广西内河船舶液压舵机存在问题与对策研究

曾志伟

摘要：液压舵机是保持船舶航向，保证船舶安全航行的重要设备。文章依据船检技术规范对船舶液压舵机的相关规定，对广西内河船舶装船液压舵机的系统组成进行了分析，指出了液压舵机存在的问题及其原因，并结合广西船舶实际情况提出了相应的解决方案，以提高液压舵机安全技术水平，更好地保障船舶航行安全。

关键词：液压舵机;问题分析;解决对策

0 引言

《钢质内河船舶建造规范》（2009）生效后，广西液压舵机生产厂家按照规范对舵机的新要求进行了更新设计，经改进的内河船舶液压舵机在实践中确实起到了提高安全性、減少故障率的作用，但同时也暴露出一些普遍和突出的问题。随着内河航道等级的不断提升，船舶朝大型化方向发展，新建船舶吨位越来越大，为保障船舶航行安全，有必要对液压舵机存在的这些问题进行总结和分析，并及时采取有效措施切实提高广西内河液压舵机安全技术水平。

1 广西内河船舶液压舵机系统组成

广西内河液压舵机液压系统原理见下页图1。分析该舵机原理图，存在以下主要特征：

（1）转舵方式采用手操和电操两种方式，并通过电磁换向阀来转换。长期以来广西区内的河船舶驾驶员习惯于在船舶正常航行时使用手轮转动转向器来控制液压舵机转舵角度、方向和时间，当船舶在离靠码头时或者船舶主机怠速工况时才有可能使用电操手柄来控制三位四通电磁换向阀来实现舵机的转舵角度和方向的变化，电操和手操通过电磁换向阀来切换。

（2）动力设备采用主机轴带泵和电机驱动泵。为了节能，通常是主机轴带一台液压泵作为常用泵来给液压系统供油，另外再设一台电机驱动液压泵作为备用泵，当船舶在离靠码头或者船舶主机怠速工况及主机轴带泵故障时才启动向系统供油。

（3）油箱设置采用一个工作油箱，两泵共用一个工作油箱，另外设置一个高位储备油箱通过管路与工作油箱相连，在需要时给工作油箱充油。

（4）液压油缸入口处采用手动双联截止阀，当管系或一台动力设备发生单项故障时，操作截止阀手柄进行系统隔离和转换。

2 液压舵机存在的主要问题

2.1 液压系统管系和附件的设置

2.1.1 问题描述

液压舵机动力设备的管系和附件虽未实现互相独立设置，但在油缸入口隔离阀处汇合。隔离阀采用手动双联截止阀（12）进行故障隔离，无法满足船检技术规范对液压舵机出现单项故障时，能在10 s内进行隔离并转换至另一套进行工作的要求。

2.1.2 问题原因分析

《钢质内河船舶建造规范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.3（1）规定：对转舵扭矩>16 kN·m的电控型舵机，其动力设备的管系和附件应互相独立设置，仅在油缸入口隔离阀处汇合。当其管系或一台动力设备发生单项故障时，此缺陷能被隔离，且能迅速转换至另一台使用，转换时间应≤10 s，并应设有转换的信号标识。

从图1可见该液压系统在单项故障隔离方面存在以下两个问题：

（1）液压系统动力设备及其管系在手操/电操电磁换向阀处进行了汇合，属于两个动力设备的公共部分，没有进行完全独立设置，如果此处的电磁换向阀及其管系发生故障（破损、泄露等），则整个液压系统会因动力油短缺导致舵机失效。

（2）油缸入口处采用手动双联截止阀作为隔离阀对系统进行隔离，不能实现当液压系统管系或一台动力设备发生单项故障时，此缺陷能被迅速隔离并转换至另一台使用的要求。为什么液压舵机采用手动双联截止阀作为隔离阀无法达到单项故障迅速隔离和转换的要求呢？主要原因如下：

广西内河船舶液压舵机转舵装置布置在船舶尾舱平台上，以前进出船舶尾舱是水密人孔盖，现在有些船舶改为舱口盖，在尾舱内设有直梯从舱口盖或人孔盖下到尾舱，但是并没有在尾舱内设置与直梯及转舵油缸平台相连的工作通道。由于摆缸式液压舵机油缸进出口连接的管路都是采用高压软管，而可能因为高压软管的质量问题，软管在反复脉冲高压作用下偶有爆管现象，爆管后有大量液压油泄漏，可能造成液压油箱油量不足和使空气进入管路，严重影响舵机性能。若转舵油缸进出口连接软管等部件损坏，船员从打开人孔盖或舱口盖进入尾舱到达转舵油缸平台，然后转换双联截止阀进行故障隔离需要较长时间，无法紧急隔离该处故障部件。再加上广西内河船舶船员普遍对舵机的知识掌握不足，通常不具备解除故障的能力，所以仅有手动双联截止阀来进行故障隔离不可取。

2.1.3 解决对策

（1）取消手操/电操电磁换向阀，将两套动力设备及其管系进行完全独立设置，并在油缸入口处与隔离阀进行连接。

（2）将油缸进出口处手动双联截止阀更改为自动隔离阀，油缸进出口处采用自动隔离阀，其最大的作用是防止当油缸进出口处的软管破裂导致舵机失效时，需要船舶驾驶员转换到另外一套动力及管路，自动隔离阀会随着驾驶员的转换信号进行自动转换，能迅速恢复舵机系统有效工作。

2.2 液压泵的配置

2.2.1 问题描述

液压舵机动力设备采用一台主机带液压泵和另一台电机带液压泵，在船舶正常航行时，如果主机带液压泵发生故障而主发电机组却没有运行发电，会造成无法启动电机带动液压泵的情况出现，导致整个舵机液压系统动力丧失而舵机失效。

2.2.2 原因分析

《钢质内河船舶建造规范》（2009）第2篇第9章第9.1.4.5规定：舵机装置动力设备可采用由2台主机分别驱动液压泵的形式，也可采用一台液压泵由主机驱动，另一台液压泵由独立的动力驱动的形式。

广西内河液压舵机动力设备配置和操舵模式都是采用一台由主机驱动，另一台由电机驱动的方式，船舶正常航行时由主机驱动液压泵向舵机液压系统供油，驾驶员操作手轮转动转向器进行操舵。在船舶进出港和离靠码头时，船舶启动主柴油发电机组向船舶电站供电，启动电动机驱动液压泵向舵机液压系统供油，并且转换手操/电操换向阀切换到电操模式操舵。但在实际营运中为了节能，机舱设置的两台主发电机组在船舶正常航行时并不运行发电，船舶正常航行时照明和通信等用电由主机轴带发电机供电。因主机带的发电机其输出电源并不符合技术要求，其原动机的主机转速变化幅度很大，输出的频率、电压不满足船检规范对主电源的频率要求，所以不能接入主配电板作为动力设备电源供电。这种配置和营运方式给舵机系统带来以下安全隐患：当主机带液压泵发生故障时，因为主机轴带发电机发出的电不能接入主配电板供电给电动机，导致电机带液压泵无法启动供油，整个舵机液压系统失去动力而舵机失效。

2.2.3 解决对策

（1）主机带发电机采用真正意义上的轴带发电机，该发电机发出的频率经过转速或频率的补偿后可以满足规范对主电源的频率、电压的要求，并且将轴带发电机发出的电并入船舶主配电板当作主电源使用。当主机带液压泵故障时，可以通过轴带发电机供电及时启动电动机带液压泵向液压系统供油，防止舵机失效。

（2）两台主机各带一台舵机液压泵，另外设电动机驱动液压泵一台，即增加一台主机带液压泵，其中一台主机带液压泵常用，动力设备及管系阀件独立设置，通过转向器进行手操操舵;另一台液压泵由另外一台主机通过可控离合器驱动作为备用，液压泵的输出管路与电动机带液压泵汇合共用一套管路系统，采用电操操舵，船舶正常航行时备用主机带液压泵通过控制离合器脱排不工作。当常用主机带液压泵发生故障时，离合器遥控合排启动备用主机带液压泵，采用电操方式进行操舵。

综上，目前对广西内河船舶来说，最可靠又节能的配置方式是主机轴带一台液压泵和电机带一台液压泵，同时要求主机的发电机必须具有转速或频率补偿功能，发出的电满足规范对主电源的要求，并作为主电源接入主配电板供电，在船舶设计时全船只需配置一台主柴油发电机组，这样在成本上变化不大又可以保证船舶航行时的正常供电需要。

2.3 手操操舵与转向器排量的匹配

2.3.1 问题描述

采用手动转向器进行手操操舵时因转向器排量选择不当，导致在大流量时转舵时间比电操慢而且背压高，长时间运行使油温升高、润滑变差、噪音大，驾驶室环境差。

2.3.2 原因分析

广西内河船舶液压舵机通过手操/电操电磁换向阀进行手操/电操切换。主机在低速工况运行时，主机轴带液压油泵供油，因低速时液压泵的供油量小，手操和电操两种操舵方式其转舵速度基本上无区别，但在主机高速运转时两种操舵方式的转舵速度差别很大。电操操舵转舵速度很快不便于驾驶员控制船舶转向，手操操舵转舵速度比较慢而且可以通过驾驶员转动操舵手轮的快慢来控制转舵速度，比较符合驾驶员的操舵习惯，但是在手操时发现在不操舵时驾驶室压力表显示为2～3 MPa（背压），在技术上任何情况下不操舵时背压应为0值，说明手操时液流流通不畅，造成液压油泵供油压力升高和内泄漏加大，操舵速度明显比电操慢，经判断是转向器选型时排量不足造成的。在这种情况下长时间运行会使液压油温升高，造成润滑变差、噪音变大，驾驶环境不舒适，液压油泵需要输出更高的油压，且不利于系统各部件的正常工作，还会减少寿命、增加故障率。

2.3.3 解决对策

在采用转向器操舵时一定要在设计阶段对转向器的排量进行校核，并在产品检验时进行验证。

针对这种情况，是否可以取消转向器操舵，采用双电操方式？在主机轴带液压泵的情况下，因为主机转速变化范围较大，广西内河船舶营运时为了节能，通常让主机在50%额定功率以下运行，主机轴带液压泵皮带轮的设计也是结合这个功率下的主机转速来进行设计的，一旦主机在额定转速附近运行，液压泵的供油量就特别大，接近电机带液压泵的供油量的一倍，这个时候如采用电操会非常快，驾驶员操舵不理想，很容易发生危险，而这个时候采用转向器操舵反而是一种较好的方式，它可以通过驾驶员转动操舵手轮快慢来控制转舵速度。

2.4 安全阀的选型及流量校核

2.4.1 问题描述

安全阀因选型不当、流量不足导致系统泄压不畅，系统超压引发安全隐患。

2.4.2 原因分析

《钢质内河船舶建造规范》（2009）第2篇第9章第9.1.10.1规定：液压系统中由于动力源或外力作用可能产生过高压力且能被隔断的任何部位，均应设置安全阀。安全阀的整定压力应不低于最大工作压力的1.25倍，但应不超过设计压力。安全阀的最小排量应不低于通过安全阀排放的泵的总容量的110%，在此情况下，其压力的升高应不超过整定压力的10%。

在船上进行液压舵机密性试验和有关阀件参数整定时，发现当调小一个液压泵排量作液压系统高压密性试验后，调整安全阀开启压力至整定值，再调整液压泵排量至额定排量，安全阀泄压压力远高于整定值，压力升高大于10%的整定压力值且压力表指针不稳定，若双泵供油则压力升高更大。出现这种现象的主要原因是个别舵机生产厂家在安全阀选型设计时没有进行流量校核，造成安全阀流通量与液压泵的排量不匹配。如果安全阀选型不当，就会出现系统泄压不畅而导致系统压力升高，给整个管系和阀件带来严重的安全隐患。

2.4.3 解决方案

针对以上情况，应从这两方面着手：

（1）要求舵机生产厂家在进行液压舵机设计时，应对安全阀的流量进行校核，只有校核合格才能最终定型，否则应重新进行选型计算直到满足要求为止。

（2）验船师在进行产品检验和装船检验时注意核对安全阀的型号规格，并在试验时注意安全阀的压力变化。

2.5 液控单向阀特性及负扭矩的影响

2.5.1 问题描述

部分舵机生产厂家为节约成本，仅采用双向液控单向阀来防止跑舵，未考虑因内河航道水流变化多样产生的负扭矩影响，而导致舵机操舵时经常发生停停走走现象，特别是在水流较急的水域更容易发生，影响船舶航行安全。

2.5.2 原因分析

负扭矩是由多种因素引起的，如船型、舵叶特性和水流冲击等。水流冲击在内河水域是普遍存在的。当水流冲击与转舵方向相同时，舵叶转动速度加快，产生负扭矩现象。由于负扭矩的存在和液控单向阀具有不可能停留在中间某位置，不是开就是关的特性，舵机常常产生吞舵现象。其简单过程是：水流冲击→同方向转舵速度加快→油泵失压→回油管路单向阀关→停舵的瞬间过程。以上过程反复循环，使得油缸柱塞/活塞停停走走、增加振动和噪声，长期使用将使舵机系统遭到破坏，因此采用液控单向阀无法克服负扭矩的影响。

2.5.3 解决对策

针对以上问题，认为内河船舶液压舵机为防止舵机出现跑舵并克服负扭矩，应在每套操舵系统设置一个舵机专用阀，并且将其作为标准配置，确保舵机的安全性，从而保障船舶航行安全。因为舵机专用阀能很好地克服负扭矩现象，舵机专用阀是平衡阀的一种，由主阀和双向安全阀两部分组成，主阀起到换向、锁舵和控制負扭矩的作用，双向安全阀起压力控制及旁通作用。

3 结语

液压舵机的安全技术水平是保障船舶航行安全的关键，特别是对广西内河船舶而言，因为广西境内航道窄、水流急，船闸和跨河桥梁多，船舶密度大，如果不能确保液压舵机的安全性，很容易因舵机失效而造成船舶碰撞、搁浅和沉船事故发生，因此，舵机的安全性、稳定性以及安装和后期的维护保养都很关键，但前提是必须先保证舵机本身的设计制造达到船检规范的安全技术要求，同时根据船舶航行航道的具体情况设计出符合使用要求的舵机。

参考文献：

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S].2009.

收稿日期：2020-05-27