液压舵机技术要点分析

2023-05-10彭亮亮

中国水运 2023年4期

彭亮亮

（中国船级社浙江分社，浙江宁波 315000 ）

液压舵机通常就是指液压动力转舵系统，是操舵装置的重要组成部分，作为转舵执行机构，常规的结构形式有拔叉式、摆缸式和转叶式，结构组成主要包括转舵机构、动力设备及辅助管路附件。舵机出厂检验时，通常只进行转舵功能性试验，实船上再与操舵装置控制系统、监测/显示报警系统和舵角指示系统组装，进行系泊试验和航行试验，为避免实船安装不到位或试验/使用后才暴露出转舵系统的问题，本文将以拔叉式液压舵机为例，从产品制造、试验和安装三方面进行分析，具体如下：

1 制造过程关键点的控制

1.1 制造厂能力评估

搞清楚制造厂生产流程和特点是准确进行能力评估的前提，液压舵机制造厂通常只生产转舵机构和液压动力装置，在工厂自制的试验台架上进行功能试验，具有以下主要特点：①外购原材料和零部件，自制油缸；②零部件热处理、表面处理外协；③无材料理化试验和无损检测能力，委托第三方进行；④在工厂试验平台上进行加载试验，连接管路、操控与报警系统都是试验台专用，限位器的安装、舵机底座安装方式都可能与实船不同。

因此，对认可工厂的制造能力评估应特别注意：①合格供方清单及控制方式，是否满足我社规范对舵机的持证要求；②生产工艺、检验规程的完整性，应覆盖整个生产过程，包括外协工序。③重要原材料的验收要求，如自制油缸的原材料，工厂必须建立的原材料验收程序中，应包括对缸体、柱塞、销轴等主要受力零部件材料的复验要求，一般包括理化试验和无损探伤，特别是进行热处理时，必须重新检测。④焊接工艺和焊工的认可范围应能覆盖到承压壳体、管路及其支承结构。施焊环境（包括工装）应能确保这些关键部件的焊接质量。⑤理化试验委托我社认可机构或权威机构，特别注意取样时应经验船师确认材料标识与质保书的一致性，当委托权威机构时，还需要见证全部试验。⑥无损检测都选择认可机构，当制造厂自己实施时，能力评估应包括操作人员资质，以及程序文件、工艺文件等是否纳入质量体系控制范围。⑦模拟加载试验台架的能力和完整性，转舵能力一般参照CB/T3130《液压舵机试验方法》进行评估，需要特别注意与舵机进行联调的控制系统和报警系统功能的完整性。

1.2 舵机质量控制

拔叉式液压舵机，质量控制的核心就是油缸（见图1）的质量，控制点包括原材料、加工、焊接、装配精度。

图1 油缸装配图

首先是原材料的控制。根据《钢质海船入级规范》第3 篇第13 章第1 节，操舵装置的受力部件应为钢质或其他的韧性材料制成，通常材料的延长率不小于12%，抗拉强度不超过650mm/N2,材料复查和复验时应注意该性能要求。此外，容易出错的还有缸体的材料标准GBT8162 和GBT8163 的选择错误（见图2），由于两者性能指标不同、用途不同，不能混淆，差异对比见表1。

表1 GBT8162 与GBT8163 对比

图2 拟用于制造舵机油缸的无缝钢管标准选择错误

再者就是缸体上的焊接，包括闷头与缸体的焊接、套环与缸体的焊接，以及缸体上进出油口、压力座、放油塞的焊接。承压和传递机械负荷位置的焊接都应考虑全焊透，并通过无损检测和液压试验予以验证。图3 是有设计缺陷的节点图，不仅闷头、压力座与缸体未设计成全焊透形式，而且两条焊缝的位置重合，容易造成或扩大焊接应力，图4 是优化后的焊接节点，能够有效解决承压位置的焊接质量和减少焊接应力。

图3 焊接节点图

图4 优化后的焊接节点图

此外，还应注意柱塞的结构形式，根据我社指南要求，柱塞的剪切和抗压强度计算都是基于横截面面积，因此，柱塞为实心圆钢，而不是钢管加闷头焊接的结构形式（见图5）。

图5 钢管加闷头焊接的柱塞

还有就是装配与精度控制，重点关注两个油缸公共轴线的同轴度、柱塞销轴安装的垂直度、销轴与柱塞间隙与贴合、滑块与导板的间隙与贴合，避免精度超差，导致运动件受力不平衡、异常磨损，长此以往就可能导致舵机结构破坏等严重后果。此外，装配完整性不能忽视，哪怕只是一颗螺丝钉，我社指导验船师李宁在对韩通赢吉DWT38000 化学品船舵机损伤事故的分析中，就指出导致事故的直接原因就是下部滑块螺栓未紧固，使用后逐渐松动，导致滑块脱落。

图6 滑块紧固螺栓安装图和事故照片

1.3 液压动力系统质量控制

液压动力系统包括电机、液压泵、管路、阀及附件、油箱和传感器。首先，液压管路、接头、阀、法兰和其他附件都应I 级管系的要求；安全阀的设置应覆盖到每套动力源，开启压力不小于最大工作压力的1.25 倍，其最小排量不低于可能通过这些阀排放的所有泵总容量的110%；隔离阀的安装，对于非双套设置的转舵机构，都是将隔离阀直接装在液压缸体上，为确保各套动力系统间能有效转换，可在隔离阀上安装操作手柄（图7）。

图7 隔离阀操作手柄

此外，规范13.1.12.1 要求液压泵应经过100 小时的持续试验，因此，对液压泵的持证要求不仅是要有产品证书，而且需要提供按舵机油泵要求进行的耐久试验报告，否则不能用于舵机液压动力系统，除非在舵机型式试验时同步进行100 小时的耐久试验。

最后，滤器、冷却器、各类监控报警用的传感器的安装应该完整，以便进行联调试验。特别注意冷却器的配备，除非液压油及液压元器件的选择给予了特别考虑，否则都应配备油冷却器；对于不进行两套动力装置同时运转工况的舵机，方能不设置液压阻塞报警，此时也必须在产品证书和安装使用说明书中明确。

2 试验关键点的控制

为确保出厂试验的准确性，初次认可时需要对试验台架进行评估，包括加载系统能力、控制系统、监测报警、测试仪表等试验设备的完整性，还应确保加载系统本身的可靠性和安全性。

试验前，对舵机在试验台上的安装检查，除核查证书报告一致性和符合性外，还需特别注意小零部件是否安装齐全，如传感器、限位器、紧固螺丝，监测报警的接线是否正确和完整。同时，还建议通过记录审核和现场抽查的方式来确认制造工艺得到有效落实，因为从很多舵机案例来看，很多都是归结于小零件失效，或工艺执行不到位导致零件损坏所致。

试验过程中，一般首先对液压动力系统进行测试，确保动力系统的电机、油泵、管路及阀件等附件无异常，并通过模拟试验确认监测报警点能正常工作。进行转舵机构转舵能力和功能测试时，试验项目从空载开始，逐级加载至额定负载，测试中详细记录试验数据，包括舵角、转舵时间、油压、输出扭矩、电机功率、油温，以及转舵机构工作状况，是否存在异常等。对于安全阀开启、报警隔离与转换等功能试验时均需要进行多次试验，以验证功能稳定性，一般不少于三次。

3 实船安装关键点的控制

舵机实船安装，涉及整个操舵装置，包括舵机、操舵装置控制系统、监测/显示及报警系统、舵角指示系统的互联互通。因此，我们不仅应关注舵机油缸、舵柄、液压管路等主要受压、受力部件的安全及在船上是否正确安装，也要关注操舵装置的其他设备是否正确安装，联动功能是否能正常工作。

近年来，出现的船舶失舵、搁浅、碰撞案例，都与操舵装置未能正确安装有关如：

（1）电气舵角指示系统供电连接、安装位置及数量不正确，如图8，该类型液压舵机，由于机械舵角都是采用刻度尺固定在油缸上，就地操舵人员观察会受影响，故实船安装时，都需要在操舵人员的正前方安装电舵角指示器。

图8 舵机舱舵角指示器未安装在操舵人员正前方

（2）限位舵角行程开关的安装位置及数量不正确，如图9，两套行程开关安装在相邻位置，一般应调整在水平和垂直位置上，避免相互干扰影响，此外，选择限位器时还应考虑到当该开关输出不起作用时，不会在转舵机构运行到机械限位舵角过程中被破坏，即不能卡住活动部件。①连接螺栓防松措施未安装；②电磁阀/电液换向阀系由直流电控制时，船上该电磁阀/电液换向阀的电源电压过低；

图9 行程限位器安装位置缺陷

而且从这些案例的分析结果看出，发生事故的原因主要是由于小零件未按要求正确安装所致。这些问题短时间内不会影响操舵装置的正常使用，即使在船舶系泊试验、航行试验中可能很难发现这些问题，因此，需要舵机生产厂根据其舵机设计特点，不仅要提供操作使用说明书，还应根据船舶设计特点给出操舵装置安装复查要点，以便于船员、验船师核查。一般包括：①舵机的适用条件、功能特点；②各螺栓连接的防松措施的要求；③限位舵角行程开关的设置（包括行程开关的数量及位置）；④电气舵角指示系统供电连接、安装位置及数量；⑤机械舵角指示器设置的位置；⑥配用电磁阀/电液换向阀规格型号、公称流量或通径、公称压力、控制电源要求。如为直流电磁阀/电液换向阀，其电压范围要求；⑦液压油柜的安装高度要求（如液压泵不与油箱整体安装）；⑧推荐的液压油型号及适用温度范围；⑨舵机制造厂认为需要关注的其他要求，如密封圈使用寿命。