舵机安全阀排量的计算分析及其检验要点

2021-11-12王兆晖

江苏船舶 2021年6期

王兆晖

(中国船级社质量认证公司南京分公司，江苏南京 210015)

0 引言

舵机是船舶重要的机械设备之一，它控制着船舶的转向和航向，对船舶安全发挥重要的作用。舵机安全阀，其作用是防止舵机液压系统中的压力升高超过系统设计压力，造成管道爆裂、电机过载、系统失效。我国CB/T 972—1994标准[1]、《钢质海船入级规范》(2018)[2](下文简称《钢规》)、《钢质内河船舶建造规范》(2009)[3](下文简称《内规》)，对舵机安全阀排量均有技术要求。国外对舵机安全阀也有相关规定，如：美国船级社ABS规范[4]。

目前，在舵机检验时发现：舵机的安全阀一般未持有CCS产品证书；在案卷归档时也未能将安全阀的质量证明书纳入案卷；在安全阀选型时设计人员并未考虑其排量问题，只是根据经验选择安全阀。因此，舵机检验时船检人员必须对安全阀排量足够重视，以确保船舶安全运营。

本文以某160 kN·m舵机为研究对象，首先根据舵机计算，结合CCS规范对舵机安全阀的技术要求，分析安全阀选型时的依据；最后提出在舵机现场检验中关于安全阀问题的建议，以此减少检验中的风险，提高检验质量。

1 某舵机安全阀的配备问题

某160 kN·m舵机配备的防止超压的安全阀主要形式有溢流阀、舵机专用阀2类。在现场检验时发现，安全阀排量的选取与规范要求不一致。

(1)主要参数

某160 kN·m的舵机，转舵时间为12 s，其主要技术参数如下：

公称扭矩160 kN·m；柱塞直径175 mm，舵柄半径450 mm，最大工作压力13.5 MPa；配用电机型号180M-4-H，功率18.5 kW，转速1 470 r/min；配用油泵型号63SCY14-1B，排量63 mL/r；配用安全阀排量100 L/min。

(2)舵机安全阀的配备问题

计算油泵的排量：63 mL/r×1 470 r/min=92.6 L/min。根据《钢规》和《内规》关于“安全阀最小排量，应不低于可能通过这些阀排放的所有泵总容量的110%” 的要求，安全阀的配用排量应满足1.1倍泵的排量，所以其排量应为:92.6 L/min×1.1=101.8 L/min。配用的安全阀排量低于规范要求的值。

2 舵机计算过程及分析

2.1 舵机计算过程

根据CCS规范的要求，分析舵机计算过程。

(1)公称转舵扭矩时推舵装置的压差△P为

式中：ΔP为工作压差，MPa；M为公称转舵扭矩，M=160 kN·m；D为柱塞直径，D=175 mm；R为舵柄半径，R=450 mm；α为工作舵角，α=35°；ηm为推舵装置机械效率，ηm=0.85。

经计算，△P=11.7 MPa。

(2)最大工作压力PH

最大工作压力是指液压舵机在输出公称转舵扭矩时泵的出口压力，计算方法如下：

PH=△P+Pb

式中：PH为最大工作压力，MPa；Pb为系统压力损失(包括背压、不同的控制系统Pb值略有不同),本计算取Pb=1.8 MPa。

经计算，PH=13.5 MPa。

(3)设计压力PS

舵机的设计压力PS应取最大工作压力PH的1.25倍，即：PS=1.25PH=16.9 MPa。

(4)推舵装置活塞单行程需油量q

活塞单行程需油量是指舵从一舷35°至另一舷30°油缸所需供油量。

对于拨叉式推舵装置，需油量按下式计算：

式中：q为活塞单行程需油量，L；ηv为液压缸容积效率，ηv=0.98。

经计算，q=14.1 L。

(5)最小供油量QH

最小供油量QH是指保证舵机按规定的转舵时间t工作时，液压泵应至少提供的油量。

式中：QH为最小供油量，L/min；t为转舵时间，t=12 s；ηcv为系统容积效率，ηcv=0.95。

经计算，QH=74.2 L/min。

根据现有泵的排量，选取与最小供油量相比略大的泵，其排量为92.6 L/min，液压泵型号为63SCY-14B。

(6)液压泵轴功率NH的计算

式中：NH为液压泵轴功率，kW；ηP为液压泵总效率，ηP=0.85。

经计算，NH=19.6 kW。

按照CCS规范的要求，电机在工作压力下可以有一定的过载，但其过载系数设计时一般不超过1.28倍，故选择的电机型号为Y180M-4-H，其功率为18.5 kW。

2.2 计算结果分析

(1)舵机计算书中未对安全阀的参数进行计算，但在液压原理图中标明了安全阀的技术参数：舵机安全阀排量为100 L/min。

(2)根据CCS规范的要求：泵的排量为92.6 L/min，其安全阀的排量应至少为1.1倍泵的排量，即101.8 L/min。但在选择安全阀型号时，根据系统的最大工作排量，一般根据泵的最小供油量选取。实例中，舵机最小供油量为74.2 L/min，按照规范要求，安全阀最小排量应为1.1倍泵的排量，即74.2 L/min×1.1=81.6 L/min。按照此原则选择的安全阀排量为100 L/min，完全满足规范的要求。

(3)在对比CCS规范(《钢规》和《内规》)、船舶标准(CB/T 972—1994)和ABS船级社规范发现，对舵机配备的安全阀在调定压力的要求均一致，但在对安全阀排量的要求描述中有一定的差异：

《内规》中第13.1.7.2(2)条要求：安全阀最小排量，应不低于可能通过这些阀排放的所有泵总容量的110%，在此情况下，压力的升高应不超过调定压力的 10%；

《钢规》中第9.1.10.1条要求：安全阀的最小排量应不低于通过安全阀排放的泵的容量的110%，在此情况下，其压力的升高应不超过整定压力的10%。

船舶行业标准CB/T 972—1994规定：当安全阀通过主泵最大工作排量110%排量时，其压力不得超过安全整定压力的10%；

美国船级社ABS规范中规定：“Each relief valve is to be capable of relieving not less than 110% of the full flow of the pump(s) which can discharge through it.”即：每个安全阀的排量应不少于通过其排出泵的全部排量的110%。

CCS规范强调的是安全阀的排量应根据所配备的泵的排量确定，而船标和ABS规范明确的是应根据泵的最大工作排量确定。这不同之处在实际的选型时差别其实很大。如果选择的泵为定量泵，两者的计算要求是一致的；但如果选择的是液压泵，由于其排量是可调整的，差别就较大。这是因为厂商在确定泵的排量时，已经放大了一个安全系数。上述的计算显示按照2种选型方式确定的安全阀的排量至少分别为101.8 L/min和81.6 L/min。

(4)为了节省部分成本，设计时在系统最大工作排量的情况下所选择的电机可以有一定的过载系数(一般不超过1.28)。如果调试时选择的排量过大，即舵机转舵速度过快，则会造成电机过载而烧坏，因此在舵机调试时，设定的转舵速度一般稍大于设计的转舵速度，以确保电机不会产生较大的过载。但是否有可能在实际生产调试的过程中将系统的最大工作排量调整为泵的额定容量。通过计算书和设计人员的沟通可以确认，这种情况一般是不会发生的，所以安全阀选型时，对于规范中要求的系统最大工作排量，按照液压泵的标称排量考虑过于浪费，应根据计算出的液压泵最小供油量考虑，在经济性和安全性上都能符合要求。