船舶舵机液压系统振动原因分析及处理措施

温燕星

(湛江海滨船厂,广东 湛江 524000)

汽蚀是一种常见的船舶材料腐蚀现象，对船舶流体设备造成极大破坏，导致船舶设备部件功能下降，严重影响船舶设备的运行安全和船舶行驶安全。汽蚀现象通常发生在液体绝对压力值达到了其气化压力值的情况。现代船舶几乎全部采用舵机液压系统，舵机液压系统是利用液体的不可压缩性及流量、流向的可控性来达到操舵的目的，因此当舵处在交变复杂的工作环境，舵机液压系统的液压油容易产生汽蚀现象。本文通过某船案例，分析舵机液压系统汽蚀发生的条件以及预防措施。

1 故障现象

某船在南海恶劣海况下进行高速航行，在大舵角转舵时，从左满舵到右满舵或者右满舵到左满舵，舵机液压系统在0位、或者越过0位23°左右时，屡次强烈振动及发出刺耳的嘈杂声，柱塞运行偶有短暂停止。该现象有时会持续若干秒。当该船靠泊码头后，工作人员在舵机舱简操，舵机液压系统表现良好，无振动及噪声。

2 原因分析

2.1 舵机液压系统型式

舵机液压系统的型式有2种，一种是开式，一种是闭式。闭式舵机液压系统特点是油泵的吸、排油口直接与液压执行元件的进出油口相连，形成一个闭合循环。为了补偿泄漏损失，通常需要一个辅助补偿油泵和油箱[1]。闭式舵机液压系统示意图如图1所示。

图1 闭式舵机液压系统示意图

某船的舵机液压系统型式是闭式，其单泵组舵机液压系统工作原理图见图2。

图2 某船单泵组舵机液压系统工作原理图

2.2 工作原理

主油泵的吸/排口经过换向滑阀,分别与舵液压缸的2个腔连接。主油泵是双向变量柱塞泵。当柱塞从左舷往右舷运动时，主油泵排口排出的高压油经过换向滑阀右位进入液压油缸的左侧油缸，柱塞往右运动；液压油缸的右侧油缸的低压油，通过换向滑阀右位，回到主油泵的吸口；当柱塞达到右边的限位，且主油泵变量机构中位时，吸口、排口既不吸油也不排油。当主油泵变量机构变向后，主油泵吸口变为排口，排出的高压油经过换向滑阀左位进入液压油缸左侧油缸，推动柱塞往左运动，舵液压缸的右侧油缸的低压油则回到主油泵的吸口，依次循环。

辅油泵排出的液压油分2路，经过单向阀1和单向阀2，分别进入主油泵的吸口/排口的管路中。

2.3 舵机液压系统

舵机液压系统主油路分成2个独立的液压油路，一是主油泵的排油口经过管路、换向滑阀到舵液压缸的高压腔；另一路是舵液压缸低压腔，经过管路、换向滑阀到主油泵的吸口。

辅油泵的补油液压油路主要是辅油泵从油箱吸油，然后排出，分两路，经单向阀1、单向阀2，分别接入2个独立的主油路。

主油泵是柱塞泵型式，在运行中都有内泄。因此，主油泵吸入液压油流量，用Q主吸表示；主油泵的排量，用Q主排表示；主油泵的泄漏量，用Q主泄表示,单位均为m3/h。三者关系即：

Q主吸=Q主排+Q主泄。

(1)

当舵机液压系统工作时，高压油路接收到的是主油泵排出的液压油。由于辅油泵补油路的单向阀限制，高压油路的液压油只能进入舵液压缸的高压腔，推动柱塞运行。此时，舵机液压系统低压油路接收到的液压油流量，用Q低油路表示；低压腔的柱塞位移容积排量，用Q柱排表示；辅油泵往主油路补给的流量，用Q辅补表示，单位均为m3/h。

低压油路接收的液压油流量表达关系，即：

Q低油路=Q柱排+Q辅补。

(2)

2.4 柱塞受力分析

舵液压缸的油腔可作为一个厚壁圆筒压力容器，舵液压缸内部压力示意图见图3。当舵液压缸的液压压力为P时，舵液压缸截面半径为r的圆柱面上点的径向位移Δr表达公式为：

图3 舵液压缸内部压力示意图

(3)

式中，P为舵液压缸液压压力,Pa；E为舵液压缸材料弹性模量,Pa；μ为舵液压缸材料泊松比；r1为舵液压缸内径,m；r2为舵液压缸外径,m。

从公式(3)可见，舵液压缸的径向位移Δr与舵液压缸的液压压力P成正比，P值越大则Δr越大。此时具有一定容积长度l的舵液压缸容积增量，用ΔV缸表示：

ΔV缸=2πr0Δr0l

(4)

式中，r0为舵液压缸内孔半径，m；Δr0为舵液压缸内孔半径膨胀量，m。

ΔV缸=cPl,

(5)

式中，c为舵液压缸缸径截面压力系数，m2/Pa。

舵液压缸的容积增量是主油泵的排量和工作时长t的结果，则：

ΔV缸=Q主排t，

(6)

式中，t为运行时间长度，s。

由公式(5)、(6)，得：

(7)

舵液压油缸分别命名为进油腔A和回油腔B。舵和柱塞的质量质心,用M表示。假设舵受到的外力集中反映到柱塞上，用FM表示。柱塞在轴线方向还受2个力，一个是进油腔A高压油给予的推力，用FA表示，另一个是回油腔B低压油给予的推力，用FB表示，舵液压缸受力示意图见图4。

图4 舵液压缸受力示意图

FM、FA、FB都是随时间t变化的，因此是时间的函数，分别用FM(t)、FA(t)、FB(t)表示，其柱塞的受力公式表达式如下：

FA(t)+FM(t)+FB(t)=ma(t)，

(8)

vt(t)=v0+a(t)t，

(9)

式中，FA(t)为t时刻进油腔的液压油对柱塞的推力,N；FM(t)为t时刻舵装置作用在柱塞的负载，N；FB(t)为t时刻回油腔的液压油对柱塞的推力，N；m为舵装置及柱塞的质点质量,kg；vt(t)为质点t时刻的运行速度,m/s；v0为质点t0时刻的初始速度,m/s；a(t)为质点t时刻的加速度，m/s2。

2.5 舵负载发生变化时的分析

假设t=0时，柱塞以v0恒速从左往右运动。设柱塞运行方向为正方向，用x表示，如图4中所示。恒速运动的条件是低压油路接收液压油流量Q低油路与主油泵吸入流量Q主吸相等，即：

Q主吸=Q低油路=Q柱排+Q辅补。

(10)

此时，舵液压缸的A腔液压压力用PA0表示，对柱塞的推力为FA(t0)；B腔液压压力用PB0表示，对柱塞的推力为FB(t0)；舵的作用力为FM(t0)，三者合力为0,即FA(t0)+FM(t0)+FB(t0)= 0。

当柱塞质点上FM(t)作用力出现剧烈变化时，舵机液压系统各油路的液压流量和液压压力的变化分析如下。

1)当FM(t)的方向与柱塞运行方向相同，FM(t)≫FM(0)，且FM(t)为恒值时，由于FM(t)的方向与柱塞运行方向相同，根据公式(9)，柱塞加速度a(t)的方向为正。由于FM(t)≫FM(0)，则柱塞的加速度瞬间变大。又因为液压油的不可压缩性且主油泵的吸油流量为恒值，则B腔里液压压力在FM(t)作用力下瞬间从PB0上升到PBt,液压缸B腔的增压PBt反作用在柱塞上，直至FA(t)+FM(t)-FB(t)= 0，柱塞恢复到初始速度v0运行。此时舵液压缸 B腔的内径增加，柱塞瞬间加速而后恢复到初始速度，液压缸A腔液压压力瞬间降低又恢复正常。

综上所述，在外力FM(t)正作用下，设柱塞正加速度a到0的时间段为Δt。在Δt期间，外力FM(t)使低压油路液压压力上升，液压缸B腔容积增大；由于主油泵吸油流量恒定，低压油路接收的液压油流量不变，外力FM(t)正作用下的柱塞往低压油路排的液压流量全部转化为液压缸B腔的容积增量；高压油路压力瞬间出现脉冲式下降，然后恢复至初始值，接收到的流量不变，为主油泵的排量Q主排。因此外力FM(t)对舵机液压系统影响不大。

2)FM(t)的方向与柱塞运行方向相反，且FM(t)≫FM(0)时，FM(t)的方向与柱塞运行方向相反，则柱塞加速度a(t)为负值。则公式(9)变为：

vt(t)-v0=-a(t)t。

(11)

两边乘以柱塞的截面受力面积,则变为：

vt(t)S柱-v0S柱=-a(t)tS柱，

Q柱排(t)-Q柱排(0)=-a(t)tS柱，

(12)

式中，S柱为柱塞截面受力面积，m2。

由公式(12)可以发现，当FM(t)的方向与柱塞运行方向相反时，则柱塞往低压油路排的液压油流量会减少。令：

ΔQ柱排(t)=S柱a(t)t。

(13)

低压油路管系空间是由气体体积V空和液体体积V液组成的。在低压油路管系充满液压油且气体溶解在液压油里面时，则V空≈0，气压等于液压；当t时刻低压油管路接收的液压油流量小于主油泵的液压油吸入量时，则溶解在液压油里的气体溢出，气体体积就膨胀变大，根据压强连通原理，气压等于液压。气体常数公式PV=常数，则：

P0V0=PtVt，

(14)

式中，P0为t=0时的气体压力，与液压压力同值，MPa;Pt为t时的气体压力，与液压压力同值，MPa;V0为t=0时的气体体积，m3;Vt为t时的气体体积，m3。

在外力FM(t)反作用下，当Q主吸(t)>Q柱排(t)+Q辅补(t)时，低压油路管系内的液压油体积减小，气体体积增大。随着液体体积的减小，气体体积膨胀达到一定程度时，气体的绝对压力值将达到液压油饱和气化绝对压力值。水蒸气和溶解在液压油中的空气溢出，气泡大量产生后又破裂，发生了汽蚀现象，导致低压油路管系内产生响声和振动。

2.6 液压油汽蚀现象

低压管路管系液压油发生汽蚀现象主要原因是液压油绝对压力低于液压油饱和气化绝对压力。在FM(t)反作用下，柱塞作减速运动，改变了低压油路液压油流量。

若FM(t)≫FB(t)，则以下算式将FB(t)忽略。从公式(8)可以得出，

a(t)=[FA(t)-FM(t)]/m

=S柱[P(t)-PMt]/m，

(15)

式中，PMt为外力FM(t)作用在柱塞截面积的压强，Pa；m为舵所有相关联的运动件质点的质量，kg。

舵液压缸的即时压力是时间的函数，则公式(7)变化为：

(16)

代入公式(15)得出:

(17)

将公式(17)代入公式(13)，得：

(18)

从公式(18)可以看出，ΔQ柱排(t)是时间t的一元二次方程函数，有一个最大值ΔQ最大值,即：

(19)

从公式(19)可以发现，主油泵的排量越大，则ΔQ最大值就越小；当FA(t)与液压缸对柱塞初始推力的差值(用压强表示)、液压缸A腔容积(用液压缸容积长度l表示)越大时，则ΔQ最大值就越大。

当外力FM(t)反作用下，柱塞运行阻滞，导致主油泵吸入流量Q主吸(t)大于柱塞位移排量Q柱排(t)和辅油泵排量Q辅补(t)之和时，则辅油泵的排量小于主油泵的泄漏量和柱塞位移排量，即：

Q辅补(t)

(20)

若主油泵的泄漏量和排量为恒定时，则辅油泵补充给低压油路的液压流量低于柱塞减速后的液压油空缺量，低压油路将产生真空，发生液体汽蚀现象，同时导致柱塞运行过程中出现卡滞停顿现象。

综上所述，液压舵机闭式液压系统里，低压油回路产生汽蚀现象的因素有：主泵的排量、辅油泵的排量、外力、液压缸压力腔的容积和初始压力。

3 结束语

在故障排查时，检测了该船的辅油泵流量，发现辅油泵的排量比标定的排量少了4 L。

装船的液压舵机在设计上是满足要求的，由于长时间使用，导致了泵、管系产生了磨损，导致了低压油回路的流量减少，低于主油泵吸入流量，特别是主油泵和辅油泵的性能下降时。液体汽蚀现象对液压泵设备、管路系统是有危害的，它会腐蚀液压泵零部件和管壁，甚至震断管路，产生影响人体健康的高倍音频。针对液压舵机修理，提出以下建议：①主油泵、辅油泵修理后，应作排量性能试验；②主油泵(柱塞泵)修理时，应注意柱塞与衬套的配合间隙，配流盘的密性；③对液压管路接头、阀门检漏；④管路应避免过长，管壁避免采用薄壁无缝钢管。