CPP故障实例解析

庞宏伟 交通运输部北海救助局

1.故障现象

某船配置双车可变螺距推进装置（型号：VBS 1020 MK5）。在某次定速航行中，值班人员检查发现右CPP伺服油压维持在4MPa左右，监控电脑与机旁表压显示相同，对比观察，左CPP伺服油压稳定在3MPa（调节阀设定压力）。进一步检查发现：右车指令与反馈螺距差在4%-7%之间变化；左车螺距差位于+/-1%--+/-2%范围内。根据推进控制系统工作原理可知，当指令与反馈螺距差超过+/-3%时，推进控制系统发出指令，比例换向阀得电，压力油进入伺服油管，驱动螺距操纵机构，螺距改变，使螺距差为0，系统指令撤销，螺距角通过液压锁被油液锁定。密封处正常的微量泄漏和温度的改变带来的油液体积变化，会引起螺距变化，当螺距差超过+/-3%时，推进系统自动重复上述控制过程。定速航行时，正常情况下，螺距变化非常缓慢，螺距差长时间处于+/-3%的范围内，推进控制系统无操作指令发出，油泵泵出的伺服油，经油压调节阀旁通，回流至油箱，无油液进入伺服油道，油压维持在3MPa（调节阀设定压力）。显然，右车过大的螺距差和持续过高的伺服油压是不正常的。

2.故障分析、查找

螺距的控制由电控系统和液压执行机构协同工作实现，电控系统和执行机构都可能是故障的原因。为了提高工作效率和做出准确判断，把液压执行机构和电气控制隔离，进行机械试验。

2.1 CPP机旁应急操作工作原理

螺距控制由遥控转到机旁，机旁螺距控制为切除反馈的开环控制--人为控制比例电磁阀通、断电。机旁螺距控制见CPP伺服油系统原理图（图1）。

图1 CPP伺服油系统原理

2.1.1 机旁螺距操作原理

操作手动旋钮，比例换向阀4左侧或右侧电磁线圈得电，阀芯移动，来自油泵的压力油经滤器10、换向阀4、液压锁23、轴系内部油道进入进或倒车伺服油缸，推动伺服活塞向前或向后移动，通过十字头传动，实现螺旋桨螺距的变化。

当伺服油进入伺服油管时，压力油经梭阀12进入压力调节阀5的控制端，压力调节阀5关闭，伺服油管内油压升高，提高了伺服活塞的动力。

2.1.2 机旁操作停止原理

释放手动旋钮，比例换向阀4电磁线圈失电，阀芯回中，P口被封住，A、B、T口相互联通；液压锁23前部伺服油经换向阀4泄放至油柜，液压锁前部管路失压，伺服活塞前后的伺服油被液压锁23锁定，螺距角大小保持稳定。

当液压锁前部管路失压时，压力调节阀5的控制端油压通过梭阀12 释放，压力调节阀5 把阀前管路油压维持在3MPa（调节阀设定压力3 MPa），为下次螺距操作储备压力。

2.2 CPP机旁应急操作试验

在艉轴转速为0rpm状况下，进行左、右螺旋桨进、倒车操作试验，记录数据见表1。

从表1可看出：右推进系统在油压稍大的情况下，进、倒车完成时间均长于左推进系统。由此现象分析可得：伺服系统故障泄漏可导致进油量不足，造成进、倒车完成时间过长；阀件的磨损、卡阻和油管连接异常都可能是泄漏的原因。

表1

启动主机，合离合器，在螺旋桨怠速转动状况下，进行机旁螺距操作试验。当控制转换到机旁时，右CPP螺距会自发往倒车方向漂移。根据桨的旋转方向和桨叶的形状分析，当螺旋桨旋转时，桨叶受到水流的推力会使螺距产生向倒车方向变化的趋势，液压锁23对油液的止回作用阻止了这种变化的发生。依据现象分析得出原因：进车油路上液压锁23可能发生故障，丧失止回功能，进车管路油液泄漏；或液压锁23后部管路密封部位损坏，导致进、倒车油路联通，使伺服活塞处于自由状态。

2.3 液压锁拆检

打开ODF19（油分配单元）端盖，拆卸液压锁23（见图2）检查，单向阀（见图3）外观正常，密封圈状况良好，阀芯移动灵活，密封面良好，止回功能正常。

图2 液压锁

图3 单向阀

2.4 综上可得

排除了液压锁故障的可能后，初步确定轴系内伺服油管的某连接松动，或伺服活塞密封圈损坏，导致正、倒车液压油在松动的接头处或伺服活塞处旁通，产生螺距漂移、操桨速度变慢的现象。

3.泄漏方式分析、判断

伺服活塞密封状况不容易直接判断，先从伺服油管连接状况检查做起。各段伺服油管、伺服活塞通过法兰紧固连接，形成一个整体，构成伺服油路；伺服油管前起于ODF，贯穿于齿轮箱、中间轴、艉轴、桨榖之中，后止于伺服活塞，伺服油管中心孔腔构成进车油道，外侧形成倒车油道；伺服油管连接数量众多，连接松动会造成密封不良，可能成为内部泄漏的原因。

拆掉ODF端盖，从伺服油管前端拆掉磁性圈，装上2个M12螺栓，用工具试转伺服油管见图4。

图4 试转伺服油管

伺服油管被轻松转动。正常情况下，旋转的桨榖通过十字头带动伺服油管、伺服活塞一起旋转，但人力驱动伺服油管带动桨榖旋转是困难的；所以可判定易转动的伺服油管很可能是某处连接松动造成的，而非与桨榖一起转动的结果。伺服油管法兰连接见图5。

图5 伺服油管法兰连接

3个紧固螺栓7强大的拉力使法兰1、2、伺服油管3、4、插件8相互挤压，形成牢固连接，密封圈5、6实现管路密封。螺栓松动会造成零件接触面压力减小，摩擦力减小，零件易发生相对转动，密封损坏。由上述现象分析可得：伺服油管连接松动造成油液內泄的分析是合理的。

4.故障点定位、解决问题

从伺服油管连点接数量和检修工程量方面考虑，连接艉轴与中间轴的可拆液压联轴附近的油管连接，是伺服油管分段检查的合适隔离点。松开液压联轴节，向后移动合适距离，暴露出一处油管连接，见图6。

图6 液压联轴节处伺服油管连接检查

检查3根螺栓松动；后法兰倾斜，与插件失去装配位置；连接松动，整套连接可轻易转动。拆卸管连接，分解插件，插件两端密封圈均已断裂，且部分缺失（见图7）。

图7 插件分解

据现象分析，断裂并缺失的密封圈导致泄漏，使得伺服油管内部进车油道与外部倒车油道联通；由于连接未完全失位，不会导致大量泄漏；当螺距操作范围较大（螺距差较大）时，比例换向阀开度较大，伺服油流量较大，部分泄漏对螺距的操作影响不明显；当螺距操作范围较小（螺距差较小）时，比例换向阀开度较小，伺服油流量较小，部分泄漏对螺距的操作影响较大，当进油量与泄漏量达到平衡时，螺距停止变化，螺距差保持稳定且达不到系统设定值，导致控制系统不断发出指令，比例电磁阀得电，伺服油压持续存在，不能撤出。

对整个系统而言，彻底查出所有泄漏位置，才是解决问题的根本。在已拆连接处，用工具锁住前部的油管，在伺服油管的前端再次人力试转，油管不易被转动；人力试转后部油管，也不易被转动，可判断其余油管连接紧固，泄漏几率很小，除非密封圈出现问题。

更换损坏密封圈，装复油管连接，按要求力矩紧固法兰螺栓，并用钢丝锁紧。右车机旁操作试验，螺距漂移现象消失，螺距操作速度正常；遥控操作试验，螺距差大小正常，螺距操作指令消失，伺服油压正常。正常的试验结果表明伺服活塞密封状况良好。

5.结论

综上所述，液压联轴节处伺服油管连接松动，密封圈断裂、缺失，使油管内部正车油道与外部倒车油道联通，发生内漏，产生流量损失和液压锁定失效，导致：机旁位时（电控系统切除），螺距自发向倒车方向快速漂移，螺距完成较慢；遥控位时，螺距差较大且持续存在，达不到系统要求，控制系统不断发出操作指令，比例电磁阀持续得电，伺服油压一直存在，不能撤出。

6.油管连接故障分析及改进建议

彻底解决问题需找出根本原因，油管连接故障需进一步分析。

6.1 密封圈断裂分析

油管连接松动，零件配合间隙增大；在高油压作用下，橡胶材质的密封圈被拉伸变形，部分伸出环槽，受到挤压，在环槽边缘处被切断；同时，零件由连接松动造成的相对转动，加速了密封圈的磨损、断裂。

6.2 油管连接松动原因分析及改进建议

从装配上分析。螺栓松动，可造成连接松动。建议采用最佳的螺栓锁紧方式，如：锁紧钢丝、螺纹胶、尼龙锁、焊接。

从材质上分析。零件材质的特性，关乎到连接的可靠性。建议采用耐腐蚀，耐磨损，刚性合适的零件材料。

从结构设计上分析。增大螺栓、螺纹尺寸；优化连接结构设计。

从操作方式上分析，如非必要，禁止频繁、大范围螺距操作，以减小伺服油管瞬时扭矩冲击，当船舶处于重载或恶劣海况时，用车更应谨慎。

7.结束语

就本案例而言，“伺服油管连接的松动，导致伺服油内部泄漏发生，进而使螺距控制发生异常”这种故障很少发生，但不代表不会发生，这警示我们：在遇到问题时，打破惯性思维，思考问题要全面、缜密。在本案故障查找的过程中，“推进控制由遥控转至机旁，把控制系统和机械隔离开，进行试验，快速判断出机械故障；拆卸液压联轴节附近的伺服油管，把伺服油系统分成两个部分，分别进行检查、判断，准确找出故障位置”警示我们：当遇到难以解决的复杂问题时，一定要把机械和电控系统隔离开，先判断机械状况，因为机械故障会影响到电气控制，这样做，容易辨明问题的方向，使问题简单化；当查找机械故障时，根据结构特点，找出合适的隔离点，采用分段检查、部分排除的方法，可以减少工作量。最后还告诫我们：发现问题，及时解决，消除隐患于萌芽之中，避免问题恶化、发生重大事故。