主動式可收放減搖鰭單邊鰭角故障分析與排除

馬法劍

北海救助局，山東威海 264000

1 減搖鰭設(shè)備概述

1）隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，人們對船舶航行安全性和舒適性有了更高的要求，近年來船舶減搖設(shè)備大量應(yīng)用于各種船舶，尤其是客船、公務(wù)船、科學(xué)考察船、專業(yè)救助船減搖鰭使用非常普及。本文重點介紹一種大型主動式可收放減搖鰭裝置。

2）減搖鰭工作原理

船在風(fēng)浪中航行時，受風(fēng)和波浪力的作用，船會產(chǎn)生橫搖、縱搖、升沉等各種運動，其中橫搖最為劇烈，減搖鰭裝置就是用來減小船的橫搖角。減搖鰭裝置中的鰭類似魚的側(cè)鰭一樣工作減小橫搖。鰭成對地安裝在船的“腹部”兩側(cè)，船在風(fēng)浪中航行時，減搖鰭裝置中橫搖角信號傳感器（一般為角速度陀螺），檢測出船舶橫搖角速度信號，該信號為電信號，經(jīng)一系列的處理、放大、電液轉(zhuǎn)換、驅(qū)動鰭轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的角度，鰭在水流作用下產(chǎn)生“升力”，兩個鰭的轉(zhuǎn)角大小基本相等，方向相反，形成一個與波浪力矩方向相反的力矩（穩(wěn)定力矩）（圖1）從而使船的橫搖角減小。

圖1

2 BHJxxx輪可收放式減搖鰭介紹

2.1 設(shè)備基本參數(shù)

1）一對帶襟翼的收放式鰭，鰭軸中心置于#46.5肋骨平面處；

2）鰭型：NACA-0027-0015；

3）鰭面積：6.99m2；

4）鰭展長：3740mm；

5）鰭弦長：1870mm；

6）鰭工作轉(zhuǎn)角：在【-20°, +20°】之間；

7）鰭電氣保護(hù)角：±22°；

8）鰭機(jī)械限位角：±24°；

9）功率：75kW。

2.2 性能參數(shù)

1）船在設(shè)計狀態(tài)，6級海況橫浪條件下，以15kn 航速航行減搖鰭工作，船的平均剩余橫搖角為 5°；

2）裝置在 9 級海況下能安全使用，裝置的合理使用航速為 13kn～18kn；

3）裝置可連續(xù)工作；

4）裝置具有生搖功能；

5）自動保護(hù)功能。

按下停止按鈕或裝置發(fā)生故障時（非液壓系統(tǒng)失壓），鰭可自動完成歸零（鰭角回到±3°以內(nèi)）、收進(jìn)鰭箱、鎖緊這一系列動作。

裝置具有鰭角超過±22°（±1°）、油溫高于60℃(±3℃)報警，自動停機(jī)功能。

裝置在油箱油位過低（下降到油箱凈高度的1/3）、補(bǔ)油壓力過低時立即自動停機(jī)，并發(fā)出報警信號。

裝置根據(jù)航速變化有調(diào)節(jié)功能：高于設(shè)計航速時，通過PLC,按一定規(guī)律，將鰭角減小，避免鰭軸受過大的應(yīng)力；航速低于6kn（±1kn）時，鰭能自動歸零，收鰭，鎖緊。

主泵、附泵出現(xiàn)故障時，通過應(yīng)急泵可使鰭歸零，收入鰭箱，鎖緊。

另外，在系統(tǒng)不通電的情況下，搖動手動泵，通過手動液壓回路可使鰭歸零，收入鰭箱，鎖緊。

3 裝置的主要組成

圖2 減搖鰭布局示意圖

如圖2所示，本船的減搖鰭裝置由電控分系統(tǒng)，液壓分系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。

3.1 電控分系統(tǒng)

有弱電控制部分、強(qiáng)電操縱拖動部分和工況顯示部分，它的使命是使減搖鰭裝置按設(shè)計的程序自動工作，按控制規(guī)律減小船舶在風(fēng)浪航行中的橫搖角?？刂瓶驁D見圖3。

圖3

電控分系統(tǒng)的設(shè)備主要有減搖鰭裝置控制箱，減搖鰭裝置啟動箱，減搖鰭裝置控制器和液壓機(jī)組上的接線箱。

3.2 液壓分系統(tǒng)

本液壓分系統(tǒng)是一套“電-液隨動系統(tǒng)”。隨動系統(tǒng)接受控制器信號，完成信號的功率放大，驅(qū)動鰭跟隨控制信號運動，隨動系統(tǒng)能“快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定”的工作，使鰭角盡可能準(zhǔn)確的跟蹤控制信號。每個鰭均有一套獨立的電-液隨動系統(tǒng)驅(qū)動。它的工作原理如下：經(jīng)電控分系統(tǒng)處理后的船舶橫搖角速率信號，送入綜合放大電路后與鰭角反饋電壓及局部反饋電壓代數(shù)求和，再經(jīng)主放大器調(diào)制放大，然后送入控制變量油缸的伺服閥。泵斜盤位移傳感器（裝在變量泵上，檢測變量泵的斜盤角位移）、變量泵以及轉(zhuǎn)鰭油缸組成了一個容積式調(diào)速系統(tǒng)，它根據(jù)送入伺服閥的信號的大小，使鰭以一定的速度運動，裝在鰭軸末端的直線位移變壓器也隨之轉(zhuǎn)動，它輸出的電壓經(jīng)解調(diào)后成為鰭角反饋電壓。鰭角反饋電壓被送回到綜合放大電路與輸入信號進(jìn)行比較。當(dāng)這兩個信號大小相等，極性相反時，差值趨近于零，鰭就停止轉(zhuǎn)動。這樣，根據(jù)輸入信號的大小，可以使鰭轉(zhuǎn)動到一個指定的角度，實現(xiàn)了隨動轉(zhuǎn)鰭的目的。變量油缸運動時會帶動一個傳感器運動，傳感器的輸出電壓也送回到綜合放大電路，用以提高隨動系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)。于是按減搖鰭裝置的控制規(guī)律，為轉(zhuǎn)鰭回路提供壓力油，驅(qū)動鰭按控制規(guī)律轉(zhuǎn)動。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是減搖鰭系統(tǒng)的執(zhí)行器，它的主要使命是轉(zhuǎn)鰭，并將鰭上產(chǎn)生的升力傳到船體上，形成減搖力矩。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有十字頭、上下軸承座、轉(zhuǎn)鰭油缸、導(dǎo)向套筒、導(dǎo)向活塞、連桿、鰭柄、鰭軸、軸承、鰭、密封裝置、收放鰭裝置、鎖緊裝置、鰭角發(fā)送器等組成。

4 故障實例

BHJxxx輪右舷減搖鰭只有單邊鰭角，且超鰭角報警致使設(shè)備保護(hù)性停止運行。

4.1 故障現(xiàn)象

在趕赴參加北海艦隊組織的海上救助演習(xí)途中遇到惡劣海況，減搖鰭在運行中發(fā)生故障，右側(cè)鰭顯示超鰭角報警并自動停止運行，鰭無法自動收回。檢查液壓系統(tǒng)均正常，使用應(yīng)急操作系統(tǒng)可以收放設(shè)備，但重新開啟減搖鰭后發(fā)現(xiàn)只有單邊鰭角顯示，而且轉(zhuǎn)鰭后鰭角沒有回復(fù)動作，而是逐漸積累直到鰭角超限報警，然后設(shè)備自動停止運行。

4.2 故障分析與排除

根據(jù)故障現(xiàn)象和現(xiàn)場檢查可以確定液壓系統(tǒng)主回路沒有問題，主電路沒有問題。因為應(yīng)急操作可以收放說明機(jī)構(gòu)沒有問題。經(jīng)觀察工作過程中轉(zhuǎn)鰭油缸確實只有單方向動作，排除了反饋原件的問題，因此故障范圍基本可以縮小到控制系統(tǒng)，可能是電氣回路部分，也可能是液壓控制回路部分。為了便于分析我們來看一下控制系統(tǒng)布局框圖（如圖4）和液壓控制部分的一個關(guān)鍵元器件------電液伺服閥（如圖5）。

圖4

圖5

電液伺服閥，型號為CSDY1-30，它是本液壓系統(tǒng)中最精密的元件，也是減搖鰭裝置中的關(guān)鍵件。其工作原理如下：

經(jīng)精密過濾器來的高壓油進(jìn)入伺服閥的P腔，一路經(jīng)閥中的小濾器進(jìn)入射流管，射流管的壓力油射向左端或右端接受器。來自伺服放大器的控制電流加到力矩馬達(dá)的線圈上，當(dāng)控制電流使射流管的壓力油經(jīng)左端接受器進(jìn)入閥芯左端時，壓力油推動閥芯右移，P腔中的壓力油進(jìn)入“C1”腔，而“C2”腔中的油進(jìn)入R回油口。C1和C2分別接變量油缸的上、下腔。控制電流極性改變時，射流管中的壓力油噴射方向亦改變。

圖6

從電液伺服閥的工作原理可知，如果伺服閥的線圈有一側(cè)不能上電，一側(cè)可以上電，則會發(fā)生本例故障現(xiàn)象。如果是伺服閥主閥閥芯在一側(cè)卡阻也會發(fā)生單邊有鰭角，但是由于閥芯不能獲得平衡回位，故障現(xiàn)象將表現(xiàn)為一次性轉(zhuǎn)鰭超限，而不是逐漸積累到超限報警。

綜合分析應(yīng)該是伺服閥線圈一側(cè)不能上電造成的，順著這條線進(jìn)行查找，逐一排查發(fā)現(xiàn)電控箱輸出信號正常，于是拆檢伺服閥線圈接線，發(fā)現(xiàn)其中一根電線接頭處開焊。處理好接線頭后上電故障排除（如圖6所示）。

4.3 排障小結(jié)

電液設(shè)備排障相對來說較為復(fù)雜，由于電液聯(lián)系較為緊密，一個電線接頭或小小的閥芯卡阻都能造成復(fù)雜的問題，必須對整個系統(tǒng)綜合考慮，深入了解設(shè)備的工作原理，認(rèn)真觀察故障現(xiàn)象，從細(xì)微處了解各種故障的差別，這樣才能思路清晰，在排障的時候就能夠少走彎路，準(zhǔn)確的找到故障點并進(jìn)行正確處理。

5 減搖鰭的維護(hù)保養(yǎng)

5.1 常規(guī)檢查

該減搖裝置全過程自動控制，但為了以最低的產(chǎn)品故障，獲取本設(shè)備較長的使用壽命，較滿意的使用效果，設(shè)備長時間連續(xù)工作時，要求做適當(dāng)巡檢。巡檢過程中，重點注意以下內(nèi)容。

1）平時多留意設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時的聲音。發(fā)現(xiàn)聲音異常時，停機(jī)檢查分析故障原因；

2）觀察油液狀況，如泡沫太多或油液混濁，應(yīng)視為故障處理，停機(jī)檢查；

3）觀察設(shè)備是否有漏油、滲油現(xiàn)象；

4）檢查設(shè)備是否過熱；

5）確保設(shè)備動作范圍內(nèi)無任何障礙物。特別收放過程中，留意有無聲音異?；驂毫^高現(xiàn)象；

6）觀察鰭轉(zhuǎn)動是否正常。使用時，多注意觀察正常運轉(zhuǎn)時鰭轉(zhuǎn)動速度，如果發(fā)現(xiàn)鰭轉(zhuǎn)動速度顯著低于正常速度，表明系統(tǒng)中某部位出現(xiàn)故障；

7）液壓系統(tǒng)的壓力是否在正常范圍。

5.2 維護(hù)與保養(yǎng)

1）運轉(zhuǎn)100小時后，檢查安裝所有安裝螺栓和內(nèi)六角螺釘是否松動；

2）檢查驅(qū)動連接和管道連接的安全性；

3）及時將檢修操作后設(shè)備上的殘油全部擦拭干凈，以方便以后判斷系統(tǒng)是否漏油；

4）按濾器制造商推薦，定期清洗或更換濾器元件；

5）定期對泵外殼泄油進(jìn)行檢查，可判斷出泵性能是否已經(jīng)變差；

6）保持設(shè)備清潔，油缸活塞桿等運動部件外伸部分表面涂潤滑脂；

7）執(zhí)行機(jī)構(gòu)各油杯潤滑部位，確保各部位的潤滑；

8）控制器、啟動箱的箱蓋應(yīng)緊閉，以免電氣設(shè)備嚴(yán)重受潮；

9）定期檢查箱中的接插件跟插座、端子跟電纜線是否處與良好的接觸狀態(tài)，航空插頭的焊線是否可靠；

10）設(shè)備不用時，每二周電氣設(shè)備通電（生搖）約20min～30min。（如船在碼頭鰭不能放出時，僅做伺服回路通電）。

6 結(jié)論

主動式可收放減搖鰭機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)自動化程度高，但養(yǎng)護(hù)較簡單。按照說明書要求做好維護(hù)保養(yǎng)工作，定期進(jìn)行應(yīng)急操作試驗，確保航行時能夠正常使用。要認(rèn)真研究設(shè)備工作原理，弄清楚各項功能的實現(xiàn)方式，這樣在遇到故障時才能從容不迫應(yīng)對自如。本文故障案例看似簡單，但如果沒有吃透工作原理，排查故障的時候往往會走不少彎路，尤其是電液聯(lián)系緊密的部件，查找故障的時候往往會南轅北轍沿木而求魚，確定不了是電的問題還是液壓故障，當(dāng)把原理弄明白的時候遇到故障就可以迎刃而解了。

[1]中船總704研究所有關(guān)減搖鰭技術(shù)資料.

[2]北海救113輪減搖鰭說明書.