某船艏侧推装置3次进坞修理的故障排查

曾令林

(湛江海滨船厂 ,广东 湛江 524005)

1 设备安装布置

某船艏侧推装置实船安装布置示意图如图1所示，其主要结构包括：主电机及控制部分、侧推机械装置、液压泵站及螺距控制部分。螺旋桨布置于船首右侧，从桨毂油缸一侧看，螺旋桨在桨轴带动下逆时针旋转。桨毂内结构示意图如图2所示，当桨叶处于正车螺距，艏侧推向右推水，发出推力向左；当桨叶处于倒车螺距，艏侧推向左推水，发出推力向右，从而保证该船停靠码头、离开码头和在海上执行任务需要。

图1 艏侧推装置实船安装布置示意图

图2 桨毂内结构示意图

2 故障概述

该船进我厂修理，按工程明细内容，艏侧推装置修理工程为原地检查，第1次进坞发现艏侧推装置桨轴的油封漏油。更换桨轴的油封需要将艏侧推装置桨毂横轴部分拆卸下来，发现电机驱动轴的锥齿轮已崩齿损坏，同时对艏侧推装置进行扩大修理，对桨毂部分进行了全面检修。

全面检修回装完整后，5月31日我厂组织人员对艏侧推装置进行系泊试验，艏侧推装置液压系统压力约为2.5 MPa，螺距从零位到左最大、右最大位置所需时间均为3 s，连续运行30 min，测得驱动轴轴承温度为55℃，艏侧推装置声音、震动均正常。出坞后进行系泊试验和3次机动防台风航行试验，艏侧推装置均能满足正常使用要求，但存在如下问题：①操作手柄打满左螺距时，最大电流为800 A，未超设定极限值，电流比较稳定；②操作手柄打满右螺距时，电流升至800 A以上，超设定极限值报警，在约92%螺距位置电流反复波动。

我厂认为对此电流报警和调整是由模块控制的，该模块的相关参数需要手持终端进行调整，由于我厂没有相关设备，既无法取得该模块的相关数据，也无法对该模块进行调整。因此我厂外请艏侧推装置电气厂家上船进行技术指导和系统调试。8月1日电气厂家服务人员上船后先到驾驶室检查操纵部分，操纵操作手柄，艏侧推装置能满足正常使用要求，仍然是打满右螺距时，电流升至800 A以上，超设定极限值报警，在约92%螺距位置电流反复波动。电气厂家服务人员到艏侧推舱机旁后，首先调试液压系统的溢流阀，再用螺丝刀手动操纵电磁换向阀并用手机记录变距时间，刚开始左、右螺距均能操作并能达最大止档位置。原来左螺距最大止档位置到右螺距最大止档位置时间为11.9 s，经调整后为10.5 s，此时机旁的压力表显示最大工作压力达10 MPa(压力表量程最大为10 MPa，系统额定工作压力4 MPa)。此后用螺丝刀操纵电磁换向阀，向右操纵螺距能到右螺距最大止档位置，反向操纵螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能归零或到左螺距最大止档位置。

我厂对此故障安排专业液压师傅上船排查，拆检全部液压阀组并清洁保养，未发现异常。电磁换向阀至艏侧推装置油缸的2路液压管进行对调试验，仍然是向右操纵螺距能到右螺距最大止档位置，反向操纵螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能归零或到左螺距最大止档位置。初步确定为艏侧推装置水线下内部动力液压部分故障。8月5日我厂外请艏侧推装置液压部分服务人员上船排查，液压部分服务人员进行了一系列检查，排除了液压部分低压腔的故障，将故障确定为艏侧推装置水线下内部动力液压部分故障，并且需进坞检修。

9月29日，该船第2次进坞检修艏侧推装置，发现艏侧推装置桨毂内部活塞杆尾部螺纹退刀槽处断裂。由于该活塞杆无备件，需重新订购，并且生产周期长达1个多月，因此我厂对桨毂液压部分进行拆卸和回厂检修，加装封板封住艏侧推装置桨毂液压部分后出坞。

3 原因分析

首先，检查该艏侧推装置活塞杆制造生产情况。我厂联系艏侧推装置制造厂家并了解到，该活塞杆是根据KAMEWA的许可证图纸950042Ag生产，KAMEWA图纸中材料按瑞典标准设计，根据KAMEWA公司的图纸，艏侧推装置制造厂家进行了材料的国产化转化，转化的原则是：保证材料的种类相同、成分相近、性能相当。按球墨铸铁中外牌号对照，选用的国内材料是QT500-7(GB/T1348-2009《球墨铸铁件》)，具体机械性能参照图纸执行，抗拉强度σb=500 MPa，屈服强度σs=350 MPa，延伸率δ≥7%。

活塞杆杆端尺寸示意图如图3所示。以活塞厚度35 mm为界限，当活塞推动活塞杆向正车调距(手柄操左螺距)，其D75f6轴肩端受压，但达到止档以后，活塞直接与桨毂贴平，活塞杆不承受活塞的压力；当活塞推动活塞杆向倒车螺距(手柄操右螺距)，活塞螺母受压，活塞螺母与活塞杆通过螺纹连接，杆端承受拉力，即便到达止档以后，活塞杆与桨毂贴平，杆端这段仍承受拉力。

图3 活塞杆杆端尺寸示意图

根据图3可知，当杆端受到拉力时，在距右端面20～22 mm的局部位置，该处整个截面积最小，是整个活塞杆的薄弱截面。从故障现象看，正是该处发生的断裂。

从断口的宏观形貌看，在薄弱截面处属于脆性断裂。这与该材质本身有关，球墨铸铁QT500-7强度与塑性中等，材质脆性较大，不耐受敲击或其它冲击。

我厂10月8日发到艏侧推装置制造厂家的传真中所附《某船艏侧推装置修理调试情况说明》，对整个艏侧推的修理及调试过程进行了较为详实的记述，其中记载了2点事实：①我厂对艏侧推装置进行拆解修理，并恢复安装，过程中对活塞杆进行磁粉探伤，经检测，表面无裂纹性缺陷；②我厂外请艏侧推装置电气厂家服务人员参与调试，电气厂家服务人员擅自对泵站的溢流阀进行调定，据现场人员反馈，压力表读数曾超过10 MPa(即压力表的最大量程)，在调试中途随之发生了9月29日拆检前的故障现象。

从受力分析判断，应是在倒车止档(右止档)时，活塞杆杆端受到冲击，随后发生了断裂。活塞杆到倒车行程止档(右止档)时受力示意图如图4所示，十字头部分的右侧端面与桨毂贴平，系统压力快速升到最大调定压力，活塞对活塞杆的杆端拉力也达最大。

图4 活塞杆到倒车行程止档(右止档)时受力示意图

活塞杆薄弱截面的有关尺寸及油缸的有关尺寸见图4。若活塞杆承受正向拉力断裂，其首先需克服材质的屈服极限，屈服极限取值350 MPa，活塞杆在薄弱截面处拉断时对应的活塞左侧油液压力(即系统压力)设为P冲击，设薄弱截面的面积S薄弱，活塞有杆腔一侧的有效截面积S活塞，P冲击的求解公式如下：

(1)

溢流阀的型号为DBDS10K10/10，压力表的最大量程，额定工作压力4 MPa。经与供应商确认，该直动型溢流阀的压力可以调定到10.5～11.0 MPa，但仍小于P冲击。进一步分析原因，可能需要考虑到在溢流阀工作的瞬间存在超调压力，超调压力指的是系统油液压力超出调整压力的值，是由惯性和阻尼作用产生的。查询机械行业标准JB/T10374-2013《液压溢流阀》(以下简称《标准》)瞬态特性的性能指标，对于公称通径10 mm、公称压力10 MPa的直动型溢流阀(DBDS10K10/10的物理接口属于该型)，要求压力超调率≤80%。若溢流阀的设定压力取10.5 MPa，压力超调率取73%，则系统压力可超过18.135 MPa，而瞬态恢复时间≤50 ms，也基本符合冲击断裂的假设。

但是在《标准》中规定：瞬态特性划归型式试验的范畴。经咨询，供应商并无参考数值，因此不能定量计算。但是却可作为定性分析，结合过程事实，说明溢流阀的压力设定超10 MPa并在建立压力的瞬间产生冲击是活塞杆断裂的直接原因。

其次，在9月29日现场拆检时，外观检查中发现在活塞螺母的凹槽处有局部冲击变形的特征，活塞螺母凹槽处冲击变形图如图5所示，凹槽左侧和右侧的变形清晰可见，推测分别是在拆卸和回装活塞螺母过程中，由我厂安装时操作不当所产生。

图5 活塞螺母凹槽处冲击变形图

活塞螺母安装及钩形扳手示意图如图6所示，活塞螺母安装于活塞杆端部，锁紧之后一侧与活塞端面贴平。其结构类似圆螺母，外形尺寸D88，外圈有4处宽7 mm、深3 mm的凹槽。因活塞杆材料为球墨铸铁QT500-7，若盲目采用敲击4处凹槽的方法拆卸和锁紧，在敲击过程中，其形成的冲击可能引发材质内部产生裂纹，而磁粉探伤过程能检查表面，却不能发现内部裂纹，一旦发生活塞杆在杆端受冲击力过大，内部裂纹进一步扩展，使用中会存在拉断的潜在风险。推荐比较稳妥的安装方法是，根据外形尺寸D88，可选用80～90 mm的钩形扳手(JB/ZQ4624-2006《钩形扳手》)拆卸和锁紧。拆卸时在螺母外形与活塞上划记号线，恢复安装时按照记号还原便可，不需要费很大劲敲击。

图6 活塞螺母安装及钩形扳手示意图

4 解决措施

我厂对此艏侧推装置故障非常重视，收集了大量修理资料和编写相关情况说明，及时联系艏侧推装置制造厂家，编写了修复方案和修理工艺，组织厂内和厂外专家于10月22日在我厂召开原因分析和修复方案评审会。主要解决措施为:①材料由球墨铸铁QT500-7的活塞杆更换为锻打材料的活塞杆，其余尺寸保留原样，锻打材料的活塞杆耐受敲击或其它冲击；②与活塞杆配合的2号滑块磨损有缺陷，对4件滑块全部给予换新，滑块与活塞杆配套生产；③桨毂液压部分内场修理组装和船上回装时，邀请艏侧推装置制造厂家来厂进行技术指导和系统调试。

11月7日，该船艏侧推装置第3次进坞修理。出坞后在海上进行调试时,艏侧推装置仍然存在前面所描述的问题。

艏侧推装置制造厂家服务人员上船后，没有在机旁调试液压系统的溢流阀和手动操纵电磁换向阀，而是在驾驶室用手持终端读取控制模块数据，用手持终端调试和到艏侧推舱机旁控制箱调试控制模块，重新标定螺距，直到打满右螺距时电流反复波动问题排除。11月11日，艏侧推装置进行系泊和航行试验报检，各性能参数满足试验大纲和试验册要求，满足正常使用要求。

5 结束语

我厂排查该艏侧推装置的故障，耗费了大量人力、物力、财力和时间。通过对该故障的原因分析和排查，经验总结如下：① 艏侧推装置是高精密装置，装配要求高，系统复杂，承修者需提高认识，加强理论与实践学习，严格按工艺技术和方案要求检修；②调试时要有较强的机电一体化专业知识，不得擅自对液压系统的溢流阀进行调定；③修理后的艏侧推装置因阻力发生了变化，电流均会改变，只需要用手持终端或电脑重新标定螺距即可。