船舶側推進器螺距零位的校準方法

張瑞強，毛振東

（中石化海洋石油工程有限公司，上海 201208）

1 側推進器螺距反饋單元概況

1.1 組成結構

側推進器螺距反饋單元通常由伺服油缸、連桿、球關節(jié)、液壓軟管、電位計連桿、電位計、螺距控制連桿等部件構成，如圖1所示。

圖1 側推進器螺距反饋單元結構圖

1.2 工作原理

側推進器螺距反饋單元屬于典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)就是控制系統(tǒng)的一種類型，具體內(nèi)容是指，把控制系統(tǒng)輸出量的一部分或全部，通過一定方法和裝置反送回系統(tǒng)的輸入端，然后將反饋信息與原輸入信息進行比較，再將比較的結果施加于系統(tǒng)進行控制，避免系統(tǒng)偏離預定目標。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用的是負反饋。即是由信號正向通路和反饋通路構成閉合回路的自動控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)[1]。一個常見的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的基本組成可以用圖2所示的框圖表示。

圖2 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖

在圖2中，給定值給出與期望輸出對應的輸入量；比較單元運算出給定值與反饋值的偏差，一般采用集成運算放大器(簡稱集成運放)來實現(xiàn)；控制器控制執(zhí)行器，執(zhí)行器直接驅動被控對象，使輸出量發(fā)生變化，常被用作為執(zhí)行器的有電動機、調(diào)節(jié)閥、液壓馬達等；反饋單元檢測被控對象的輸出量并轉換為所需要的電信號。在控制系統(tǒng)中常用的有用于速度檢測的測速發(fā)電機、光電編碼盤等；用于位置與角度檢測的旋轉變壓器、自整機等；用于電流檢測的互感器及用于溫度檢測的熱電偶等。這些檢測裝置一般都將被檢測的物理量轉換為相應的連續(xù)或離散的電壓或電流信號[2]。

當操縱臺通過操作手柄給出改變螺距的信號，該信號經(jīng)控制板運算后輸出24 V直流電壓信號，電壓信號控制伺服控制閥通斷，液壓油經(jīng)由液壓軟管進入伺服油缸，推動活塞和油缸頂桿動作，油缸頂桿通過螺栓與螺距控制連桿相連，螺距控制連桿通過水下機械結構與側推進器槳葉相連，油缸頂桿驅動螺距控制連桿左右移動，通過上述步驟實現(xiàn)了改變側推進器螺距的目的。螺距反饋電位計經(jīng)由電位計連桿、螺栓、連桿、球關節(jié)、螺栓等部件和螺距控制連桿相連，通過這一結構可以將螺距控制連桿的擺動角度即螺距變化幅度精確地轉變成反饋電位計的轉動角度。反饋電位計將角度變化轉變成電阻阻值變化，讓螺距變化幅度能夠被精確測量。

在上述過程中，操縱手柄給出的信號是給定值，控制板屬于控制器，伺服控制閥和伺服油缸等屬于執(zhí)行器，側推進器的槳葉便是被控對象，螺距反饋電位計屬于反饋單元，而槳葉的變化量正是輸出量。由此可以確定側推進器螺距反饋單元是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 如何確定螺距的實際零位（機械零位）

進行螺距零位調(diào)節(jié)之前，需要確定側推進器的實際零位，即機械零位。通常有2種方法可以用來確定實際零位：最小電流法和目測法。

2.1 最小電流法

所謂最小電流法就是利用鉗形電流表找到側推進器運轉時的最小工作電流，此時推進器槳葉正好在實際零位。具體步驟如下：首先根據(jù)說明書計算出側推進器的最大工作電流，并以此選擇鉗形電流表的量程。以ULSTEIN 150 TV-A型側推進器為例，其額定功率為590 kW，額定工作電壓為440 V，功率因數(shù)（cosφ）取值0.8，三相電動機有功功率計算公式：

由此可以確定鉗形電流表的量程應該選擇大于或等于1000 A檔；然后將側推進器置于運轉狀態(tài)，將操作手柄放在零位，使用鉗形電流表鉗住側推進器馬達的任意一相電源線。先向右側操縱手柄，每次移動1%螺距，移動5次左右即可，將手柄歸0，再向左側操縱手柄，方法同右側。通過上述操作可以得到11個電流值數(shù)據(jù)，比對這組數(shù)據(jù)并找到最小值，該數(shù)值對應的螺距即是側推進器的零位螺距。此時雖然找到了側推進器的實際零位，但仍需重復一遍上述操作，當鉗形電流表再次測量到最小電流值時，通知手柄操作人員保持手柄在當前位置。同時記錄伺服油缸的當前狀態(tài)，可以采用2種方法，一種是使用鋼尺測量油缸頂桿的頂出長度，另外一種是標記螺距控制連桿自由端在地面上投影的位置。雖然使用鋼尺測量油缸頂桿頂出長度這個方法精確度更高，但在校準螺距時需要2人配合才能完成，而螺距反饋單元位于側推進器馬達下方，周圍空間狹小，很難容納2個人同時工作，因此一般采用標記地面投影這種方法來記錄側推進器的實際零位。

2.2 目測法

所謂目測法，顧名思義就是使用眼睛直接觀察側推進器槳葉的位置。啟動側推進器的伺服油泵（不需要啟動側推進器馬達），使螺距控制單元處于可用狀態(tài)。在駕駛臺操縱側推手柄，調(diào)整側推進器槳葉位置，直到槳葉上的零位標識和槳轂上的零位標識對齊。使用標記螺距控制桿自由端在地面投影這個方法記錄此時伺服油缸的狀態(tài)。該方法有較大的局限性，因為側推進器位于水面以下，平時不可能使用肉眼直接觀察，僅能在船舶進塢修理船身露出水面時使用。該方法可以直接觀察到槳葉和槳轂上的刻度值，準確性高，在具備條件時推薦優(yōu)先使用。

3 螺距零位校準過程

校準之前理解一個原理，這個原理可以使用公式簡單表達，公式如下：

式中：給定量來自于操作手柄，反饋量來自于螺距反饋電位計，這兩者的差值便是執(zhí)行量。當操作手柄在零位即給定量為0時，螺旋槳槳葉卻不在零位（機械零位未在零位），這意味著該閉環(huán)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行量不等于0。根據(jù)公式（2）可知，當給定量等于零而執(zhí)行量不等于0時，那么反饋量一定不等于0。若要執(zhí)行量也等于0，就要調(diào)整反饋量，即調(diào)節(jié)反饋電位計。

調(diào)節(jié)步驟如下： 1）啟動側推進器伺服油泵馬達（禁止啟動主馬達），使側推進器螺距操縱及反饋單元處于工作狀態(tài)。2）打開反饋電位計保護盒，使反饋電位計及鎖緊螺絲曝露出來，以方便調(diào)整反饋電位計。 3）找到地面上的實際零位標識，此時看到螺距控制連桿的自由端并未對齊實際零位標識。 4）松開反饋電位計的4顆固定螺絲，向任意方向緩慢轉動反饋電位計，觀察螺距控制連桿自由端的動作方向，反復調(diào)整，直至其與地面上的實際零位標識對齊。5）上緊固定反饋電位計的4顆螺絲，并將保護盒安裝到位。

以上校準方法通用性強，幾乎適用于所有使用電位計作為反饋單元的變距槳推進器的螺距零位校準。另外，在調(diào)節(jié)過程中有些情況要避免出現(xiàn)，例如轉動電位計時不小心將其拔出，這時反饋量將不再改變，變成恒定值，這樣會造成系統(tǒng)中始終存在執(zhí)行量，也就意味著伺服油缸將會向著某個方向一直動作，極有可能對伺服油缸造成損壞。一旦出現(xiàn)這種情況，需要立即停掉伺服油泵馬達，小心將反饋電位計裝回原位，確認旋轉齒輪嚙合后再進行下面的操作。

4 螺距指示單元校準

ULSTEIN 150 TV-A型側推進器的螺距指示單元通常由多塊控制板、反饋電位計、螺距表等構成[3]。該系統(tǒng)中使用的反饋電位計是多層共軸電位計，第一層用于反饋螺距變化，第二層用于指示螺距變化，第三層備用。因其共軸，所以在調(diào)整螺距零位時用來指示螺距變化的第二層也會跟隨改變。此時，雖然操作手柄指示螺距和槳葉實際螺距是一致的，但螺距表的指示是錯誤的，這就需要對螺距指示單元進行調(diào)整。

4.1 螺距控制板單元校準

1）找到控制板MEA403的2C針腳（pin）引出線，并在整個調(diào)整過程中使用萬用表直流電壓檔測量其電壓值。

2）將側推進器操縱權限轉至駕控臺主面板，將操作手柄轉至右舷滿螺距位置，調(diào)整控制板MEB110上的P5滑動變阻器，直到萬用表測量到+10 V電壓；將操作手柄轉至左舷滿螺距位置，調(diào)整控制板MEB110上的P6滑動變阻器，直到萬用表測量到-10 V電壓。

3）將側推進器操縱權限轉至駕控臺伺服面板，將操作手柄轉至右舷滿螺距位置，調(diào)整控制板MEB110上的P7滑動變阻器，直到萬用表測量到+10 V電壓；將操作手柄轉至左舷滿螺距位置，調(diào)整控制板MEB110上的P8滑動變阻器，直到萬用表測量到-10 V電壓。

4.2 螺距表校準

1臺側推進器通常包含3臺螺距表：機旁螺距表、前操縱臺螺距表以及后操縱臺螺距表。螺距表的本質是直流電壓表，它的工作原理是利用電流的磁效應，當線圈中有電流通過時，就會產(chǎn)生旋轉力，而旋轉力與扭簧之間達到一種平衡，指針就會指向某個讀數(shù)。螺距表指針延伸末端有一個旋鈕，叫做機械調(diào)零旋鈕，用來進行機械調(diào)零。

當側推進器操作手柄在零位，而螺距表指針不在0位時，便需要對螺距表進行調(diào)零操作。

首先使用萬用表的直流電壓檔測量螺距表的輸入電壓是否是0 V。若輸入電壓為0，則需要進行機械調(diào)零操作，使用螺絲刀調(diào)整機械調(diào)零旋鈕，直至指針指向零位即可；若輸入電壓不為0，則需進行上述4.1螺距控制板單元校準，調(diào)整至螺距表輸入電壓為0。然后繼續(xù)觀察螺距表指針是否在零位，若在零位則無需進行調(diào)零操作，若不在零位，調(diào)整機械零位旋鈕使指針至零位即可。

以上便是ULSTEIN 150 TV-A型側推進器螺距指示單元的校準過程。

5 結語

精準的螺距零位對保護側推進器安全、延長側推進器壽命具有重要意義，管理人員應定期對螺距反饋單元進行檢查，確保設備安全可靠運行。除此之外，定期化驗油樣及時更換液壓油，定期檢查伺服油缸、反饋電位計的固定螺絲等措施同樣重要，多措并舉方能保證船舶側推進器的工況處于理想狀態(tài)，進而給船舶安全營運創(chuàng)造良好的設備環(huán)境。