廣西內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)存在問題與對(duì)策研究

曾志偉

摘要：液壓舵機(jī)是保持船舶航向，保證船舶安全航行的重要設(shè)備。文章依據(jù)船檢技術(shù)規(guī)范對(duì)船舶液壓舵機(jī)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)廣西內(nèi)河船舶裝船液壓舵機(jī)的系統(tǒng)組成進(jìn)行了分析，指出了液壓舵機(jī)存在的問題及其原因，并結(jié)合廣西船舶實(shí)際情況提出了相應(yīng)的解決方案，以提高液壓舵機(jī)安全技術(shù)水平，更好地保障船舶航行安全。

關(guān)鍵詞：液壓舵機(jī);問題分析;解決對(duì)策

0 引言

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）生效后，廣西液壓舵機(jī)生產(chǎn)廠家按照規(guī)范對(duì)舵機(jī)的新要求進(jìn)行了更新設(shè)計(jì)，經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)在實(shí)踐中確實(shí)起到了提高安全性、減少故障率的作用，但同時(shí)也暴露出一些普遍和突出的問題。隨著內(nèi)河航道等級(jí)的不斷提升，船舶朝大型化方向發(fā)展，新建船舶噸位越來越大，為保障船舶航行安全，有必要對(duì)液壓舵機(jī)存在的這些問題進(jìn)行總結(jié)和分析，并及時(shí)采取有效措施切實(shí)提高廣西內(nèi)河液壓舵機(jī)安全技術(shù)水平。

1 廣西內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)系統(tǒng)組成

廣西內(nèi)河液壓舵機(jī)液壓系統(tǒng)原理見下頁圖1。分析該舵機(jī)原理圖，存在以下主要特征：

（1）轉(zhuǎn)舵方式采用手操和電操兩種方式，并通過電磁換向閥來轉(zhuǎn)換。長(zhǎng)期以來廣西區(qū)內(nèi)的河船舶駕駛員習(xí)慣于在船舶正常航行時(shí)使用手輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向器來控制液壓舵機(jī)轉(zhuǎn)舵角度、方向和時(shí)間，當(dāng)船舶在離靠碼頭時(shí)或者船舶主機(jī)怠速工況時(shí)才有可能使用電操手柄來控制三位四通電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)舵角度和方向的變化，電操和手操通過電磁換向閥來切換。

（2）動(dòng)力設(shè)備采用主機(jī)軸帶泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵。為了節(jié)能，通常是主機(jī)軸帶一臺(tái)液壓泵作為常用泵來給液壓系統(tǒng)供油，另外再設(shè)一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作為備用泵，當(dāng)船舶在離靠碼頭或者船舶主機(jī)怠速工況及主機(jī)軸帶泵故障時(shí)才啟動(dòng)向系統(tǒng)供油。

（3）油箱設(shè)置采用一個(gè)工作油箱，兩泵共用一個(gè)工作油箱，另外設(shè)置一個(gè)高位儲(chǔ)備油箱通過管路與工作油箱相連，在需要時(shí)給工作油箱充油。

（4）液壓油缸入口處采用手動(dòng)雙聯(lián)截止閥，當(dāng)管系或一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單項(xiàng)故障時(shí)，操作截止閥手柄進(jìn)行系統(tǒng)隔離和轉(zhuǎn)換。

2 液壓舵機(jī)存在的主要問題

2.1 液壓系統(tǒng)管系和附件的設(shè)置

2.1.1 問題描述

液壓舵機(jī)動(dòng)力設(shè)備的管系和附件雖未實(shí)現(xiàn)互相獨(dú)立設(shè)置，但在油缸入口隔離閥處匯合。隔離閥采用手動(dòng)雙聯(lián)截止閥（12）進(jìn)行故障隔離，無法滿足船檢技術(shù)規(guī)范對(duì)液壓舵機(jī)出現(xiàn)單項(xiàng)故障時(shí)，能在10 s內(nèi)進(jìn)行隔離并轉(zhuǎn)換至另一套進(jìn)行工作的要求。

2.1.2 問題原因分析

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.3（1）規(guī)定：對(duì)轉(zhuǎn)舵扭矩>16 kN·m的電控型舵機(jī)，其動(dòng)力設(shè)備的管系和附件應(yīng)互相獨(dú)立設(shè)置，僅在油缸入口隔離閥處匯合。當(dāng)其管系或一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單項(xiàng)故障時(shí)，此缺陷能被隔離，且能迅速轉(zhuǎn)換至另一臺(tái)使用，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)≤10 s，并應(yīng)設(shè)有轉(zhuǎn)換的信號(hào)標(biāo)識(shí)。

從圖1可見該液壓系統(tǒng)在單項(xiàng)故障隔離方面存在以下兩個(gè)問題：

（1）液壓系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備及其管系在手操/電操電磁換向閥處進(jìn)行了匯合，屬于兩個(gè)動(dòng)力設(shè)備的公共部分，沒有進(jìn)行完全獨(dú)立設(shè)置，如果此處的電磁換向閥及其管系發(fā)生故障（破損、泄露等），則整個(gè)液壓系統(tǒng)會(huì)因動(dòng)力油短缺導(dǎo)致舵機(jī)失效。

（2）油缸入口處采用手動(dòng)雙聯(lián)截止閥作為隔離閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，不能實(shí)現(xiàn)當(dāng)液壓系統(tǒng)管系或一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單項(xiàng)故障時(shí)，此缺陷能被迅速隔離并轉(zhuǎn)換至另一臺(tái)使用的要求。為什么液壓舵機(jī)采用手動(dòng)雙聯(lián)截止閥作為隔離閥無法達(dá)到單項(xiàng)故障迅速隔離和轉(zhuǎn)換的要求呢？主要原因如下：

廣西內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)轉(zhuǎn)舵裝置布置在船舶尾艙平臺(tái)上，以前進(jìn)出船舶尾艙是水密人孔蓋，現(xiàn)在有些船舶改為艙口蓋，在尾艙內(nèi)設(shè)有直梯從艙口蓋或人孔蓋下到尾艙，但是并沒有在尾艙內(nèi)設(shè)置與直梯及轉(zhuǎn)舵油缸平臺(tái)相連的工作通道。由于擺缸式液壓舵機(jī)油缸進(jìn)出口連接的管路都是采用高壓軟管，而可能因?yàn)楦邏很浌艿馁|(zhì)量問題，軟管在反復(fù)脈沖高壓作用下偶有爆管現(xiàn)象，爆管后有大量液壓油泄漏，可能造成液壓油箱油量不足和使空氣進(jìn)入管路，嚴(yán)重影響舵機(jī)性能。若轉(zhuǎn)舵油缸進(jìn)出口連接軟管等部件損壞，船員從打開人孔蓋或艙口蓋進(jìn)入尾艙到達(dá)轉(zhuǎn)舵油缸平臺(tái)，然后轉(zhuǎn)換雙聯(lián)截止閥進(jìn)行故障隔離需要較長(zhǎng)時(shí)間，無法緊急隔離該處故障部件。再加上廣西內(nèi)河船舶船員普遍對(duì)舵機(jī)的知識(shí)掌握不足，通常不具備解除故障的能力，所以僅有手動(dòng)雙聯(lián)截止閥來進(jìn)行故障隔離不可取。

2.1.3 解決對(duì)策

（1）取消手操/電操電磁換向閥，將兩套動(dòng)力設(shè)備及其管系進(jìn)行完全獨(dú)立設(shè)置，并在油缸入口處與隔離閥進(jìn)行連接。

（2）將油缸進(jìn)出口處手動(dòng)雙聯(lián)截止閥更改為自動(dòng)隔離閥，油缸進(jìn)出口處采用自動(dòng)隔離閥，其最大的作用是防止當(dāng)油缸進(jìn)出口處的軟管破裂導(dǎo)致舵機(jī)失效時(shí)，需要船舶駕駛員轉(zhuǎn)換到另外一套動(dòng)力及管路，自動(dòng)隔離閥會(huì)隨著駕駛員的轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，能迅速恢復(fù)舵機(jī)系統(tǒng)有效工作。

2.2 液壓泵的配置

2.2.1 問題描述

液壓舵機(jī)動(dòng)力設(shè)備采用一臺(tái)主機(jī)帶液壓泵和另一臺(tái)電機(jī)帶液壓泵，在船舶正常航行時(shí)，如果主機(jī)帶液壓泵發(fā)生故障而主發(fā)電機(jī)組卻沒有運(yùn)行發(fā)電，會(huì)造成無法啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵的情況出現(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)舵機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力喪失而舵機(jī)失效。

2.2.2 原因分析

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.5規(guī)定：舵機(jī)裝置動(dòng)力設(shè)備可采用由2臺(tái)主機(jī)分別驅(qū)動(dòng)液壓泵的形式，也可采用一臺(tái)液壓泵由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一臺(tái)液壓泵由獨(dú)立的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的形式。

廣西內(nèi)河液壓舵機(jī)動(dòng)力設(shè)備配置和操舵模式都是采用一臺(tái)由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，船舶正常航行時(shí)由主機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵向舵機(jī)液壓系統(tǒng)供油，駕駛員操作手輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行操舵。在船舶進(jìn)出港和離靠碼頭時(shí)，船舶啟動(dòng)主柴油發(fā)電機(jī)組向船舶電站供電，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵向舵機(jī)液壓系統(tǒng)供油，并且轉(zhuǎn)換手操/電操換向閥切換到電操模式操舵。但在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中為了節(jié)能，機(jī)艙設(shè)置的兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)組在船舶正常航行時(shí)并不運(yùn)行發(fā)電，船舶正常航行時(shí)照明和通信等用電由主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)供電。因主機(jī)帶的發(fā)電機(jī)其輸出電源并不符合技術(shù)要求，其原動(dòng)機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速變化幅度很大，輸出的頻率、電壓不滿足船檢規(guī)范對(duì)主電源的頻率要求，所以不能接入主配電板作為動(dòng)力設(shè)備電源供電。這種配置和營(yíng)運(yùn)方式給舵機(jī)系統(tǒng)帶來以下安全隱患：當(dāng)主機(jī)帶液壓泵發(fā)生故障時(shí)，因?yàn)橹鳈C(jī)軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的電不能接入主配電板供電給電動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致電機(jī)帶液壓泵無法啟動(dòng)供油，整個(gè)舵機(jī)液壓系統(tǒng)失去動(dòng)力而舵機(jī)失效。

2.2.3 解決對(duì)策

（1）主機(jī)帶發(fā)電機(jī)采用真正意義上的軸帶發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率經(jīng)過轉(zhuǎn)速或頻率的補(bǔ)償后可以滿足規(guī)范對(duì)主電源的頻率、電壓的要求，并且將軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的電并入船舶主配電板當(dāng)作主電源使用。當(dāng)主機(jī)帶液壓泵故障時(shí)，可以通過軸帶發(fā)電機(jī)供電及時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶液壓泵向液壓系統(tǒng)供油，防止舵機(jī)失效。

（2）兩臺(tái)主機(jī)各帶一臺(tái)舵機(jī)液壓泵，另外設(shè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵一臺(tái)，即增加一臺(tái)主機(jī)帶液壓泵，其中一臺(tái)主機(jī)帶液壓泵常用，動(dòng)力設(shè)備及管系閥件獨(dú)立設(shè)置，通過轉(zhuǎn)向器進(jìn)行手操操舵;另一臺(tái)液壓泵由另外一臺(tái)主機(jī)通過可控離合器驅(qū)動(dòng)作為備用，液壓泵的輸出管路與電動(dòng)機(jī)帶液壓泵匯合共用一套管路系統(tǒng)，采用電操操舵，船舶正常航行時(shí)備用主機(jī)帶液壓泵通過控制離合器脫排不工作。當(dāng)常用主機(jī)帶液壓泵發(fā)生故障時(shí)，離合器遙控合排啟動(dòng)備用主機(jī)帶液壓泵，采用電操方式進(jìn)行操舵。

綜上，目前對(duì)廣西內(nèi)河船舶來說，最可靠又節(jié)能的配置方式是主機(jī)軸帶一臺(tái)液壓泵和電機(jī)帶一臺(tái)液壓泵，同時(shí)要求主機(jī)的發(fā)電機(jī)必須具有轉(zhuǎn)速或頻率補(bǔ)償功能，發(fā)出的電滿足規(guī)范對(duì)主電源的要求，并作為主電源接入主配電板供電，在船舶設(shè)計(jì)時(shí)全船只需配置一臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組，這樣在成本上變化不大又可以保證船舶航行時(shí)的正常供電需要。

2.3 手操操舵與轉(zhuǎn)向器排量的匹配

2.3.1 問題描述

采用手動(dòng)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行手操操舵時(shí)因轉(zhuǎn)向器排量選擇不當(dāng)，導(dǎo)致在大流量時(shí)轉(zhuǎn)舵時(shí)間比電操慢而且背壓高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使油溫升高、潤(rùn)滑變差、噪音大，駕駛室環(huán)境差。

2.3.2 原因分析

廣西內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)通過手操/電操電磁換向閥進(jìn)行手操/電操切換。主機(jī)在低速工況運(yùn)行時(shí)，主機(jī)軸帶液壓油泵供油，因低速時(shí)液壓泵的供油量小，手操和電操兩種操舵方式其轉(zhuǎn)舵速度基本上無區(qū)別，但在主機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩種操舵方式的轉(zhuǎn)舵速度差別很大。電操操舵轉(zhuǎn)舵速度很快不便于駕駛員控制船舶轉(zhuǎn)向，手操操舵轉(zhuǎn)舵速度比較慢而且可以通過駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)操舵手輪的快慢來控制轉(zhuǎn)舵速度，比較符合駕駛員的操舵習(xí)慣，但是在手操時(shí)發(fā)現(xiàn)在不操舵時(shí)駕駛室壓力表顯示為2～3 MPa（背壓），在技術(shù)上任何情況下不操舵時(shí)背壓應(yīng)為0值，說明手操時(shí)液流流通不暢，造成液壓油泵供油壓力升高和內(nèi)泄漏加大，操舵速度明顯比電操慢，經(jīng)判斷是轉(zhuǎn)向器選型時(shí)排量不足造成的。在這種情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)使液壓油溫升高，造成潤(rùn)滑變差、噪音變大，駕駛環(huán)境不舒適，液壓油泵需要輸出更高的油壓，且不利于系統(tǒng)各部件的正常工作，還會(huì)減少壽命、增加故障率。

2.3.3 解決對(duì)策

在采用轉(zhuǎn)向器操舵時(shí)一定要在設(shè)計(jì)階段對(duì)轉(zhuǎn)向器的排量進(jìn)行校核，并在產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

針對(duì)這種情況，是否可以取消轉(zhuǎn)向器操舵，采用雙電操方式？在主機(jī)軸帶液壓泵的情況下，因?yàn)橹鳈C(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大，廣西內(nèi)河船舶營(yíng)運(yùn)時(shí)為了節(jié)能，通常讓主機(jī)在50%額定功率以下運(yùn)行，主機(jī)軸帶液壓泵皮帶輪的設(shè)計(jì)也是結(jié)合這個(gè)功率下的主機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一旦主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，液壓泵的供油量就特別大，接近電機(jī)帶液壓泵的供油量的一倍，這個(gè)時(shí)候如采用電操會(huì)非常快，駕駛員操舵不理想，很容易發(fā)生危險(xiǎn)，而這個(gè)時(shí)候采用轉(zhuǎn)向器操舵反而是一種較好的方式，它可以通過駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)操舵手輪快慢來控制轉(zhuǎn)舵速度。

2.4 安全閥的選型及流量校核

2.4.1 問題描述

安全閥因選型不當(dāng)、流量不足導(dǎo)致系統(tǒng)泄壓不暢，系統(tǒng)超壓引發(fā)安全隱患。

2.4.2 原因分析

《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2009）第2篇第9章第9.1.10.1規(guī)定：液壓系統(tǒng)中由于動(dòng)力源或外力作用可能產(chǎn)生過高壓力且能被隔斷的任何部位，均應(yīng)設(shè)置安全閥。安全閥的整定壓力應(yīng)不低于最大工作壓力的1.25倍，但應(yīng)不超過設(shè)計(jì)壓力。安全閥的最小排量應(yīng)不低于通過安全閥排放的泵的總?cè)萘康?10%，在此情況下，其壓力的升高應(yīng)不超過整定壓力的10%。

在船上進(jìn)行液壓舵機(jī)密性試驗(yàn)和有關(guān)閥件參數(shù)整定時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)小一個(gè)液壓泵排量作液壓系統(tǒng)高壓密性試驗(yàn)后，調(diào)整安全閥開啟壓力至整定值，再調(diào)整液壓泵排量至額定排量，安全閥泄壓壓力遠(yuǎn)高于整定值，壓力升高大于10%的整定壓力值且壓力表指針不穩(wěn)定，若雙泵供油則壓力升高更大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是個(gè)別舵機(jī)生產(chǎn)廠家在安全閥選型設(shè)計(jì)時(shí)沒有進(jìn)行流量校核，造成安全閥流通量與液壓泵的排量不匹配。如果安全閥選型不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)泄壓不暢而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，給整個(gè)管系和閥件帶來嚴(yán)重的安全隱患。

2.4.3 解決方案

針對(duì)以上情況，應(yīng)從這兩方面著手：

（1）要求舵機(jī)生產(chǎn)廠家在進(jìn)行液壓舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)安全閥的流量進(jìn)行校核，只有校核合格才能最終定型，否則應(yīng)重新進(jìn)行選型計(jì)算直到滿足要求為止。

（2）驗(yàn)船師在進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)和裝船檢驗(yàn)時(shí)注意核對(duì)安全閥的型號(hào)規(guī)格，并在試驗(yàn)時(shí)注意安全閥的壓力變化。

2.5 液控單向閥特性及負(fù)扭矩的影響

2.5.1 問題描述

部分舵機(jī)生產(chǎn)廠家為節(jié)約成本，僅采用雙向液控單向閥來防止跑舵，未考慮因內(nèi)河航道水流變化多樣產(chǎn)生的負(fù)扭矩影響，而導(dǎo)致舵機(jī)操舵時(shí)經(jīng)常發(fā)生停停走走現(xiàn)象，特別是在水流較急的水域更容易發(fā)生，影響船舶航行安全。

2.5.2 原因分析

負(fù)扭矩是由多種因素引起的，如船型、舵葉特性和水流沖擊等。水流沖擊在內(nèi)河水域是普遍存在的。當(dāng)水流沖擊與轉(zhuǎn)舵方向相同時(shí)，舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快，產(chǎn)生負(fù)扭矩現(xiàn)象。由于負(fù)扭矩的存在和液控單向閥具有不可能停留在中間某位置，不是開就是關(guān)的特性，舵機(jī)常常產(chǎn)生吞舵現(xiàn)象。其簡(jiǎn)單過程是：水流沖擊→同方向轉(zhuǎn)舵速度加快→油泵失壓→回油管路單向閥關(guān)→停舵的瞬間過程。以上過程反復(fù)循環(huán)，使得油缸柱塞/活塞停停走走、增加振動(dòng)和噪聲，長(zhǎng)期使用將使舵機(jī)系統(tǒng)遭到破壞，因此采用液控單向閥無法克服負(fù)扭矩的影響。

2.5.3 解決對(duì)策

針對(duì)以上問題，認(rèn)為內(nèi)河船舶液壓舵機(jī)為防止舵機(jī)出現(xiàn)跑舵并克服負(fù)扭矩，應(yīng)在每套操舵系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)舵機(jī)專用閥，并且將其作為標(biāo)準(zhǔn)配置，確保舵機(jī)的安全性，從而保障船舶航行安全。因?yàn)槎鏅C(jī)專用閥能很好地克服負(fù)扭矩現(xiàn)象，舵機(jī)專用閥是平衡閥的一種，由主閥和雙向安全閥兩部分組成，主閥起到換向、鎖舵和控制負(fù)扭矩的作用，雙向安全閥起壓力控制及旁通作用。

3 結(jié)語

液壓舵機(jī)的安全技術(shù)水平是保障船舶航行安全的關(guān)鍵，特別是對(duì)廣西內(nèi)河船舶而言，因?yàn)閺V西境內(nèi)航道窄、水流急，船閘和跨河橋梁多，船舶密度大，如果不能確保液壓舵機(jī)的安全性，很容易因舵機(jī)失效而造成船舶碰撞、擱淺和沉船事故發(fā)生，因此，舵機(jī)的安全性、穩(wěn)定性以及安裝和后期的維護(hù)保養(yǎng)都很關(guān)鍵，但前提是必須先保證舵機(jī)本身的設(shè)計(jì)制造達(dá)到船檢規(guī)范的安全技術(shù)要求，同時(shí)根據(jù)船舶航行航道的具體情況設(shè)計(jì)出符合使用要求的舵機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].2009.

收稿日期：2020-05-27