一例船用舵机的冲舵故障解析

舵机是船舶保持和改变航线的关键性设备，保持舵机的正常运行对船舶的安全航行非常重要。轮机管理人员不但要熟知舵机的工作原理，还要做好舵机的日常维护保养，以便能迅速排查舵机故障。舵机系统故障有很多，例如“冲舵”，即舵叶转到设定舵角不停止，继续转舵的现象就是操舵过程中的一种常见故障。

1 故障现象

Z轮某航次离港前试验舵机时，发现No.2舵机有“冲舵”现象:单独试验No.2舵机时，操右舵10°，舵角到右舵10°不停，继续转动至25°才停住;操右舵20°时，会一直转到最大舵角35°才停;左冲舵角比右冲舵角小，但也要冲过10°左右，且都不能自动回到设定舵角。

单独使用No.1舵机操舵时，转舵正常;No.1和No.2并行时也有“冲舵”，但是相对单独运行No.2舵机，“冲舵”角度小一些。2套遥控伺服系统相互更换进行试验，结果一样。

2 原理和故障分析

该轮采用的是川崎FE21-400型舵机，最大扭矩(Max Torque) 3 920 k N·m，安全阀设定压力(Safety Valve Set Pressure) 29.4 MPa，最大工作压力(Max Working Pressure) 23.5 MPa，使用液压油牌号HYSPIN AWH-68，配备LV-090型斜轴式轴向变量柱塞泵，工作时泵的偏角为23.2°，由武汉船用机械有限责任公司生产。该舵机液压系统原理图见图1，属于FM泵控型舵机液压系统，遥控系统为伺服油缸式舵机遥控系统。

图1 川崎FM21型舵机液压系统原理图  

该舵机液压系统由电气遥控和液压伺服这2部分组成。电气遥控将驾驶台发出的操舵信号传递到舵机室，液压伺服将信号转换成伺服油缸活塞杆的位移，然后在通过浮动杆式追随机构控制主油泵的变量机构，以实现远距离操舵。

主油路部分:2台变向变量主泵P1、P2和各自的集成阀块一起，分别与转舵油缸C1、C2和C3、C4组成2组工作对(即C1、C2一个缸进油，则另一个缸排油，可以实现转舵;C3、C4也如此)。2个集成阀块中共有4个连通阀V1、V2、V3、V4，通常都常开，使转舵油缸C1、C3和C2、C4各成一组(即C1、C3缸同时进油或同时排油，C2、C4也如此)分别于主泵的2条油路相通。正常航行时，用1台主泵向2组油缸(共4缸)供油转舵，其流量即能满足在28 s内将舵由任一舷35°转至另一舷30°的要求，并能达到额定转舵扭矩。进出港或窄水道航行时可双泵并联工作，扭矩不变，转舵速度可加快1倍。

伺服油路部分:2套独立的阀控型开式液压伺服系统互为备用，2台伺服油泵通过电磁换向阀均向伺服油缸供油，伺服油泵为恒压式变量泵。伺服油缸活塞位移时，与活塞杆相连的反馈发讯器输出反馈信号，当活塞移动到与指令舵角相应的位置时，Y型三位四通换向阀回中，锁闭阀还能隔离备用的伺服油路，又不影响彼此快速切换。溢流阀在伺服油泵出口做安全阀用，平时处于常闭状态。储存弹簧在两主泵的控制杆上各设1个。这种创新设计的优点是:如果某台主泵变量机构卡阻，在换另1台主泵后，浮动杆仍能正常工作。如果需要应急操舵或舵机调试，则可在手动操纵插销孔处插入插销，用手轮直接控制浮动杆来调整舵角。这时，双向溢流阀的作用是使伺服油缸两侧沟通，而不至于妨碍手动操纵。

导致冲舵的根本原因:转到指令舵角时，主油路不能及时有效闭锁。本船舵机的主油路油路锁闭阀(Oil Block Valve)是一对靠主泵油压启阀的带卸荷阀的双联液控单向阀，即液压锁。该阀在2种情况下能将主泵出口油路锁闭:(1)舵转到指令舵角，主泵停止供油时，两侧单向阀在弹簧作用下自动关闭，防止舵压力使转舵油缸内的油液经主泵泄漏而不能稳舵;(2)锁闭备用泵油路，防止倒流而影响转舵。因此主泵的流量不为零时，闭锁阀不起作用的原因有:变量泵机构不能及时或不能回中、遥控伺服油缸的换向阀不能回中或遥控伺服油路闭锁不严等。可以从以下2个方面着手查找故障点:(1)舵机的控制与反馈系统故障，例如舵机主油路油泵变量杆、伺服油路的控制阀件或者遥控系统等。(2)设备安装及使用过程中造成的误差导致的“冲舵”故障也应该考虑。根据故障现象判定No.1舵机系统正常，故障点出在No.2舵机。接下来详细介绍排查故障原因的过程。

3 故障排查

首先检查舵机遥控系统，该系统由伺服油泵、反馈机构和自动舵组成，共有No.1和No.2这2个独立的控制系统，直接将2个遥控系统部分调换试验，No.1舵机运行正常，No.2舵机故障依旧存在。排除了舵机遥控系统出现问题的可能性。

然后将操舵方式转至舵机房进行手动操作舵机试验，No.1舵机运行正常，但是手动操作No.2舵机时，转动手轮时比较费力，舵叶动作明显迟缓，而且相同手轮转数内，No.1和No.2舵机转动角度明显不同，说明No.2舵机机旁操舵不正常。对系统进行换油，清洗系统滤器并更换密封件装复，液压系统除气后，再次进行操舵试验，故障依旧存在。

接着对No.2舵机蓄能弹簧传动杆进行调节:松开锁紧片将传动杆调短3 mm，进行操舵试验，冲舵现象加剧;将No.1和No.2蓄能器整体拆下，相互调换后装复，试舵故障依旧，基本排除了蓄能弹簧装置的问题。

对No.2舵机主油路阀块、伺服油路电磁换向阀进行拆检，未发现明显异常。进一步将No.1&No.2主阀块、电磁换向阀整体进行调换安装，进行操舵试验，冲舵故障无任何改善。排除了主阀块和电磁换向阀的原因。

最后检查No.2舵机主油泵，打开油柜上端盖，放掉一部分液压油以后，可以看到油泵变量杆和油泵的连接件是一个类似拨叉的偏心杆，拉动油泵变量。检查偏心杆的传动连接正常，进一步检查发现油泵在正舵位置时不回零位。图2为正舵时主油泵变量机构没有回零位，图3所示为正常位置，此刻油泵排量为零。如果舵叶转到设定舵角时，主泵的变量机构不回零，则油泵还有排油，那么就会导致一系列故障(包括冲舵)。

图2 变量机构未回零位

图3 零位正常状态

根据冲舵速度较快及主油泵运行工况判断，问题很有可能出现在主油泵的控制机构上，其主要组成包括伺服油泵、舵机油泵变量杆和蓄能弹簧。再次通过蓄能器连接杆调节双向螺纹的螺栓，将油泵强行调至中位，加油操舵试验，冲舵更加严重:操右舵10°时，直接冲到右满舵直至极限舵角的限位器起作用。检查油柜内部的变量杆链接及卡块传动正常，检查位于油箱外部的L形传动杆(见图4，一侧连接伺服油缸活塞，另一侧连接主油泵变量机构)，发现该舵机L形传动杆中间传动销轴卡阻明显，直接导致舵机油泵变量机构不能及时回中停油，也使得主油路闭锁失效，这才是导致No.2舵机冲舵故障的根本原因。

图4 L形传动杆

4 故障解决

该传动轴结构:销孔的外部有1个铜套，单头传动销穿过铜套紧配合，传动销上下都有垫片，传动销上部有2个螺帽锁紧，设计上无牛油嘴或注油孔，长期干磨造成传动销根部已有偏磨迹象，销与销孔形成偏心，造成卡阻。问题的根源找到后解决问题的方法也迎刃而解:首先在传动销处加温，用锤子从L形传动杆下部向上敲击传动销，清除锈迹和集尘，并在铜套周围添加机油或润滑脂进行润滑(见图5)，使之活络。再次启动No.2舵机大舵角操纵试验，反复多次进行单舵操作试验，从一舷35°到另一舷30°，转舵时间25.2 s，到位即停，且基本无偏差。符合海船舵机使用要求。至此，No.2舵机“冲舵”故障完全排除。

图5 加油活络传动机构

5 经验总结

舵机“冲舵”故障，存在较大的连锁危险隐患。幸运的是，Z轮在靠港期间试验舵机及时发现故障，如果如此大角度的“冲舵”发生在船舶机动航行期间，后果将不堪设想。此次故障也造成了船舶离港计划推迟，船期延误。

分析本次舵机故障的原因，可以总结出如下经验教训:

(1)此类型舵机L形传动杆存在设计缺陷，活动链接部分缺少牛油嘴，无法常规注油润滑保养;

(2)关键性传动部件安装工艺不佳，传动销和铜套配合偏紧，使用中偏磨导致卡阻;

(3)主管人员对该型舵机控制机构的细节不熟悉，对机械传动关键部位的检查和保养存在疏漏;

(4)岸基对船舶缺乏针对性监管和跟踪管理。

综上所述:此类型舵机在设计上有必要进行有针对性的、细微的改进;设备安装上也要注意细节，尤其要考虑机械传动部件的缺油偏磨造成卡阻;船舶主管人员更要熟悉关键设备的维护保养要求，尤其不能忽视细节;岸基管理人员除加强岗前培训和技术指导外，还须对重要的机电设备维护保养加强监控，并通过案例学习，举一反三、防微杜渐。

参考文献：

[1]孔建华,安连彤,余培文.一例船用舵机的冲舵故障解析[J].航海技术,2021(04):16-18.

作者简介：

孔建华，轮机长，广东海洋大学

安连彤，余培文，广东海洋大学