某調(diào)距槳裝置螺距抖動故障分析

馬曉乾

（1．上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200444；2．上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

可調(diào)螺距螺旋槳（簡稱調(diào)距槳，CPP）作為船舶主動力推進(jìn)裝置，是集機(jī)械、液壓以及電控為一體的復(fù)合系統(tǒng)。在主機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速一定的情況下，調(diào)距槳可較方便地通過改變槳葉螺距角度實現(xiàn)主機(jī)負(fù)荷的增大和減小，從而改善船舶在不同航行工況下的推進(jìn)效率和操縱性能，實現(xiàn)船、機(jī)、槳的良好配合[1]。

1 故障現(xiàn)象

調(diào)距槳裝置根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的螺距指令來控制液壓系統(tǒng)的比例閥（或備用電磁閥），使液壓機(jī)組產(chǎn)生的高壓油通過配油器進(jìn)入軸內(nèi)油管和槳轂油缸的正車腔或倒車腔；活塞在液壓油的作用下向前或向后移動，從而帶動曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行，使槳葉繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)槳葉螺距的變化。

在一次航行試驗過程中，主機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，螺距表指示顯示為93%，螺距表指針開始發(fā)生約±3%的振蕩，此刻負(fù)責(zé)機(jī)艙的工作人員應(yīng)立即要求主機(jī)脫排并停車，以免發(fā)生嚴(yán)重事故。由此，本文分析了可能引起該故障的3大原因及初步排查方法。

2 機(jī)械原因

為查找機(jī)械系統(tǒng)故障引起的螺距抖動，按表1對可能的機(jī)械故障點進(jìn)行了排查。

對以上各故障點進(jìn)行仔細(xì)排查后，未發(fā)現(xiàn)問題，說明槳轂組件到配油器之間的機(jī)械部分并無故障[2]。

表1 機(jī)械故障點及排查方法

3 液壓原因

根據(jù)表2內(nèi)容進(jìn)行故障排查。

由于此套液壓系統(tǒng)較為穩(wěn)定，經(jīng)過上述方法排查后發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)功能正常，由此可見，液壓系統(tǒng)也無故障。為了驗證液壓系統(tǒng)無故障，也可通過左右槳液壓機(jī)組對應(yīng)閥件互換的方式確認(rèn)閥件是否發(fā)生故障[3]。

表2 液壓故障點及排查方法

4 電控原因

經(jīng)過對機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的故障排查，發(fā)現(xiàn)2大系統(tǒng)均能正常使用且穩(wěn)定可靠，故將重點關(guān)注電控系統(tǒng)的檢查。對于電控系統(tǒng)的檢查分為2部分，即實際螺距有振蕩現(xiàn)象和實際螺距無振蕩現(xiàn)象。如表3所示。

表3 電控故障點及排查方法

首先判斷實際螺距有無振蕩可從2點進(jìn)行判斷。

1）機(jī)械指針有無晃動，倘若機(jī)械指針有晃動，則螺距表必然也會有抖動，證明實際螺距有振蕩；反之，倘若機(jī)械指針未晃動，而螺距表有強(qiáng)烈抖動，則證明是表3所述的后3種情況之一。

2）觀察船用軸功率儀在故障發(fā)生時，有無劇烈軸功率突變。當(dāng)航行工況沒有改變時，主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定；如若實際螺距發(fā)生抖動，則可能引起軸功率有較大上下浮動。由此可知，實際螺距發(fā)生了抖動。

在確定實際螺距發(fā)生抖動的情況下，當(dāng)檢查反饋電位計時，電位計兩端的輸入電壓為10 V。使用控制箱上的本地控制按鈕進(jìn)行正倒車操作，將螺距調(diào)至93%時，可發(fā)現(xiàn)實際螺距與理論螺距存在差異，反復(fù)試驗3次～4次，均得出以上現(xiàn)象。此時測量反饋電位計中間抽頭與兩端點間電壓有0.1 V～0.2 V的上下浮動量，由此判斷應(yīng)為反饋電位計故障。為了驗證確實是電位計故障，將萬用表連接在電位計中間抽頭與任意端點上進(jìn)行測量，且繼續(xù)使用機(jī)旁控制箱本控操作正倒車，發(fā)現(xiàn)螺距在93%±5%時，電壓有突變現(xiàn)象，即不像正常電位計電壓變化那般順滑。由此，確認(rèn)螺距抖動是由電位計故障引起的。

電位計是安裝在配油器旁螺距發(fā)訊器中的部件，是一種可調(diào)電子元件，由1個電阻體和1個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當(dāng)在電阻體的2個固定觸電之間外加1個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置。因此，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓，如圖1所示。

本文使用的反饋電位計為電阻式精密電位計（如圖2所示）。

圖1 電氣示意圖（軸端俯視）

該電位計的特點是體積小，性價比高，使用壽命長（擁有100×106次運(yùn)動壽命），線性優(yōu)異（達(dá)±0.2%），分辨率高（優(yōu)于0.01°），最高允許轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r/min，且能無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)。該電位計適合應(yīng)用于測量、控制和儀器化的儀表。

圖2 P-2500電位計（單位：mm）

在得出電位計故障的結(jié)論后，需使用調(diào)距槳裝置常用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)

電位計是將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號的重要元件。在調(diào)距槳運(yùn)行過程中，發(fā)出螺距指令后，PLC將通過液壓系統(tǒng)控制雙油管活塞前后運(yùn)動，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換成槳轂槳葉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在精確控制槳葉旋轉(zhuǎn)角度時，配油器上的螺距發(fā)訊器便起到了決定性的作用，因此電位計故障對調(diào)距槳裝置的使用以及整個船舶都會產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。

找出螺距抖動故障的原因后，更換備用電位計，本控操作測量電位計輸出的電壓平滑，螺距指示也再無抖動現(xiàn)象發(fā)生。后續(xù)又安排了一次航行試驗，驗證了螺距在動態(tài)航行過程中不會發(fā)生抖動，由此可見，故障消除。

電位計、螺距發(fā)訊板等都是電控系統(tǒng)中閉環(huán)控制中較為重要的元器件，當(dāng)其發(fā)生故障或損壞時，調(diào)距槳裝置將會無法再使用遙控操作。故在重要零部件投入使用前，應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗以驗證其穩(wěn)定性。安裝部位振動、噪音大以及空氣中水汽油對電控系統(tǒng)部件的損害等都應(yīng)考慮在內(nèi)。

5 結(jié)論

本文在故障排查過程中，基于有限的條件，從機(jī)械、液壓及電控等方面分別進(jìn)行討論，梳理了可能發(fā)生的故障部位，并制定了行之有效的驗證方法，最終確定螺距抖動是由電位計故障導(dǎo)致的。

船用調(diào)距槳裝置的應(yīng)用在國內(nèi)已相當(dāng)成熟，其設(shè)計過程也是殊途同歸的。故本文對螺距抖動的排查方法也適用于其他類似船用調(diào)距槳裝置，為今后排查螺距抖動提供思路。