主动式可收放减摇鳍单边鳍角故障分析与排除

马法剑

北海救助局，山东威海 264000

1 减摇鳍设备概述

1）随着船舶技术的发展，人们对船舶航行安全性和舒适性有了更高的要求，近年来船舶减摇设备大量应用于各种船舶，尤其是客船、公务船、科学考察船、专业救助船减摇鳍使用非常普及。本文重点介绍一种大型主动式可收放减摇鳍装置。

2）减摇鳍工作原理

船在风浪中航行时，受风和波浪力的作用，船会产生横摇、纵摇、升沉等各种运动，其中横摇最为剧烈，减摇鳍装置就是用来减小船的横摇角。减摇鳍装置中的鳍类似鱼的侧鳍一样工作减小横摇。鳍成对地安装在船的“腹部”两侧，船在风浪中航行时，减摇鳍装置中横摇角信号传感器（一般为角速度陀螺），检测出船舶横摇角速度信号，该信号为电信号，经一系列的处理、放大、电液转换、驱动鳍转一个相应的角度，鳍在水流作用下产生“升力”，两个鳍的转角大小基本相等，方向相反，形成一个与波浪力矩方向相反的力矩（稳定力矩）（图1）从而使船的横摇角减小。

图1

2 BHJxxx轮可收放式减摇鳍介绍

2.1 设备基本参数

1）一对带襟翼的收放式鳍，鳍轴中心置于#46.5肋骨平面处；

2）鳍型：NACA-0027-0015；

3）鳍面积：6.99m2；

4）鳍展长：3740mm；

5）鳍弦长：1870mm；

6）鳍工作转角：在【-20°, +20°】之间；

7）鳍电气保护角：±22°；

8）鳍机械限位角：±24°；

9）功率：75kW。

2.2 性能参数

1）船在设计状态，6级海况横浪条件下，以15kn 航速航行减摇鳍工作，船的平均剩余横摇角为 5°；

2）装置在 9 级海况下能安全使用，装置的合理使用航速为 13kn～18kn；

3）装置可连续工作；

4）装置具有生摇功能；

5）自动保护功能。

按下停止按钮或装置发生故障时（非液压系统失压），鳍可自动完成归零（鳍角回到±3°以内）、收进鳍箱、锁紧这一系列动作。

装置具有鳍角超过±22°（±1°）、油温高于60℃(±3℃)报警，自动停机功能。

装置在油箱油位过低（下降到油箱净高度的1/3）、补油压力过低时立即自动停机，并发出报警信号。

装置根据航速变化有调节功能：高于设计航速时，通过PLC,按一定规律，将鳍角减小，避免鳍轴受过大的应力；航速低于6kn（±1kn）时，鳍能自动归零，收鳍，锁紧。

主泵、附泵出现故障时，通过应急泵可使鳍归零，收入鳍箱，锁紧。

另外，在系统不通电的情况下，摇动手动泵，通过手动液压回路可使鳍归零，收入鳍箱，锁紧。

3 装置的主要组成

图2 减摇鳍布局示意图

如图2所示，本船的减摇鳍装置由电控分系统，液压分系统和执行机构3部分组成。

3.1 电控分系统

有弱电控制部分、强电操纵拖动部分和工况显示部分，它的使命是使减摇鳍装置按设计的程序自动工作，按控制规律减小船舶在风浪航行中的横摇角。控制框图见图3。

图3

电控分系统的设备主要有减摇鳍装置控制箱，减摇鳍装置启动箱，减摇鳍装置控制器和液压机组上的接线箱。

3.2 液压分系统

本液压分系统是一套“电-液随动系统”。随动系统接受控制器信号，完成信号的功率放大，驱动鳍跟随控制信号运动，随动系统能“快速、准确、稳定”的工作，使鳍角尽可能准确的跟踪控制信号。每个鳍均有一套独立的电-液随动系统驱动。它的工作原理如下：经电控分系统处理后的船舶横摇角速率信号，送入综合放大电路后与鳍角反馈电压及局部反馈电压代数求和，再经主放大器调制放大，然后送入控制变量油缸的伺服阀。泵斜盘位移传感器（装在变量泵上，检测变量泵的斜盘角位移）、变量泵以及转鳍油缸组成了一个容积式调速系统，它根据送入伺服阀的信号的大小，使鳍以一定的速度运动，装在鳍轴末端的直线位移变压器也随之转动，它输出的电压经解调后成为鳍角反馈电压。鳍角反馈电压被送回到综合放大电路与输入信号进行比较。当这两个信号大小相等，极性相反时，差值趋近于零，鳍就停止转动。这样，根据输入信号的大小，可以使鳍转动到一个指定的角度，实现了随动转鳍的目的。变量油缸运动时会带动一个传感器运动，传感器的输出电压也送回到综合放大电路，用以提高随动系统的质量指标。于是按减摇鳍装置的控制规律，为转鳍回路提供压力油，驱动鳍按控制规律转动。

3.3 执行机构

执行机构是减摇鳍系统的执行器，它的主要使命是转鳍，并将鳍上产生的升力传到船体上，形成减摇力矩。执行机构主要有十字头、上下轴承座、转鳍油缸、导向套筒、导向活塞、连杆、鳍柄、鳍轴、轴承、鳍、密封装置、收放鳍装置、锁紧装置、鳍角发送器等组成。

4 故障实例

BHJxxx轮右舷减摇鳍只有单边鳍角，且超鳍角报警致使设备保护性停止运行。

4.1 故障现象

在赶赴参加北海舰队组织的海上救助演习途中遇到恶劣海况，减摇鳍在运行中发生故障，右侧鳍显示超鳍角报警并自动停止运行，鳍无法自动收回。检查液压系统均正常，使用应急操作系统可以收放设备，但重新开启减摇鳍后发现只有单边鳍角显示，而且转鳍后鳍角没有回复动作，而是逐渐积累直到鳍角超限报警，然后设备自动停止运行。

4.2 故障分析与排除

根据故障现象和现场检查可以确定液压系统主回路没有问题，主电路没有问题。因为应急操作可以收放说明机构没有问题。经观察工作过程中转鳍油缸确实只有单方向动作，排除了反馈原件的问题，因此故障范围基本可以缩小到控制系统，可能是电气回路部分，也可能是液压控制回路部分。为了便于分析我们来看一下控制系统布局框图（如图4）和液压控制部分的一个关键元器件------电液伺服阀（如图5）。

图4

图5

电液伺服阀，型号为CSDY1-30，它是本液压系统中最精密的元件，也是减摇鳍装置中的关键件。其工作原理如下：

经精密过滤器来的高压油进入伺服阀的P腔，一路经阀中的小滤器进入射流管，射流管的压力油射向左端或右端接受器。来自伺服放大器的控制电流加到力矩马达的线圈上，当控制电流使射流管的压力油经左端接受器进入阀芯左端时，压力油推动阀芯右移，P腔中的压力油进入“C1”腔，而“C2”腔中的油进入R回油口。C1和C2分别接变量油缸的上、下腔。控制电流极性改变时，射流管中的压力油喷射方向亦改变。

图6

从电液伺服阀的工作原理可知，如果伺服阀的线圈有一侧不能上电，一侧可以上电，则会发生本例故障现象。如果是伺服阀主阀阀芯在一侧卡阻也会发生单边有鳍角，但是由于阀芯不能获得平衡回位，故障现象将表现为一次性转鳍超限，而不是逐渐积累到超限报警。

综合分析应该是伺服阀线圈一侧不能上电造成的，顺着这条线进行查找，逐一排查发现电控箱输出信号正常，于是拆检伺服阀线圈接线，发现其中一根电线接头处开焊。处理好接线头后上电故障排除（如图6所示）。

4.3 排障小结

电液设备排障相对来说较为复杂，由于电液联系较为紧密，一个电线接头或小小的阀芯卡阻都能造成复杂的问题，必须对整个系统综合考虑，深入了解设备的工作原理，认真观察故障现象，从细微处了解各种故障的差别，这样才能思路清晰，在排障的时候就能够少走弯路，准确的找到故障点并进行正确处理。

5 减摇鳍的维护保养

5.1 常规检查

该减摇装置全过程自动控制，但为了以最低的产品故障，获取本设备较长的使用寿命，较满意的使用效果，设备长时间连续工作时，要求做适当巡检。巡检过程中，重点注意以下内容。

1）平时多留意设备正常运转时的声音。发现声音异常时，停机检查分析故障原因；

2）观察油液状况，如泡沫太多或油液混浊，应视为故障处理，停机检查；

3）观察设备是否有漏油、渗油现象；

4）检查设备是否过热；

5）确保设备动作范围内无任何障碍物。特别收放过程中，留意有无声音异常或压力过高现象；

6）观察鳍转动是否正常。使用时，多注意观察正常运转时鳍转动速度，如果发现鳍转动速度显著低于正常速度，表明系统中某部位出现故障；

7）液压系统的压力是否在正常范围。

5.2 维护与保养

1）运转100小时后，检查安装所有安装螺栓和内六角螺钉是否松动；

2）检查驱动连接和管道连接的安全性；

3）及时将检修操作后设备上的残油全部擦拭干净，以方便以后判断系统是否漏油；

4）按滤器制造商推荐，定期清洗或更换滤器元件；

5）定期对泵外壳泄油进行检查，可判断出泵性能是否已经变差；

6）保持设备清洁，油缸活塞杆等运动部件外伸部分表面涂润滑脂；

7）执行机构各油杯润滑部位，确保各部位的润滑；

8）控制器、启动箱的箱盖应紧闭，以免电气设备严重受潮；

9）定期检查箱中的接插件跟插座、端子跟电缆线是否处与良好的接触状态，航空插头的焊线是否可靠；

10）设备不用时，每二周电气设备通电（生摇）约20min～30min。（如船在码头鳍不能放出时，仅做伺服回路通电）。

6 结论

主动式可收放减摇鳍机构较为复杂，控制系统自动化程度高，但养护较简单。按照说明书要求做好维护保养工作，定期进行应急操作试验，确保航行时能够正常使用。要认真研究设备工作原理，弄清楚各项功能的实现方式，这样在遇到故障时才能从容不迫应对自如。本文故障案例看似简单，但如果没有吃透工作原理，排查故障的时候往往会走不少弯路，尤其是电液联系紧密的部件，查找故障的时候往往会南辕北辙沿木而求鱼，确定不了是电的问题还是液压故障，当把原理弄明白的时候遇到故障就可以迎刃而解了。

[1]中船总704研究所有关减摇鳍技术资料.

[2]北海救113轮减摇鳍说明书.