船舶舵機(jī)跑舵PSC典型案例分析

杜榮耀 周亞旭

一、前言

舵機(jī)是船舶保持航向的關(guān)鍵設(shè)備，船上習(xí)慣籠統(tǒng)地將轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)、動(dòng)力設(shè)備、輔助設(shè)備和相關(guān)電控系統(tǒng)等統(tǒng)稱(chēng)為舵機(jī)。目前絕大多數(shù)船舶舵機(jī)都是靠轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉使其有不同的舵角來(lái)控制船舶航向的。

船舶上的舵機(jī)大多數(shù)為電動(dòng)液壓舵機(jī)。船舶舵機(jī)按其工作原理可分為閥控型和泵控型兩種。

閥控型舵機(jī)的基本工作原理為：液壓舵機(jī)系統(tǒng)使用單向定量液壓泵供液壓油，通過(guò)電磁閥來(lái)控制油路方向，從而改變舵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。此種液壓舵機(jī)及其控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低。缺點(diǎn)是任何時(shí)候泵都以全流量排油，經(jīng)濟(jì)性稍差，適用功率比泵控型要小。

泵控型液壓舵機(jī)基本工作原理為：液壓舵機(jī)系統(tǒng)是采用了雙向變量泵，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)控制泵的排油方向來(lái)控制油路方向，從而改變舵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。舵機(jī)按轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的不同可以分為往復(fù)式舵機(jī)和轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)。往復(fù)式舵機(jī)通過(guò)若干個(gè)活塞來(lái)控制舵葉轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)通過(guò)反向工作的葉片泵來(lái)控制舵葉轉(zhuǎn)向。

舵機(jī)是保證船舶的操縱性能、確保船舶安全航行的重要設(shè)備，保持船舶舵機(jī)工作性能良好對(duì)于船舶安全具有重要意義。

二、船舶舵機(jī)相關(guān)公約要求

1.公約適用范圍

船舶舵機(jī)的要求是來(lái)自《1974年國(guó)際海上人命安全公約》附則第II-1章第29條操舵裝置和第30條電動(dòng)和電動(dòng)液壓操舵裝置的附加要求這兩條的要求?！?974年國(guó)際海上人命安全公約》1981年修正案（MSC.1（45））對(duì)附則II-1章1-54條進(jìn)行了重寫(xiě)，形成本章的第29條操舵裝置和第30條電動(dòng)和電動(dòng)液壓操舵裝置的附加要求，并于1984年9月1日生效。即于1984年9月1日或以后安放龍骨或處于類(lèi)似建造階段的船舶，都適用第29條和30條。第II-1章第29條操舵裝置的最新修訂是2014年的MSC.365（93），是對(duì)舵機(jī)海試要求的明確，對(duì)PSC檢查無(wú)影響。

2.幾個(gè)與PSC檢查直接相關(guān)的定義

（1）操舵裝置控制系統(tǒng)系指將舵令由駕駛室傳至操舵裝置動(dòng)力設(shè)備的設(shè)備。操舵裝置控制系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、液壓控制泵及其電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制器、管系和電纜組成。

（2）主操舵裝置系指在正常情況下為操縱船舶而使舵產(chǎn)生動(dòng)作所必需的機(jī)械、舵執(zhí)行器、操舵動(dòng)力設(shè)備（如設(shè)有）和附屬設(shè)備以及對(duì)舵桿施加扭矩的裝置（如舵柄或舵扇）。

（3）操舵裝置動(dòng)力設(shè)備：

①如為電動(dòng)操舵裝置，系指電動(dòng)機(jī)及有關(guān)的電氣設(shè)備；

②如為電動(dòng)液壓操舵裝置，系指電動(dòng)機(jī)及有關(guān)的電氣設(shè)備和與之相連接的泵；或

③如為其他液壓操舵裝置，系指驅(qū)動(dòng)機(jī)及與之相連接的泵。

（4）輔助操舵裝置系指如主操舵裝置失效時(shí)操縱船舶所必需的設(shè)備，其不屬于主操舵裝置的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同樣用途的部件。

（5）動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)系指提供動(dòng)力以轉(zhuǎn)動(dòng)舵桿的液壓設(shè)備，由一個(gè)或幾個(gè)操舵裝置動(dòng)力設(shè)備，連同有關(guān)的管系和附件以及舵執(zhí)行器組成。各個(gè)動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)可共用某些機(jī)械部件（即舵柄、舵扇和舵桿）或共用有同樣用途的部件。

（6）跑舵系指舵機(jī)不能保持指定舵角。

（7）沖舵系指舵機(jī)轉(zhuǎn)到指令舵角后仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。

（8）滯舵系指舵機(jī)收到舵角指令后不能立即轉(zhuǎn)舵。

三、PSC檢查典型案例分析

（一）船舶概況（見(jiàn)表1）

表1 PSC檢查案例船舶概況

（二）檢查缺陷認(rèn)定及描述

在詳細(xì)檢查階段，檢查員在檢查舵機(jī)的過(guò)程中，要求船員進(jìn)行機(jī)旁應(yīng)急操舵測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在用1號(hào)舵機(jī)進(jìn)行機(jī)旁應(yīng)急操舵時(shí)，轉(zhuǎn)到左舵15度后，舵角持續(xù)向左舵增大；回正到0度，舵角向左舵逐漸增大；轉(zhuǎn)到右舵10度后，舵角逐漸向0度減小。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試核實(shí)，無(wú)論舵角轉(zhuǎn)到何角度均出現(xiàn)跑舵現(xiàn)象。試驗(yàn)2號(hào)應(yīng)急舵，也有類(lèi)似現(xiàn)象。但從駕駛臺(tái)隨動(dòng)控制沒(méi)有出現(xiàn)上述問(wèn)題。

針對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷，檢查員開(kāi)具了如表2中所述的缺陷：

表2 舵機(jī)跑舵相關(guān)缺陷描述

（三）缺陷分析

無(wú)論是閥控型還是泵控型液壓舵機(jī)，其控制系統(tǒng)基本原理都如圖1所示。

圖1 舵機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖

比較環(huán)節(jié)是船舶隨動(dòng)操舵和自動(dòng)舵中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)實(shí)際舵角與舵輪、自動(dòng)舵給出角度不同時(shí)，經(jīng)過(guò)比較環(huán)節(jié)，給出舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)一個(gè)信號(hào)，舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)控制舵葉角度，舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)在給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)信號(hào)的同時(shí)也會(huì)給比較環(huán)節(jié)一個(gè)反饋，舵葉也會(huì)給比較環(huán)節(jié)反饋，來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向。

機(jī)旁應(yīng)急操舵是屏蔽比較和反饋環(huán)節(jié)，直接由人工控制舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以控制舵葉。圖2是該船舵機(jī)控制系統(tǒng)邏輯圖，從中可以看出舵機(jī)操控的邏輯結(jié)構(gòu)。

案例中該船舵機(jī)為泵控型舵機(jī)，通過(guò)控制雙向變量泵的排油方向來(lái)控制油路，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵。而雙向變量泵流量和方向的改變就是靠伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制。如本案例中，伺服機(jī)構(gòu)即由圖3中的伺服油泵、力矩馬達(dá)、電磁換向閥和伺服活塞組成。

圖2 舵機(jī)控制系統(tǒng)邏輯圖

圖3 舵機(jī)系統(tǒng)圖

（四）通過(guò)分步排除法對(duì)缺陷原因進(jìn)行分析

不同類(lèi)型的舵機(jī)跑舵的原因各有不同，本案例中的舵機(jī)為川崎泵控型往復(fù)式舵機(jī)，其系統(tǒng)圖如圖3所示，根據(jù)其跑舵情況初步判斷跑舵的主要原因可能為：控制系統(tǒng)故障；反饋環(huán)節(jié)故障；舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障；雙向變量泵伺服機(jī)構(gòu)故障。

本案例中跑舵情況為：1號(hào)舵機(jī)應(yīng)急舵無(wú)人操作跑舵，2號(hào)舵機(jī)應(yīng)急舵無(wú)人操作跑舵，兩臺(tái)舵機(jī)跑舵速率不同，從駕駛臺(tái)控制的隨動(dòng)舵沒(méi)有跑舵現(xiàn)象，隨動(dòng)控制沒(méi)有問(wèn)題。

（1）如為控制系統(tǒng)故障，通常情況會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的是隨動(dòng)控制操舵，與故障現(xiàn)象不同，排除自動(dòng)控制系統(tǒng)故障。

（2）如果反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，那么同樣隨動(dòng)控制操舵會(huì)出現(xiàn)故障。應(yīng)急操舵由于不接入反饋信號(hào)，不受反饋故障影響，與故障現(xiàn)象不同，排除反饋環(huán)節(jié)故障。

（3）舵機(jī)周?chē)鷽](méi)有明顯的漏油痕跡，如果舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等公共部分故障的話(huà)，無(wú)論何種操舵方式，故障現(xiàn)象均應(yīng)相同，據(jù)此檢查人員排除舵機(jī)轉(zhuǎn)舵油缸等如圖3中所示的公共機(jī)械部分故障。

（4）從機(jī)旁應(yīng)急操舵跑舵故障現(xiàn)象來(lái)看，比較兩種操作方式，機(jī)旁應(yīng)急操舵相比隨動(dòng)系統(tǒng)少了反饋調(diào)節(jié)，隨動(dòng)舵無(wú)故障最有可能是正常工作的反饋機(jī)構(gòu)將跑舵消除。最明顯故障現(xiàn)象是在無(wú)人操舵時(shí)，本應(yīng)該處于零流量位置的雙向變量泵未保持零位，結(jié)合兩臺(tái)舵機(jī)旁應(yīng)舵無(wú)人操作有規(guī)律跑舵，那么最有可能是在無(wú)人操舵時(shí)應(yīng)保持零位的雙向變量泵伺服機(jī)構(gòu)存在故障。

雖然雙向變量泵伺服機(jī)構(gòu)故障是最可能原因，但要明確雙向變量泵伺服機(jī)構(gòu)是一套系統(tǒng)，由多個(gè)部件組成，如伺服機(jī)構(gòu)中換向閥鎖閉不嚴(yán)，液壓油會(huì)持續(xù)進(jìn)入伺服油缸，伺服活塞持續(xù)向一方向移動(dòng)，使得雙向變量泵朝一方向持續(xù)加大油量。如為此種故障，舵機(jī)的表現(xiàn)為：在機(jī)旁應(yīng)急操舵，暫停操作時(shí)，舵機(jī)會(huì)持續(xù)向一方向偏，并且越來(lái)越快。如為隨動(dòng)操舵，控制系統(tǒng)會(huì)不停地調(diào)節(jié)舵機(jī)，企圖使實(shí)際舵角與所給出舵角一致，不停的調(diào)節(jié)會(huì)使電磁換向閥不停動(dòng)作。此種檢查情況與實(shí)際不符，因此不是電磁換向閥鎖閉不嚴(yán)產(chǎn)生的故障。

如為伺服活塞故障，例如活塞卡死，那么舵將無(wú)法工作；活塞漏油，則會(huì)出現(xiàn)滯舵、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢等情況與實(shí)際故障情況不同，排除該部件故障。如為伺服機(jī)構(gòu)零位偏移，在機(jī)旁應(yīng)急操舵的表現(xiàn)為：暫停操作時(shí)，舵機(jī)會(huì)以固定速度固定向一方向移動(dòng)。如為隨動(dòng)操舵，線(xiàn)性傳感器會(huì)反饋零位并進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此在隨動(dòng)控制時(shí)，反饋系統(tǒng)將該故障消除，不會(huì)出現(xiàn)跑舵，這種情況與現(xiàn)場(chǎng)檢查一致。因此該船舵機(jī)跑舵應(yīng)該是伺服機(jī)構(gòu)零位故障導(dǎo)致的。

（五）檢查缺陷整改

所屬船級(jí)社于當(dāng)天登輪對(duì)缺陷進(jìn)行了確認(rèn)，服務(wù)商對(duì)該缺陷進(jìn)行修復(fù)時(shí)證實(shí)，該問(wèn)題確實(shí)如PSC檢查員判斷，是由于伺服機(jī)構(gòu)零位不準(zhǔn)導(dǎo)致，通過(guò)伺服泵控制閥進(jìn)行零位調(diào)節(jié)，修復(fù)該缺陷。船級(jí)社缺陷糾正報(bào)告如表3所示。

表3 船級(jí)社缺陷糾正報(bào)告

四、進(jìn)一步的建議

筆者后續(xù)多次對(duì)此類(lèi)問(wèn)題跟蹤檢查，發(fā)現(xiàn)該種缺陷并不是個(gè)例，而是有規(guī)律呈現(xiàn)，船齡較大且是川崎及類(lèi)似的泵控型往復(fù)式舵機(jī)存在該問(wèn)題比例較高，只是跑舵方向和嚴(yán)重程度有所不同，因此，該類(lèi)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起船舶相關(guān)方的關(guān)注和重視。

1.對(duì)船東和管理公司而言

作為最大利益方與履行所營(yíng)運(yùn)船舶航行安全及防污染主體責(zé)任方，要對(duì)所屬船舶符合缺陷規(guī)律情況的船舶開(kāi)展自查，及時(shí)將故障排除，防止意外發(fā)生。同時(shí)要建立科學(xué)保養(yǎng)計(jì)劃。過(guò)度保養(yǎng)會(huì)使維護(hù)費(fèi)用增加導(dǎo)致?tīng)I(yíng)運(yùn)利潤(rùn)下降，而保養(yǎng)不足會(huì)造成船舶提前報(bào)廢且嚴(yán)重威脅船舶安全。因此航運(yùn)企業(yè)要加強(qiáng)先進(jìn)管理理念學(xué)習(xí)，統(tǒng)計(jì)船舶故障情況分布規(guī)律，對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)、船舶壽命和維修保養(yǎng)等進(jìn)行綜合分析，在以保障船舶安全營(yíng)運(yùn)、船員良好權(quán)益的前提下，制訂科學(xué)維修保養(yǎng)計(jì)劃來(lái)有效控制船舶的運(yùn)營(yíng)成本。

2.對(duì)船員而言

船舶維護(hù)保養(yǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，良好的日常保養(yǎng)能將事故隱患消滅于萌芽狀態(tài)。船員在船舶維護(hù)保養(yǎng)工作中起的作用很大。不同船舶有著不同的維護(hù)保養(yǎng)特點(diǎn)，在每次上船后要及時(shí)掌握船舶的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，及時(shí)按要求開(kāi)展工作，對(duì)于日常保養(yǎng)不能浮于表面，要根據(jù)維修保養(yǎng)計(jì)劃將保養(yǎng)工作落到實(shí)處，良好的保養(yǎng)工作能減少突發(fā)事故的發(fā)生，更是對(duì)自己安全的一個(gè)保障，同時(shí)對(duì)于船舶關(guān)鍵設(shè)備更要注意。除日常維修保養(yǎng)外，良好的演習(xí)也是發(fā)現(xiàn)隱患的重要途徑。本文案例中的舵機(jī)故障并不是突發(fā)性故障，而是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，雖然隨動(dòng)操舵時(shí)沒(méi)有故障現(xiàn)象，但如果船員在進(jìn)行應(yīng)急操舵演習(xí)時(shí)能多用心，就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該故障，進(jìn)而消除隱患。

3.對(duì)PSC檢查人員而言

舵機(jī)跑舵到什么程度不符合要求，公約中沒(méi)有明確規(guī)定，但是這個(gè)問(wèn)題對(duì)于船舶安全有較大影響。發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題時(shí)具體處理意見(jiàn)為離港前糾正還是禁止船舶離港，可以參考以下要求：（1）中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第三分冊(cè)，13.1.5.9操舵裝置應(yīng)有保持舵位不動(dòng)的制動(dòng)裝置。（2）《液壓舵機(jī)通用技術(shù)條件》（CB/3129—82）中1.10無(wú)論舵處于任何位置，均不應(yīng)有明顯跑舵現(xiàn)象。

在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)舵桿扭矩達(dá)到公稱(chēng)值時(shí)，往復(fù)式液壓舵機(jī)的跑舵速度不應(yīng)大于0.5度/分鐘，轉(zhuǎn)葉式液壓舵機(jī)不應(yīng)大于4度/分鐘。其次也要看船舶總體狀況而定。

五、總結(jié)

舵機(jī)作為船舶的重要組成部分，在保障船舶正常航行方面起著重要作用。保障舵機(jī)的正常工作對(duì)于船舶航行安全至關(guān)重要，各個(gè)公司要結(jié)合此種故障規(guī)律盡早排查以免造成事故，船員在日常工作中要加強(qiáng)設(shè)備的檢查與維護(hù)保養(yǎng)工作。PSC檢查只是起到監(jiān)督作用，只有船方作為責(zé)任主體做好相關(guān)工作，才能保障船舶的營(yíng)運(yùn)安全與船員的生命安全。