华顺轮侧推变距速度缓慢故障修理技术研究

2020-06-01计红雷全向宏深圳华威近海船舶运输股份有限公司

珠江水运 2020年8期

计红雷全向宏深圳华威近海船舶运输股份有限公司

随着船舶技术的不断发展，为了提高船舶的操纵性能，艏艉侧推器开始大规模进入应用。它主要用于辅助船舶自由靠港、离港、避险或在低速漂泊状态时的精确定位，能增强船舶的操作使用和机动性能目前，很多新造船舶和特种船舶都安装了艏侧推，其操纵性能得到明显的提高。艏侧推大多装在船艏水线下的横向导筒中。艏侧推装置属于重要的水下设备，一旦发生故障多要进坞维修，难度及成本很大。本文针对艏侧推可变距螺旋桨的变距速度缓慢进行原理分析，并提出修改方案，最终有效解决了华顺轮的操作故障问题。以此避免了进坞维修，减轻了船东的运营成本。

案例说明：

2015年7月15日，华顺轮在南海某油田作业海区靠平台机动操作时发现，艏侧推可变螺距桨（即controllable pitch propeller 以下简称CPP）出现操纵故障。当时的故障现象是当CPP从右侧100%螺距向左侧100%螺距变距时，变距速度缓慢，而从左侧推向右侧变距时速度正常。同时通过观察注意到，该故障现象基本是在侧推器开始运行大约半小时后会出现。并且，随着使用时间的延长，CPP变距速度会变得更慢，并逐渐恶化，以至于到后来大约数分钟才能将螺距从30%左右变回到0位。该故障现象严重影响了船舶机动操纵性能，增加了“华顺”轮长时间靠平台作业的风险。

图1 液压系统原理

1.华顺轮侧推器的性能参数与驱动原理

该侧推是由挪威ULSTEINPROPELLERA.S公司生产的150TV-A型可变螺距管道式侧推器。驱动马达采用电力驱动，电制440V/60HZ，功率589Kw，转速118 5rpm；螺旋桨4片桨叶，转速390rpm；控制系统液压部分采用了伺服液压泵，流量38升/分钟的齿轮泵，电机 440V，功率 3.16Kw。液压系统最大压力（安全阀调节压力）40-45bar，操作单元液压压力20-23bar；侧推系统油约需200lts，桨毂润滑采用润滑油脂；推力接近9吨（1hp=735.5w，约11kg/hp）。

其螺距变距原理，采用了电液控制方式。液压系统中，关键的元件有：辅助液压系统（独立的）中的微量阀（电液控制转换元件），伺服小油缸，主液压系统中的电动齿轮泵，组合阀，配油阀及动力油缸。螺距的改变由液压模块实现，液压油经过电磁分配阀加载于侧推装置的伺服油缸，伺服油缸活塞带动桨叶改变螺距。驾驶台操作指令发出电信号，通过辅助液压系统的微量阀，控制液压小油缸活塞运动，驱动链接配油环的驱动杆转动，从而控制动力系统配油环转动，改变主液压系统中动力油缸液压油的进出方向，驱动动力活塞直线运动，动力活塞驱动变距机构完成变距。其变距机构为曲柄滑块机构，由动力油缸中活塞带动十字头，十字头带动滑块及曲柄运动，将动力活塞的直线运动变成驱动桨叶改变螺距的回转运动，从而改变螺距大小。其液压系统原理见图1。

2.故障原因分析

通过分析，可以认识到桨叶变距慢的原因，有三方面原因：一是驱动力太小；二是阻力太大；三是液压系统中的阀件故障的影响、以及管系泄漏或堵塞的可能。

其中驱动力的大小取决于油压的大小，即F=P＊S(F为驱动力，P为液压油压力，S为动力活塞面积)；阻力的大小取决于两方面，一是桨叶受到水的阻力的大小，二是转叶机构本身的摩擦阻力。

考虑到华顺轮使用年限较长，桨叶转叶机构机械过度磨损的可能性很大，过度磨损可能导致变距机构在某方向或某位置阻力大从而引起卡滞。需要更大的推力方能推动桨叶变距。修复水下部分过度磨损机械零件，是最彻底的解决阻力大的方案。当然，进坞修理的花费不菲。首先要订购相关大修备件，包括密封件及大型变距机构相关原件（或修复过度磨损零件至原始尺寸），其次是船舶的停船造成的船期损失。为了不影响船舶作业，如果能不进坞修理，是最经济的解决方案。为了证实不进坞修理的可行性，我们抓住航次靠泊码头的机会及在油田作业间隙的机会，对侧推进行多次的试验记录。通过试验记录发现，在侧推运行前半小时，侧推运行正常。测量结果如下:液压油温度低于53摄氏度,变距油缸油压32bar,油泵出口压力35bar。本侧推安全阀设定压力45bar，顺序阀开启压力25bar。半小时以后测量，发现油温超过53摄氏度以后，油压随着温度升高，油压逐渐下降至28bar。油压下降的原因，随着温度升高，液压油的粘度逐渐下降，液压系统的泄漏量逐渐增加，由于泵的排量固定，导致油压逐渐下降。当油压下降到一定程度，油缸活塞的推力不足以克服桨叶转动的阻力，造成桨叶变距缓慢或停止。另外，根据试验，在侧推主马达不运行时，螺距的变距速度正常，压力也较小，10bar以下。没有水流的阻力影响，较小的力就可以推动变距。当桨叶在主马达带动下以390rpm速度旋转时，此时由于水流的反作用力影响，随着螺距加大，推力加大，水流的阻力也加大，当螺距到最大螺距角时阻力达到最大。正常情况下需20bar的油压推动变距。由于桨的变距机构过度磨损，曲柄盘、滑块、十字头销配合间隙变大，造成变距机构摩擦卡阻情况加重，阻力较正常情况偏大。根据测量数据分析，当油压低于28bar时，从右向左变距变得很慢或卡滞。实测时发现，在右侧30%螺距时动作特别缓慢。当压力保持在32bar以上，螺距可以顺利变动。也即是说，当油压达到32bar，桨叶顺利变距，而当压力低于28bar时，变距速度变慢甚至在某个螺距角卡滞。

3.故障原因与解决方案

根据测试结果及桨叶变距慢两点原因分析，要顺利转动桨叶，可采取以下措施：

（1）增加驱动力大小，即增加液压油压力。

（2）降低转叶机构摩擦阻力。由于转叶机构有过度磨损，必须订购相关配件进坞拆解修理，消除磨损间隙的影响，方可使桨叶正常变距，这也是通常的做法，但前提是支付高额的修理费用及承担停船停租巨大损失及对油公司服务带来的负面影响。

显然，如果考虑第一个因素，增加油压至适当的压力，大约32bar左右，可以让变距正常动作，从而避免临时停船进坞修理的不良影响。如果可行的话，可以适当延长侧推使用时间甚至到下一个正常坞修期。

基于以上分析，我们优先考虑采取相关措施来提高油压以增加驱动力的大小。

首先，分析油压下降的原因：（1）液压泵内部泄漏造成效率下降引起的压力下降。（2）油温升高，粘度下降，造成泄漏增加油压下降。（3）液压系统阀件及管系的泄漏或堵塞造成的油压下降（参考侧推液压系统图1）。

其次，针对以上油压影响原因，我们采取了以下措施以提高油压至32bar以上。

（1）订购排量更大的液压泵，订购了一台更大排量的液压泵。原泵设计流量为38lts/m，我们选用了75lts/m的液压齿轮泵，以补偿液压系统泄漏，并将旧泵送专业公司修复。由于此措施实施周期长，我们首先采取以下第二步改进措施。

（2）降低液压油温度。考虑到侧推前半小时运行正常，油温度低于53摄氏度，随着运行时间加长，温度逐渐升高。当温度高于53度时发生故障。如果降低油温，使油温度低于53度，应该可以恢复侧推变距功能。此措施实施可当天完成，于是立即购买了冷却器，配置时考虑到吸口管径匹配，冷却器进出口管径和吸口管相当。（原理是在泵的吸口管加冷却器），将冷却器串联在泵的吸口。试车时发现，泵的压力并没有提高，仔细分析原因，由于在液压泵的吸口串联了冷却器，增加了吸口管线长度，即增加了工质运动阻力，降低了吸口流量即泵的流量，虽然温度降低了，得不偿失。为了提高吸口管流量即克服冷却器和管线的阻力，考虑在冷却前增加一台增压泵。于是选购了一台规格为75lst/m的低压齿轮泵。改装选配了一台进口电机配上国产齿轮泵，经过数小时的改装，完工后试车发现，油压达到32bar，且油温稳定在48度以下，达到了预期目的。经过长达1小时试验，CPP变距操作正常。具体改装图参考图2。

4.最终解决方案

首次改装顺利达到目的。经过初次改装，证明了我们不进船坞修理的方案是可行的。

经过一段时间的使用，华顺轮2016年8月反映，侧推CPP操作故障又出现，故障和前一次改装前一样。基于上次的改装及原因分析，我们对影响CPP变距速度的第3项原因进行了相关改进，即着力于排除液压系统中的阀件故障的影响，以及管系泄漏或堵塞的影响。

图2 第一次系统改装图纸

针对此项原因进行相关检查及试验。

首先，更换了液压系统中安全阀和顺序阀，疏通了泵的进口管线，通过逐项检查排除，运行侧推试车，发现改善效果不理想。大约半小时后故障依旧。

其次，重新考虑以上3个原因的影响，对侧推故障原因再次进行分析及测试，期望能再做些改进，否则只能选择进坞修理。测试时发现当侧推运行超过半小时，油温达到46度，油压下降至28bar，出现CPP动作变慢影响操作。考虑到冷却器前的国产增压泵使用时间超过一年，决定更换的增压泵，当天更换泵后，发现侧推正常可以使用，压力明显提高至30bar。维持此状态继续使用了近2个月至2016年10月，发现故障现象又出现，且有加重，油压低于28bar，且动作时间3分钟以上，严重影响了使用。根据上次分析原因，可以判断的是，侧推变距机构磨损更严重了，进一步加重了变距阻力。

图3 第二次系统改造图纸

为了判断液压系统驱动变距力能否克服阻力，在侧推主马达不运转情况下，操作CPP变距至最大，观察油压情况。如果泄漏严重，油压应该低于28bar，如果油压能达到32bar，说明泄漏可以补偿。于是我们取消了伺服小油缸机械限位，手动操作螺距至最大螺距位置，发现油压可以升高到34bar，泵出口压力36bar。根据以上分析，可见压力还有提升空间，可以一试能否克服逐渐增大的阻力。如果排除液压管系对流量的影响，增加泵的流量，将压力升高到32bar以上，即可以推动CPP动作。

为了排除液压泵吸口的增压泵及冷却器，管系对总流量的影响，我们对串联的双泵进行了流量测试。分析了现有液压系统各元件情况，测量了油泵的流量，发现双泵串联的流量仅为32升，明显低于设计流量38升，考虑到主泵的流量已经增加到75升，问题应该存在增压泵上及其他液压阀件和吸口管线上。首先，我们将液压阀件顺序阀和安全阀换新，调整好压力，试车，发现故障现象依旧存在，排除了水上部分阀件泄漏原因（华顺轮上一次进坞修理时已经将桨毂部分的配油阀换新，可以基本排除水下阀件泄漏原因）。其次，串联泵的流量过小影响了系统流量。于是决定将吸口增压泵及冷却器和相应连接管线拆掉，将系统复原，冷却系统单独改装，另找了冷却器的吸口和出口，见改装图。并且，将液压泵吸管线进行了疏通。经过再次改装测试，发现油压显著升高至32bar，在不加冷却器的情况下运行了1个小时，压力32bar，正常，油温升高到48度，CPP操作正常。达到改装目的，如果进一步控制油温，侧推运行可以达到正常运的变距要求。后来，经过海上长时间作业，侧推连续运行长达4小时，经测量，系统滑油油温稳定在50度左右，油压保持在32bar左右，CPP变距正常。经过后来的数次航行试验证明，连续长时间靠平台使用侧推情况下，CPP螺距均可正常操作。第二次改装见图3。