数可以减小舵机的额定功率和常用舵角（小于10°～ 20°） 的功率消耗。一般K= 0.15 ～ 0.35。
倒航时舵叶后缘变成导边，压力中心与舵杆中心线的距离变大，但倒航航速一般不超过正航最大营运航速的一半。实践表明，流线型平衡舵倒航时的最大水动力矩一般为正航最大值的60%左右。
从上述分析不难看出，船舶航行过程中水动力矩大小是变化的，此外还存在正负之分（ 水动力矩阻碍操舵装置转舵为正，水动力矩帮助操舵装置转舵为负）。水动力矩大小变化和正负的改变，造成舵机转舵速度变化。比如舵机在回舵或倒航时，一方面油缸推动舵转动，另一方面水动力矩帮助舵转动（ 这相当于在起升回路中重物下降过程） ，液压锁不起限速的作用，舵转动加快而供油不足，使回路进油油压过低，造成回路回油管路的液压锁由于控制油低压而关闭，由于该过程瞬间完成，液压锁关闭冲击大，频繁的撞击很容易造成阀座的磨损与变形，势必造成液压锁关闭不严，进而产生上述故障。
三、改进方案
针对上述故障原因的分析，就不难找出舵机液压回路的设计缺陷，进而制定解决问题的方案。该回路在设计时未考虑水动力矩变化规律和负转舵力矩的存在，在改进方案中回路中必须增加限速元件。为尽量少影响船舶营运，综合船舶舵机实际，在系统不作大的改动的情况下，在改造方案中采用EMB双向平衡阀（SSPHG50）（图3中元件3）取代SXYS-2-B40 双向液压锁（ 图1中元件3），改造后的液压回路如图3 所示。双向平衡阀取代双向液压锁后，只要回油管路的回油与进油管路的进油不一致时，回油管路的平衡阀就会由于进油管路油压的变化而开大或关小，舵的转舵速度就会平稳，液压回路中油压冲击小，由于该阀的工作性能造成上述故障的可能性就会减少。
图3 改造后的舵机液压回路
四、结论
该轮舵机液压系统按照上述方案改造后，从近两年运行情况看，舵机运行平稳，系统再没有更换任何阀件，冲舵、跑舵等故障也再未发生。在对该轮舵机液压系统改造的过程中也有如下体会：（ 1） 在液压设备液压回路的设计上，必须理论联系实际，要深入分析我们的控制对象，否则回路的设计必定存在缺陷，设备的运行可靠性大打折扣；（ 2） 我们的维护管理人员在使用设备时，要对各种故障进行整理分析，特别是共性的故障和设备有规律的故障，不能简单更换元件，要彻查事故的产生原因并能作出合理的解释，最终做到标本兼治。
参考文献：
[1]费千.船舶辅机[D].大连：大连海事大学出版社， 2008.
[2]郑士君.船舶液压系统故障与维修技术[M].北京：人民交通出版社，1996.
[3]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京： 北京理工大学出版社， 1998.
关键词： 液压系统；故障分析； 改进方案
一、引言
船舶舵机装置是保证船舶航行安全的重要设备，用于控制和驱动舵叶的转动，保证船舶按要求迅速可靠地将舵叶转到并保持在指定的舵角，以使船舶航行在给定的航线上，舵机装置故障将直接危及船舶的航行安全。现代船舶舵机大部分为液压舵机，对于船舶工程技术人员来说，舵机液压系统的故障诊断与排除也是一个难点。本研究针对某轮舵机液压系统的一例故障原因进行了深入剖析，指出了舵机液压系统设计上存在的缺陷，提出了改进措施。
二、故障分析
（一）舵机液压回路分析
该轮舵机装置由2 个液压油缸推动撞杆带动舵杆，使舵叶产生转动。船舶航行时，舵叶上的水作用力相对船舶重心产生转船力矩，从而改变船舶航向。该轮舵机液压系统原理如图1 所示。图1 中，1为舵机油泵，2 为电磁换向阀，3为双向液压锁，型号为SXYS-2-B40，4 为双向安全阀，5为液压油缸。当不转舵时，电磁换向阀2 左右线圈均不得电，电磁换向阀2 工作于中位，舵机油泵处于泄油状态，由于双向液压锁3 的锁闭，液压油缸中的油不能流动，舵就处于给定的舵角位。当有操舵命令时，电磁换向阀2 相应电磁线圈就会得电。假如左边电磁线圈得电，电磁换向阀阀芯动作工作在左位，液压系统左边主油路接通压力油并打开液压锁进油，右边油路液压锁受左侧主油路油压控制而打开，通过电磁换向阀左位接通低压侧泄放油箱回油，相应油缸进油和回油，带动舵叶转动； 右侧电磁线圈得电，系统动作原理相同。当实际舵角与发令舵角一致时，电磁换向阀2 电磁线圈就会失电，双向液压锁3 锁闭，舵就稳定在给定的舵角位。
图1 舵机液压回路
通过上述分析可知，当没有操舵指令时，舵角是靠液压系统中双向液压锁对油路的锁闭作用而保持不变，因此当液压锁由于阀座损坏而锁闭不严时，在舵叶上水动力矩的作用下，就会出现上述的跑舵故障。
（二）双向液压锁频繁故障原因分析
图1 液压回路为典型的油缸锁闭回路，被许多液压设备所采用，但该回路用于液压舵机场合还是存在一些问题。
目前船舶多采用空心复板舵，其水平方向剖面呈流线型。图2 所示出舵的工作原理。当船舶航行时，如舵叶处于正舵位置，即舵角（舵叶与船舶中线的夹角）α= 0，若忽略螺旋桨和其他原因造成的不均匀水流的影响，则舵叶两侧的水流对称，水压力相等对船的前进方向不产生影响。当舵叶偏转某一舵角α时，则水流以冲角α流向舵叶，使两侧的流线不再对称，流程长的一侧流速较快，静压较小。舵叶所受水压力的合力用FN表示，FN垂直于舵叶纵剖面，指向舵叶背水面，其作用点O（ 其位置随舵角α而变） 称为压力中心。除FN外，水流对舵叶还会产生与舵叶中线方向一致的摩擦力FT，它比FN小得多。所以当舵叶偏转舵角α后，在舵叶的压力中心O上，就会产生一个大小等于FN和FT合力的水作用力F。舵上的水作用力F也可分解为与水流方向垂直的升力FL和与水流方向平行的阻力FD。
图2 舵上水作用力及对船上的影响
舵的水压力FN相对于舵杆轴线的力矩称为舵的水动力矩，用Ma表示，如下式所示：
式中： xC —— 舵压力中心至舵杆轴线的距离m平衡舵XC = CX b - Z
CN、CX —— 舵叶的压力系数、压力中心系数，其大小随舵角α而变，并与舵叶几何形状有关，由模型试验测定
A —— 舵叶面积，m2
v —— 舵叶处水流速度，m/s，舵在螺旋桨尾流中时取航速的1. 15 ～ 1. 2 倍
b —— 舵叶平均宽度，m
Z —— 舵杆轴线至舵叶导边的距离，m
ρ—— 海水密度，kg /m3
操舵装置施加在舵杆上的扭矩称为转舵扭矩，用M 表示。舵匀速转动时，转舵扭矩应等于水动力矩Ma和舵各支承处的总摩擦扭矩Mf的代数和，即M = Ma+ Mf。M 以方向与舵转向相同为正，而Ma、Mf以方向与舵转向相反为正。显然，Mf始终为正值，平衡舵一般Mf= （0.15 ～ 0.20） Ma。正车回舵或倒车偏舵时Ma为负，则会出现负转舵力矩。
现代船舶大多采用平衡舵，这种舵的水动力矩Ma因力臂XC减小而减小，使舵机需要的功率减小。平衡舵在小舵角时水动力矩会出现负值，转舵时水动力矩会帮助转舵，这是由于压力中心位于舵杆中心线前的缘故。选用适当的平衡系数可以减小舵机的额定功率和常用舵角（小于10°～ 20°） 的功率消耗。一般K= 0.15 ～ 0.35。
倒航时舵叶后缘变成导边，压力中心与舵杆中心线的距离变大，但倒航航速一般不超过正航最大营运航速的一半。实践表明，流线型平衡舵倒航时的最大水动力矩一般为正航最大值的60%左右。
从上述分析不难看出，船舶航行过程中水动力矩大小是变化的，此外还存在正负之分（ 水动力矩阻碍操舵装置转舵为正，水动力矩帮助操舵装置转舵为负）。水动力矩大小变化和正负的改变，造成舵机转舵速度变化。比如舵机在回舵或倒航时，一方面油缸推动舵转动，另一方面水动力矩帮助舵转动（ 这相当于在起升回路中重物下降过程） ，液压锁不起限速的作用，舵转动加快而供油不足，使回路进油油压过低，造成回路回油管路的液压锁由于控制油低压而关闭，由于该过程瞬间完成，液压锁关闭冲击大，频繁的撞击很容易造成阀座的磨损与变形，势必造成液压锁关闭不严，进而产生上述故障。
三、改进方案
针对上述故障原因的分析，就不难找出舵机液压回路的设计缺陷，进而制定解决问题的方案。该回路在设计时未考虑水动力矩变化规律和负转舵力矩的存在，在改进方案中回路中必须增加限速元件。为尽量少影响船舶营运，综合船舶舵机实际，在系统不作大的改动的情况下，在改造方案中采用EMB双向平衡阀（SSPHG50）（图3中元件3）取代SXYS-2-B40 双向液压锁（ 图1中元件3），改造后的液压回路如图3 所示。双向平衡阀取代双向液压锁后，只要回油管路的回油与进油管路的进油不一致时，回油管路的平衡阀就会由于进油管路油压的变化而开大或关小，舵的转舵速度就会平稳，液压回路中油压冲击小，由于该阀的工作性能造成上述故障的可能性就会减少。
图3 改造后的舵机液压回路
四、结论
该轮舵机液压系统按照上述方案改造后，从近两年运行情况看，舵机运行平稳，系统再没有更换任何阀件，冲舵、跑舵等故障也再未发生。在对该轮舵机液压系统改造的过程中也有如下体会：（ 1） 在液压设备液压回路的设计上，必须理论联系实际，要深入分析我们的控制对象，否则回路的设计必定存在缺陷，设备的运行可靠性大打折扣；（ 2） 我们的维护管理人员在使用设备时，要对各种故障进行整理分析，特别是共性的故障和设备有规律的故障，不能简单更换元件，要彻查事故的产生原因并能作出合理的解释，最终做到标本兼治。
参考文献：
[1]费千.船舶辅机[D].大连：大连海事大学出版社， 2008.
[2]郑士君.船舶液压系统故障与维修技术[M].北京：人民交通出版社，1996.
[3]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京： 北京理工大学出版社， 1998.