基于故障树法的舵机液压系统故障分析及排除

陈华旺

(厦门兴才职业技术学院 福建厦门 361024)

液压舵机是船舶改变航向或维持指定航向的重要设备。它垂直安装在螺旋桨的后方，其一旦失灵，船舶将失去控制，甚至发生严重事故［1］。因此，我国根据《国际海上人命安全公约》(SOLAS)的规定，对舵机提出了明确的要求。船舶液压舵机可分为硬件 (舵机本身)与软件 (舵机液压系统、控制系统)两个部分。舵机本身也就是硬件部分是比较少出现故障，而软件也就是液压系统和控制系统较常出现故障。液压系统中的液压油工作在一个封闭的系统内且各路之间相互交叉干扰，使得各个故障之间相互影响，因此液压系统的故障分析具有一定的难度［2］。研究液压系统故障的方法很多，其中包括:从动态可靠性的角度进行分析液压系统的故障，通过蒙特卡罗方法进行仿真，并重点计算了液压元件的失效分布模型［2］;利用非线性迭代偏最小二乘 (NIPALS)算法分析系统正常状态下的样本，运用广义似然比 (GLR)检验对模型残差进行假设检验，并判断液压系统故障的故障状态［3］;利用非线性观测器对液压伺服系统故障进行故障诊断，并建立了系统的非线性观测器模型［4］;基于专家系统，将专家经验分解成故障现象、原因、规则，从而实现对故障知识的有效管理和维护［5］。以上舵机液压系统出现的故障，主要是通过采用一定的仪器进行检测、通过对故障产生原因进行统计等的方法对液压舵机产生的故障的实际原因进行判断。但船舶液压舵机在实际的使用过程中，受到使用条件及船舶检测设备的限制，要用以上的方法对液压舵机产生故障的原因进行分析的有比较大的难度。所以针对船舶液压舵机实际的使用条件及检测设备，寻求一种简单实用的方法，对船舶液压舵机液压系统进行故障预防和维修。

1 舵机液压系统产生故障分析

1.1 液压系统常见故障类型

根据液压油流向变换方法的不同，液压舵机分为泵控型液压舵机和阀控型液压舵机。其液压系统都是由动力元件液压泵、控制元件、执行元件、辅助元件、工作介质液压油等五部分组成。液压舵机是在海上进行使用，由于受到使用环境的限制，舵机液压系统故障不容易进行检测，也比较难以发现，同时出现故障的类型又呈现多样化。因此要对舵机在使用过程中液压系统容易出现的故障进行统计和分析，找出产生各种故障之间内在的共同因素，总结出容易出现以下比较常见的几种故障类型。

1.1.1 异常振动和响声 当液压系统出现故障时，往往表现为产生异常的振动和响声。当舵机运行过程中出现异常的振动和响声，很大可能是液压系统中某一个环节出现了故障 (见图1)。

图1 舵机液压系统示意图

1.1.2 液压系统液压油压力不足或压力波动较大液压系统中液压油的压力决定了执行元件液压缸输出的推力的大小。液压油压力不足或没有压力都将难以驱动舵叶转动，从而不足以产生足够的转船力矩 (见图2)。

图2 舵机液压系统压力不足或压力波动较大系统原因示意图

1.1.3 液压油流量不稳定 液压系统中液压油的流量决定了执行元件液压缸移动的速度。流量不足或流量波动较大都会对舵叶转动的时间及转动稳定性产生影响 (见图3)。

图3 舵机液压油流量不稳定系统原因示意图

1.1.4 液压系统中元件损坏 舵机液压系统是由各种的阀、泵、缸体、管件、接头、密封装置等组成。元件的精度较高并且数量较多，当其中的某一个液压元件损坏或出现故障，都将引起液压油泄漏从而影响系统运行的稳定性和准确性，甚至发生污染环境、发生火灾的危险 (见图4)。

图4 舵机液压系统元件损坏示意图

1.2 利用故障树对舵机液压系统故障进行分析

故障树方法 (fault tree analysis，FTA)最初的时候被应用在电子行业里，后来逐渐被应用到各种工程领域。FTA是以系统所不希望发生的一个事件 (顶事件)为分析的目标，通过逐层向下推测所有可能的原因，从而找出系统内可能存在的失效模式、环境影响、人为失误以及程序处理等硬、软件因素与顶事件的逻辑关系［2］。现以泵控型液压舵机的液压系统为例，对其常见故障进行分析。故障树中各符号所代表的意义见表1。

表1 故障树符号代表的意义

2 利用故障树排除舵机液压系统故障

2.1 舵机出现不能转动故障

当出现液压操纵系统能正常工作，但舵机出现不能转动时故障时，应先分析一下是否是属于电气遥控系统出现故障，例如电路是否出现断路等。如果电气遥控系统检测没有出现故障，则应分析一下液压传动系统是否出现故障，例如检测液压控制系统中伺服油缸液压控制信号是否出现中断、检测伺服油缸中的旁通阀是否关闭、溢流阀所调定的压力是否太低了［1］、三位电磁换向阀在左位或右位有电信号的状态下是否可以离开中位、液压主泵是否出现变量机构卡死、主泵驱动电机是否正常起动、连锁保护机构是否异常等异常故障，都能导致舵机不能转动。检测主泵是否出现故障方法可换用备用泵给系统供油加以验证。

2.2 舵机现只能单向转舵故障

舵机出现只能朝某一方向转舵，当向另一方向转舵是出现舵机不转现象时。排除方法为先改用舵机旁手动操舵系统进行操舵。如机旁手动操舵，舵机工作正常，则应先考虑电气遥控系统线路是否出现故障，例如三位电磁换向阀某一端电磁线圈是否出现断路等故障、检测控制用伺服油缸是否出现严重的泄漏、变量泵当出现泵的变量机构是否只能单向运行，此外当液压系统中主油路单方向不通或旁通时，都会出现单向转舵现象。

2.3 舵机转舵时间达不到规定要求

根据《国际海上人命安全公约》的规定:舵应在不超过60s内从船舶的任意一舷15°转到另外一舷的15°。如果舵机转舵时间达不到规定，应视为舵机出现故障。如机旁操舵后，故障消失，则检测辅泵的流量是否不足、调速阀调定的流量是否太小了、主泵流量的流量大小从而导致转舵时间延长。此外主油路中因泄漏、安全阀或旁通阀等关闭不严、油缸内部密封损坏、备用泵油路锁闭不严或主油路换向阀泄漏严重等都将导致冲舵、跑舵或滞舵等故障［1］。

2.4 舵机出现舵叶转动滞后于操舵动作

2.4.1 主油路中混有较多气体 改由机旁操舵，如滞舵现象没有消除，可将液压缸高压侧放气阀打开，如有气泡放出则很有可能是液压系统检修后放气不够彻底、油箱液压油油位太低或补油压力太低、液压系统发生泄漏等原因导致空气混入液压系统中。

2.4.2 遥控系统动作迟滞 当液压遥控系统中控制油路或伺服油缸中混入空气，或控制系统机械传动部件的间隙太大都将导致故障［1］。

2.4.3 主油路泄漏或旁通 泵控型系统主油路泄漏或旁通严重将导致舵机可转不动或转动得很慢［1］。

2.5 舵转到指令角后冲转过头［1］

2.5.1 变量机构不能及时回中 变量泵的变量机构卡住，导致控制液压油压力变低或差动活塞油孔堵塞等所造成故障。

2.5.2 遥控伺服液压油缸的换向阀不能回中 液压换向阀阀芯在一端卡住，或液压控制阀一端弹簧断裂导致张力不足等造成故障。

2.5.3 遥控伺服液压油路闭锁不严 液压油路发生泄漏或液压阀旁通后，舵机由于受到浮动杆传来的作用力，伺服活塞在到达指令舵角后，因油路锁闭不住而继续前移动造成冲舵。

2.5.4 控制系统的反馈部分有故障 如反馈系统的机械连接件松动、电气元件损坏、触头脏污或断路等。

2.5.5 主油路锁闭不严 当主油路存在泄漏或旁通，则在舵转动惯性大，特别是舵作用有负扭矩时，就会发生冲舵，但如果反馈机构正常，舵冲过指令舵角后仍会回到指令舵角。

2.6 稳舵期间舵偏离所停舵角

当主油路锁闭不严、遥控系统工作不稳定导致，两台泵共用一套浮动杆控制，变量泵中位调节不一致或调好后松动，在双泵同时工作时会产生舵停不稳的现象。

2.7 舵机有异常噪声和振动

液体噪声多是由工液压油中产生气穴、系统放气不彻底或补油不足、油温太低、油粘度太大、油泵机组异常、吸油滤器堵塞或吸油管漏气、泵和电动机对中不良、轴承或泵内运动部件损坏、管路或其它部件固定不牢、转舵油缸柱塞填料过紧、舵受负扭矩作用、舵杆轴承磨损或润滑不良等原因所导致［1］。

2.8 舵不准

当舵角偏差超过土1°，需对操纵系统进行调整:当舵轮处在零位时，操舵信号发送器输出应调整为零;当舵叶在零位时，反馈信号发送器的输出应调整为零;对于设有浮动杆机构的控制系统，应首先使遥控系统在舵机室的执行元件以及变量油泵和舵叶三者同时处于中位。

［1］韩庆龙．浅谈舵机的常见故障及原因分析 ［J］．经济技术协作信息，2008，22(29):103．

［2］张根保，张恒，庞继红，等．数控机床液压系统故障溯源及分析 ［J］．计算机应用研究，2012，29(4):1356．

［3］贺湘宇，何清华，谢习华，等．基于偏最小二乘回归的挖掘机液压系统故障诊断 ［J］．中南大学学报 (自然科学版)，2007，38(6):1152．

［4］明延涛，张永翔，张西勇，等．基于非线性观测器的液压伺服系统故障诊断方法研究 ［J］．中国机械工程，2008，19(3):1527．

［5］周汝胜，焦宗夏，王少萍，等．基于专家系统的导弹发射车液压系统故障诊断 ［J］．航空学报，2008，29(1):197．