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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.