导读
舵机是保持或改变船舶航向、保证安全航行的重要设备，一旦失灵，船舶即失去控制，甚至发生事故。
因此，根据 SOLAS 公约的规定，对于从事国际航行的大于 500 总吨的货船或仅从事非国际沿海航行的大于 1600 总吨的货船的舵机，我国《钢质海船入级规范》提出明确的要求，即舵机必须具有足够大的转舵扭矩和转舵速度，并且在某部分发生故障时能迅速采取替代措施，以确保操舵能力。
笔者所在船舶的舵机为典型的 YOOWON 四油缸拔叉舵机，型号为 YDFT-125-2，
2 台主液压泵为变量变向轴向柱塞泵。
1#主液压泵与 1 台变级(4P /8P) 电机( 转速为 1779 /890 r /min) 相连，1#舵机由应急配电板供电，保证在船舶失电时有 1 台舵机能马上投入运行。
2#主液压泵与 1 台 4P 电机( 转速为1779 r /min) 相连，2#舵机由主配电板供电。
舵机的基本性能参数:
最大工作压力时扭矩为1157 kN·m，最大工作压力为 19.7 MPa，1 台泵时舵速为( 65° /28 s) ，最大舵角为 35°，限位舵角为37.5°，理论排量为148L /min。
Digital Autopilot 为某公司的 PT500D-J-Y2 型，操舵模式有导航模式、自动模式、手操舵模式和 NF 模式等 4 种。
一、 故障现象
在检修完 2#舵机的伺服控制杆转动轴漏油现象，并由驾驶台操舵测试一切正常后，转至 1#舵机由驾驶台操舵。
当驾驶台由右舵转向左舵时，舵机出现吞舵( 即舵转动频繁停顿) 现象，使得舵转动出现异响，同时舵机油缸出现上下窜动的现象，不仅影响正常操舵，而且加剧油缸销轴承磨损。
二、故障分析
1、舵机液压回路分析
舵机液压回路系统见图1。
图 1 舵机的液压回路系统
（1) 主液压泵为变量变向轴向柱塞泵的 4 个油缸提供油压，使舵柱产生旋转扭矩。
(2) 副油泵为控制油路提供油压来动作Transfer valve，为轴向柱塞泵的变量和变向提供油压。
(3) Transfer valve 两位四通阀为主油路进行通路和锁闭，使得舵能够左右旋转或者保持在需要的舵角而不会跑舵。
(4) 旁通阀为主泵和副泵的启动做准备，使泵能够在较低负荷下启动。
(5) 安全阀对主油路起到保护作用，当主油路出现高压时进行卸荷。
(6) 液控溢流阀设定副油路压力为 1.30～1.55 MPa。
(7) 为防止主泵出现吸口油流量不足，可通过溢流阀进行增压作用，设定压力为 0.2 ～ 0.5 MPa。
(8) 阀 A，B，C，D，E，F 为隔离阀，当 1 台液压泵或者 1 组油缸出现故障时，可以进行隔离操作。
(9) 伺服控制作用为控制轴向柱塞泵的斜盘进行变量变向的控制，伺服控制原理见图 2，伺服控制杆限位装置实物见图 3。
图 2 伺服控制原理
图 3 伺服控制杆限位装置
电机控制单元由 Autopilot 输出信号或者手动操作伺服操作杆控制伺服阀，通过改变控制油路控制伺服活塞的左右，从而改变轴向柱塞泵的斜盘，使轴向柱塞泵的流量和方向改变。
在伺服操作杆上有左右指针，当指针在 20°位置时，斜盘为 15.5°，此时为最大角度，轴向柱塞泵负荷最大。
伺服操作杆左右有 2 个限位角度为 22°的限位螺栓进行限位，其比操作杆最大指示角度大 2°。
2、舵机电路回路分析
(1) 舵机的电路回路系统见图4～6。
图 4 基本电路回路
图 5 伺服放大集成电路板原理
图 6 伺服电机控制放大集成电路板原理
其基本回路见图 4，当驾驶台的控制台在导航模式、自动模式和手操舵模式下时，由控制台给出 1 个舵角指令 θ，此指令转化为 ± 1 mA /( °) 的电流信号，经过伺服放大集 成 电 路 板，由 控 制 台 给 出 ± 1 mA /( °) + :Starboard / － － : Port 的电流信号，经过电压跟随器转化为 ± 1 V /( °) + : Starboard / － : Port 的电压信号。
另 1 路有舵角反馈装置即 μ-Transmitter 通过电位器转化为电压信号，经过反相比例放大器和 μ-Span ( 宽 度 调 节) ，输 出 ± 1 V /( °) + : Port / － :Starboard。
2 路经过反相求和放大器、绝对值回路，输出 θ-μ( － 1 V /( °) ) 。此电路为典型的带负反馈闭环控制。
θ-μ(－1 V /( °) ) 的输出信号再经过伺服电机控制放大集成电路板( 各种放大电路、逻辑电路、电压控制振荡电路、正余弦发生器、三角波发生器、脉冲宽度调节器、电流驱动器以及伺服电机内部的反馈回路等) 的处理，最后作用于伺服电机，使其产生扭矩，克服伺服控制杆的阻扭矩( 说明书上显示伺服电机从 0～20°，扭矩为 2.94～3.92 N·cm) 。
在导航模式、自动舵模式、手操舵模式下，伺服电机的线圈电压经过复杂的处理过程，输出不同的电压，控制伺服电机产生不同扭矩，克服伺服控制杆的阻扭矩，使得伺服控制杆产生不同的角度，从而控制轴向柱塞泵的负荷。
此 3 种模式的控制与 NF 模式有所不同。
(2) 舵机 NF 模式的电路回路系统见图 4 和 6。
当船舶的自动舵出现故障无法使用时，驾驶台的系统选择开关选择 NF 模式。
NF 常开触点闭合，N 线圈通电，N 动触点上位通，切断来自自动舵的电压信号。
当 NF 操作手柄转至 P 时，P 线圈通电，左线圈的 2 个常开触点闭合，电机控制的 A /B 2 组线圈得电( 由变压器的副边提供 38 ～ 46 V 电压) ，输出最大扭矩带动伺服控制杆向左移动到最大角度(20°) ，使舵向左偏转。当需要回中或者右舵时，NF操作手柄转至 S，S 线圈通电，S 线圈的 2 个常开触点闭合，电机控制的 A /B 2 组线圈得电，产生扭矩带动伺服控制向右移动，使舵向右偏转。
在此回路中还有 μ-Transmitter 反馈回路中的限位开关( 即图中的 μLS 和 μLP 线圈) 作为保护，以防止舵机超过最大舵角 37.5°。
(3) 伺服电机的电路回路见图 4 和 6。
此电机为典型的两相异步交流伺服电机，与单相异步交流伺服电机的区别在于后者启动时需要启动电容，否则自行无法启动，当运转后将电容切除可自动运转;
而前者的 2 个线圈空间上相差 90°，同时两相有相位差，能产生旋转磁场，故能够自行启动。
由伺服电机内部的电路回路可知，当伺服电机进行 NF 模式操舵时，在进行左舵或者右舵过程中，端子 12 /13 通电( 100 V) 经过二极管整流变成直流，为光电开关和 NFL 线圈的导通提供直流电压。
光电开关的通断由 POT 点位器上的金属挡板控制，当电机转过的角度即伺服控制杆的角度为 20°时，光电开关被遮蔽断开，NFL 的动触点下位通，切断电机 A /B 线圈的交流电源。
此时，A 线圈由二极管整流直流电源供电，使电机保持在伺服控制杆最大角度 20°( 即轴向柱塞泵的最大负荷) ，直到 NF 操作手柄松开后自动复位到中位，A /B 线圈无任何电源供电，伺服操作杆在伺服阀内部弹簧力作用下回中，使得舵角保持在当前状态。
同理，当需要右舵时，操作 NF 操作手柄向 S 方向，使舵右转，与上述往左类似。
在 NF 模式中操作手柄回中但舵不回中，而是需要向右调节回中，与手操舵模式不同。
当手动舵回中后舵能够自动回中，这与实际操作相同，即在电路原理上说明此现象。
伺服电机的 POT 电位器，主要是将电机的角度信号反馈给伺服电机控制放大集成电路，在 NF 模式下并无作用，其内部结构见图 7。
图 7 伺服电机内部结构实物图
三、故障排除过程
(1) 在故障出现时，首先确认液压系统是否有故障，将舵机改为应急舵手操舵，手动操作伺服控制操作杆进行左舵右舵测试，故障现象消除，可排除液压故障。
(2) 由于在自动舵操舵时发现故障，将操作模式改为NF模式进行测试，故障现象未消除，故可排除集成电路板的控制回路故障。
在此模式下，电机A /B 2 组线圈通电只经过变压器 N1，μLS 和 μLP，N3，DT1，NFL 等动触点，起初怀疑是某线圈损坏导致接触不良，伺服电机的线圈频繁通断电。
一一排除后故障现象未消除，因此排除线圈故障。
(3) 在伺服电机内部 2 组线圈分别并联 1 个标有 ＲU 标志的压敏电阻。
此电阻电气特性为:
当电压高于压敏电阻的阈值电压时，压敏电阻呈现低内阻状态，相当于短路; 当电压低于阈值电压时，压敏电阻呈现高内阻状态，相当于开路状态。
起初怀疑压敏电阻故障导致 2 组线圈频繁通断，将 2#舵机的压敏电阻换到 1#舵机后，测试故障没有消除，排除压敏电阻故障。
(4) 反复测试，发现当伺服电机带动伺服操作杆向左移动时，碰到操作杆限位螺栓，操作杆迅速回到中位即舵机停止，这种运动频繁发生。
将限位螺栓退出1～2 mm 进行测试，故障现象消除。
四、结 论
(1) 在 NF 模式的无反馈回路作用下进行左舵右舵时，线圈通电后电机旋转同时带动电机内部的POT 电位器和外部的伺服操作杆左右偏转。
如果电机内部的旋转角度达到光电开关断开角度即伺服操作杆最大角度 20°，NFL 线圈失电，NFL 动触点下位通，导致 A 组线圈由通过整流后的直流通电，使得电机保持不动状态( 锁闭) ;
如果电机外部角度限位小于光电开关的断开角度即伺服操作杆最大角度20°，NFL 仍上位通，电机 A /B 线圈仍由两相交流通电。
由于带动伺服操作杆已经限位，电机扭矩迅速增大，线圈电流增大，导致并联在线圈两端的压敏电阻压力迅速增大。
当电压大于压敏电阻的阈值电压时，压敏电阻相当于将 2 个线圈短路，伺服阀在内部弹簧的作用下拉动伺服控制杆回中。
如果作用在电机上的扭矩消失，线圈电流迅速减少，压敏电阻两端的电压低于阈值电压，相当于开路，线圈重新得电，A /B 线圈重新得电带动伺服控制杆向左移动，从而出现在左舵过程中的停顿现象。
其他 3 种模式有较大的输出信号作用时，也会出现上述偶尔操舵停顿的现象。
(2) 将手动模拟驾驶台舵角指令信号电位器的SW1 放至 Test 位置，可用于判断驾驶台的控制台是否有故障，测试完成后要放至 Normal 位置，否则会出现驾驶台无法操舵现象。
(3) 通过上述可知准确调节限位螺栓的最小角度值的方法，即在手操舵的前提下分别左右操舵，使伺服控制杆处于最大角度( 20°)。
此时可以定位限位螺栓的最小角度，且不得低于此角度，否则会出现上述频繁停顿现象，或可在此基础上增大限位螺栓的角度。
(4) 此次故障排除过程遵循先机械后电路的原则，由易到难。
特别注意说明书或者设备中标明“Caution”等字样的标语。
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