舵机液压锁定报警分析与测试研究

0 引言

轮机人员对船舶舵机液压锁定报警（Hydraulic Lock Alarm）的工作原理、报警原因和测试方法了解不多，舵机运行过程中出现该报警时，轮机人员往往无法快速分析和排除故障，因该报警导致船舶停航、搁浅或碰撞事故也时有发生。因此有必要对各种类型舵机液压锁定报警的基本原理进行分析，并对该报警的常见原因和测试方法进行简单介绍，以供相关人员参考和借鉴。

1 液压锁定报警定义和规范要求

舵机液压锁定是指因两套舵机系统中的液压油运动方向不一致，发生液压油堵塞或旁通，转舵机构不能完成操舵指令要求的动作，导致失去操舵能力的情况。根据CCS、DNV和LR的规定，多于一套的舵机系统（动力或控制）同时运行时，液压锁定报警应能够识别系统故障并在下列情况下动作：在泵控型液压舵机中，变量泵的偏心位置（即变量泵中斜盘的倾斜方向）不符合操舵指令的要求；在阀控型液压舵机中，全流量三通阀处于不正确的位置。发生液压锁定时，驾驶台应有声光报警来指示该故障。^[1]

DNV规范中还明确规定：当有超过一套的舵机系统布置在舵机室，且可以被同时操作时，则需考虑由单一故障引起液压锁定故障的风险。液压锁定包含2套舵机系统（一般是完全相同的系统）发生彼此动作不一致现象而导致失去操舵能力故障的所有情形。如2套舵机系统中的液压油相互冲击而引起的液压锁定故障，或是由于液压油旁通而导致的管路的油压下降，或者液压油的油压完全不能建立从而导致的无法转舵。

《钢质海船入级规范2018》第三篇中第13章“操舵装置与锚机装置”规定：

13.1.7.7液压阻塞：如操舵装置的布置多于一个系统（动力系统或控制系统），并能同时进行操作时，则应考虑由于单项故障而引起液压阻塞的危险性。

13.1.9.5液压阻塞报警：由单一故障引起的液压阻塞，可能会引起操舵失灵时，在驾驶室内应设置声光报警。在下列情况下，此报警应动作：（1）变量泵控制系统的位置与所给操舵指令不一致；或（2）在定量泵系统中的全流量三通阀位置不正确。

2 舵机液压锁定报警原理分析

2.1 Rolls-Royce舵机液压锁定报警分析

Rolls-Royce舵机液压锁定报警检测方法是在操纵阀的每一端安装一个接近传感器，以检测阀芯是向左还是向右。双泵单元中的每一台泵单元均安装这种传感器。转舵指令信号由控制系统产生。如果无转舵指令并且操纵阀阀芯锁定在外部位置，则在大约5 s后，将在驾驶台和控制室出现液压锁定报警；或者如果一台舵机油泵处于遥控运行模式，驾驶台给出转舵指令时接近开关检测到操纵阀被锁定，将在驾驶台和控制室出现液压锁定报警。

                 

                                                                             

图1 Rolls-Royce舵机液压锁报警原理图    

Rolls-Royce舵机液压锁定报警原理如图1所示，接近传感器安装在操纵阀的两侧，检测阀芯的运动方向，如果阀芯靠近接近传感器，则其触点闭合，反之触点断开。光电耦合器安装在控制系统内部，接收指令舵角信号，有舵角指令时，则其触点闭合，反之触点断开。Rolls-Royce舵机液压锁定报警有两种设计方式，一种是有转舵指令时，触点K02或K03中有一个闭合就会输出报警，这种设计通常用于阀控舵机；另一种是无转舵指令时，触点K02或K03中有一个断开则输出报警，这种设计通常用于泵控舵机。

       

图2 Rolls Royce泵控舵机液压锁定报警设计    

Rolls-Royce泵控舵机液压锁定报警设计如图2所示，变频电机驱动变向油泵，实现改变转舵方向和速度。驾驶台发出左舵指令后，电磁阀有电，油泵左吸右排，液压油经右侧单向阀和插装阀进入转叶油缸，向左舵方向转舵，油缸的回油经负荷感应阀进入滤油器，然后推开安装液压锁定传感器的单向阀回到油泵左侧吸口。该报警设计为无转舵指令时有一个接近开关触点断开时输出液压锁定报警。图中液压锁定接近传感器安装在左侧的两个单向阀附近，作用是检测单向阀的阀芯位置。根据图2中的液压系统，在转左舵之前，如果安装传感器的单向阀处于开启位置，这时液压油将经过两个安装传感器的单向阀直接回到油泵吸口，导致形成闭式回路而无法转舵，这种情况下应该输出液压锁定报警。在无转舵指令时，如果安装传感器的两个单向阀均处于关闭位置，接近传感器触点闭合，继电器K02和K03均有电，其触点均闭合，不输出液压锁定报警；如果某个单向阀处于开启位置，其触点断开，继电器K02或K03中某个失电，触点K02和K03中将有一个断开，这时将会输出液压锁定报警。因为在正常转舵时，安装传感器的单向阀将有一个处于开启状态，为了防止输出液压锁定报警，接近传感器位置采用交叉安装，即左舵接近传感器安装在转右舵的单向阀上，右舵接近传感器安装在转左舵的单向阀上。如果控制系统收到左舵指令，则左舵光电耦合器触点闭合，但是因为转左舵单向阀上安装的是右舵接近传感器，该阀处于关闭位置，继电器K03有电，触点K03闭合，因此不会输出液压锁定报警。

Rolls-Royce阀控舵机液压锁定报警设计如图3所示，无舵角指令时，先导换向阀处于中位，油泵排油经节流孔、先导换向阀P口和T口和滤油器回到油箱，溢流阀外控口通油箱，溢流阀开启，油泵处于卸荷状态，先导换向阀A、B口也和T口相通，主换向阀阀芯在复位弹簧作用下处于中位。如果控制系统收到左舵指令，则电磁铁Y1有电，先导阀左位通，P口油液经A口到达主换向阀左侧，将主阀芯推向右侧，主阀左位通，主阀芯右侧油液经先导阀B、T口会油箱，溢流阀因其外控口不再通T口而关闭，油泵处于加载状态，其排油经主阀P、A口至转舵油缸，推动舵叶向左舵方向转动。此时，主阀芯处于右侧，安装在右侧的左舵接近传感器触点闭合，图1中继电器K02有电，其触点K02闭合。因为无右舵指令，右舵光电耦合器触点断开，安装在主阀左侧的右舵接近传感器触点断开，继电器K03失电，其触点K03断开，不会输出液压锁定报警。如果收到左舵指令时，主阀阀芯处于左侧，则左侧的右舵接近传感器触点闭合，继电器K03有电，其触点K03闭合，同时左舵光电耦合器触点闭合，此时就会输出液压锁定报警。

                       

                                                                             

图3 Rolls Royce阀控舵机液压锁定报警设计 

                                     

                                                            

图4 KAWASAKI舵机液压锁定报警设计    

2.2 KAWASAKI舵机液压锁定报警分析

如图4所示，接收转舵指令后，控制系统将舵角指令信号和实际舵角反馈信号之间的偏差值送到力矩马达，力矩马达驱动伺服滑阀，伺服油缸驱动主泵变量机构，主泵输出指令所需的排向和排量。如果偏差信号使力矩马达驱动伺服滑阀阀芯右移，则辅泵的控制油进入伺服活塞左腔，右腔通油箱，伺服活塞右移，同时反馈杆带动伺服阀套也右移，并最终使阀芯回到中位。此时，伺服活塞停止在一定位置，主泵的变量机构按所需的排向和排量向转舵油缸输送压力油。转舵油缸将舵叶向要求的舵角转动，同时实际舵角的反馈信号送回控制器。当实际舵角接近指令舵角时，即偏差信号较小时，力矩马达不足以克服伺服阀芯的弹簧力，阀芯在弹簧力的作用下左移，辅泵的控制油进入伺服油缸左右两腔，伺服活塞向左移动，同时带动阀套左移，使阀芯回中。此时，主泵的变量机构已将泵的排量减至最小，同时舵角的偏差信号也已为零，转舵停止，主油路锁闭。

当力矩马达动作与舵角信号和实际舵角之间的偏差信号不一致时,控制系统便会输出力矩马达故障报警。因为变量泵的排向和排量由斜盘倾斜方向和角度控制，斜盘倾斜方向和角度由伺服滑阀控制，而伺服阀由力矩马达控制，通过检测力矩马达动作可以判断变量泵的斜盘倾斜方向是否正常。因此，某些船级社认为力矩马达故障报警可替代液压锁定报警。KAWASAKI FE-21泵控型电液舵机就是以力矩马达故障报警来代替舵机液压锁定报警^[2]。

KAWASAKI RV-21-063-H阀控型舵机采用与其他阀控型舵机类似的液压锁定报警设计，即电液换向阀不能够按照操舵指令正确动作时输出液压锁定报警。该报警检测装置由阀芯位置传感器、液压锁探测器、报警面板、电源模块组成。每个电液换向阀装有两个阀芯位置传感器（左舵传感器和右舵传感器）。左舵时，阀芯移到右侧，左舵传感器触点断开，右舵传感器触点闭合；右舵时，阀芯移到左侧，右舵传感器触点断开，左舵传感器触点闭合。液压锁定探测器将舵机指令信号与阀芯位置传感器反馈信号进行比较，如果阀芯没有按照操舵指令信号正确动作，就会发出液压锁定报警信号。左舵时，阀芯应该移动到右侧，如果阀芯位于中位或左侧，就会发出液压锁定报警。

2.3 KGW舵机液压锁定报警分析

KGW舵机实现液压锁定报警是通过比例电磁阀的电流和主管路上的压力开关的相互作用。如图5所示，比例电磁阀的电磁铁电流信号和舵角指令信号成比例，即有舵角指令时，电磁铁1Y1或1Y2有电流，比例电磁阀工作在左位或右位，阀芯的位移和电流成比例，无舵角指令时，1Y1和1Y2均失电，比例电磁阀处于中位。压力开关DS1A和DS1B设定为在压力上升至36bar时触点闭合，压力下降至30 bar时触点断开。控制系统接收左舵指令时，电磁铁1Y1得电，油泵变量机构产生与1Y1电流成比例的流量输出，液压油经压力开关DS1A所在的主管路和A口至转舵油缸，转舵油缸的回油经B口和DS1B所在的主管路H回到油泵的吸口。正常转左舵时，DS1A的触点闭合，DS1A的触点断开，表明对应管路的压力正常，控制系统不输出液压锁定报警信号。无转舵指令时，电磁铁1Y1和1Y2均无电流流过，比例电磁阀处于中位，油泵变量机构回到零位，此时主管路的均应低于30 bar，压力开关DS1A和DS1B均断开，控制系统不输出液压锁定报警信号；如果主管路有一侧压力达到36 bar，控制系统就会输出液压锁定报警信号，既在无转舵指令时，如果主管路压力上升至36bar，控制系统输出液压锁定报警。为了消除主管路压力波动引起的误报警，液压锁定报警的设定延时8 s。

                         

                                                      

图5 KGW泵控舵机液压锁定报警设计    

2.4 HATLAPA舵机液压锁定报警分析

如图6所示，指令舵角信号（0～5 V）使舵机变量变向油泵产生对应的排向和排量输出，油泵排向和排量大小取决于舵角信号。给出指令舵角信号后，油泵的电液比例阀就会根据指令舵角信号使油泵变量机构产生对应方向的机械位移，油泵上的液压传感器检测油泵变量机构的机械位移和动作方向，并产生与指令舵角对应的输出信号（0～5 V）。控制系统比较指令舵角信号和液压锁传感器的输出信号，如果二者之间的偏差超过设定值，说明变量变向油泵产生的排向和排量输出和指令舵角信号所需不一致，就会激活液压锁定报警。

                 

                                                                                 

图6 HATLAPA泵控舵机液压锁定报警设计   

3 舵机液压锁定报警测试方法

轮机人员应该在开航前或定期进行液压锁定报警功能试验，具体操作应该参考舵机说明书。因篇幅限制，本文仅介绍两种舵机该报警的测试方法。

3.1 ROLLS-ROYCE舵机测试方法

对于图2中的ROLLS-ROYCE泵控变频舵机，首先驾驶台选择OVERRIDE模式，然后将接线端子块X8:1拆卸下来（断开接近传感器的电源），或者直接拆下一个接近传感器的接线，延时5 s后，正常将会出现液压锁定报警。

对于图3中的ROLLS-ROYCE阀控舵机，在驾驶台选择OVERRIDE模式，将电机控制器转到遥控位置，启动两台舵机油泵，手动按压左舵或右舵电磁阀的阀芯约5 s，正常应将会出现液压锁定报警。

3.2 KAWASAKI舵机测试方法

对于KAWASAKI阀控型舵机，方法一：起动1台或2台泵组，舵机控制置于遥控方式；驾驶台操舵模式选择NON-FOLLOW UP，并将NF操作手柄置于中位，最后手动按压舵机间电磁换向阀的阀芯持续约5 s左右，正常情况应将会出现液压锁定报警。方法二：舵机运行时，将液压锁定报警的时间继电器的计时时间调小（可以调至0 s），然后给出对应方向的转舵指令后即可激活液压锁定报警。

4 舵机液压锁定报警原因

舵机说明书中通常会列举液压锁定报警的原因，具体的情况因报警的实现方式而有所不同。液压锁定报警常见原因包括：(1)力矩马达故障；(2)油泵变量机构故障；(3)压力开关故障；(4)位置传感器故障或接触不良；(5)位置传感器安装不当或与换向阀连接件松动；(6)电磁换向阀线圈接触不良或者烧坏；(7)先导换向阀或主换向阀阀芯卡阻；(8)单向阀卡阻（仅对ROLLS-ROYCE泵控变频舵机）；(9)电动机或油泵故障；(10)液压锁报警控制电路中线圈或接触器故障。

5 结束语

舵机液压锁定报警是一项综合报警，多种原因均可导致该报警发生，经常导致严重后果。管理人员应该熟知该报警的设计原理和测试方法，定期对该报警进行维护和测试。出现液压锁定报警时，应该首先确认问题出在液压系统还是控制电路，然后再逐步进行排查。如果采用NFU模式无法正常转舵，说明问题出在液压系统；如果采用NFU模式可以正常转舵，而采用FU模式时出现报警，说明液压系统正常，问题应该出在控制电路。