“育鯤”輪減搖鰭裝置收/放鰭電氣故障實(shí)例

汪旭明，許長青，張均東

（1.大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026，2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

“育鯤”輪是我國自主設(shè)計(jì)的第一艘專用遠(yuǎn)洋教學(xué)實(shí)習(xí)船，是航海技術(shù)、輪機(jī)工程、船舶電子電氣工程專業(yè)及陸上部分專業(yè)進(jìn)行海上實(shí)習(xí)的平臺，同時(shí)也執(zhí)行出國訪問等重要任務(wù)。船上配置了大量的教學(xué)實(shí)習(xí)和科研設(shè)備，采用了Brown Brothers Aquarius 50 系列折葉式減搖鰭，以滿足船舶對安全性、適航性、舒適性的較高要求。本文介紹了“育鯤”輪減搖鰭裝置電氣液壓控制的工作原理，基于減搖鰭裝置放鰭和收鰭故障實(shí)例對其控制系統(tǒng)進(jìn)行排查，確定電氣故障并處理使其恢復(fù)正常運(yùn)行。

1 減搖鰭工作原理

如圖1，減搖鰭液壓系統(tǒng)由液壓動力單元和內(nèi)接管構(gòu)成。液壓系統(tǒng)提供的液壓動力與控制信號交互作用，用油缸來操作鰭的上升或下降以及收鰭和放鰭。主泵/電動機(jī)組由液壓油泵26、電動機(jī)24 和卸載閥32 構(gòu)成。卸載閥32 得電時(shí)閉合，泵的流量全部用于鰭的操作功能。卸載閥32 斷電時(shí)打開，主雙聯(lián)泵的高流量單元在低壓狀態(tài)下直接回到油箱，低流量單元輸出用于收鰭/放鰭操作。除了鰭上升和下降的穩(wěn)定操作外，在啟動、收鰭/放鰭及所有其他操作中，高流量單元都在卸載，使得電動機(jī)可以在最小負(fù)載狀態(tài)下啟動，收鰭/放鰭操作和鰭對中操作可以慢速進(jìn)行。

圖1 “育鯤”輪減搖鰭裝置液壓系統(tǒng)圖

1.1 放鰭和收鰭工作原理

在放鰭（收鰭）操作中，電磁閥1 右側(cè)放鰭（左側(cè)收鰭）線圈得電，使得液壓油通過平衡閥箱36 中的平衡閥36.1（36.2）的通道進(jìn)入收鰭和放鰭油缸左側(cè)（右側(cè)）的環(huán)形區(qū)域，把活塞桿向右推回原位（外伸）。同時(shí)，液壓油被送到對面的平衡閥36.2（36.1），目的是打開平衡閥36.2（36.1），油缸右側(cè)（左側(cè)）的液壓油在油缸活塞作用下流回油箱。放鰭（收鰭）動作完成后，線圈斷電。

1.2 鰭的上升和下降工作原理

鰭的上升和下降通過電液比例閥17 實(shí)現(xiàn)，比例閥由比例螺線管操縱，為流向鰭上升或下降油缸的液壓油提供流量和方向控制。在鰭片的上升過程中，比較放大器輸出鰭角差電流信號給比例閥17，比例閥右邊的螺線管得電，線軸向左移動，移動距離與電流信號強(qiáng)度成正比，液壓油經(jīng)過比例閥供到上升和下降油缸的左端，鰭上升，上升的角度與電流信號強(qiáng)度成正比。在鰭的下降過程中，比例閥17 左邊的螺線管得電，線軸向右移動，鰭下降。比例閥出口的兩個(gè)液壓油管路之間設(shè)有手動旁通閥13 和溢流閥組2，過載時(shí)溢流閥組2 使得高壓可以從壓力管路釋放到回油管路。

當(dāng)負(fù)載感應(yīng)隔離閥11 得電時(shí)，負(fù)載感應(yīng)啟動。用來使鰭上升或下降油缸里的活塞某一側(cè)較高的壓力，通過背對背單向閥15 和補(bǔ)償器箱18 傳遞到壓力補(bǔ)償器3的頂上，補(bǔ)償器在整定值下打開增加旁通量，以降低高壓活塞那一側(cè)的壓力。

1.3 減搖鰭應(yīng)急操作

應(yīng)急泵/電動機(jī)組由齒輪泵27 和電動機(jī)25 組成，把低量壓力油通過單向閥8 送入分配閥箱16，在緊急情況下，收鰭/放鰭電磁閥1 和比例閥17 可以手動操作分別控制收鰭/放鰭和鰭上升或下降。此外，左右舷液壓動力單元各有一個(gè)緊急停機(jī)按鈕開關(guān)，用于緊急停止減搖鰭電機(jī)或靠港時(shí)鎖定減搖鰭禁止啟動。

2 故障現(xiàn)象與排查分析

2.1 故障現(xiàn)象

某航次由大連港至連云港航行期間，減搖鰭為駕駛臺遙控，放鰭操作過程中，駕駛臺和本地控制單元的觸摸屏上右舷減搖鰭Extended 指示燈亮（放鰭到位），并且進(jìn)入了船舶穩(wěn)定的程序，鰭角正在正常擺動；此時(shí)左舷減搖鰭Extending 指示燈卻一直閃爍（表明左鰭正在伸出未到位），并持續(xù)此狀態(tài)。操作左右減搖鰭收鰭后再重新放鰭，故障依舊。此外，左舷減搖鰭收鰭操作過程中系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警“Port fin failed to lock in time”，并且駕駛臺和本地控制單元的觸摸屏操作面板上的左舷減搖鰭HOUSED 指示燈不亮（收鰭未到位），經(jīng)機(jī)旁檢查此時(shí)左舷減搖鰭已經(jīng)收回。

2.2 故障排查分析與處理

減搖鰭系統(tǒng)報(bào)警信息中文意思為“鰭片未能及時(shí)鎖定”，表明收鰭操作葉片進(jìn)入鎖定位置的耗時(shí)超過了允許的時(shí)間。經(jīng)過分析系統(tǒng)的控制原理，可以得出可能的原因有：

（1）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)阻塞；

（2）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)泄漏；

（3）收鰭/放鰭液壓系統(tǒng)中有空氣；

（4）主泵故障；

（5）PLC 數(shù)字量輸出故障，收鰭電磁線圈故障；

（6）PLC 模擬量輸入故障，收鰭/放鰭位置反饋傳感器故障。

由于操作減搖鰭實(shí)際已經(jīng)收鰭完成，說明液壓系統(tǒng)工作正常，初步排除主泵故障和液壓系統(tǒng)阻塞、泄漏或進(jìn)氣等故障。

船舶拋錨后，將減搖鰭轉(zhuǎn)為本地離線控制，這樣可以在減搖鰭間的本地控制單元進(jìn)行收鰭和放鰭的操作。本地控制單元的控制器為西門子PLC，由中央處理器CPU315-2 DP、數(shù)字量輸入/輸出模塊DI/DO、模擬量輸入輸出模塊AI/AO 組成。通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，提供手動收鰭/放鰭功能，以及提供鰭片角度、鰭片位置（收鰭、正在收鰭、放鰭、正在放鰭）的狀態(tài)信息和視聽警報(bào)。操作點(diǎn)擊“EXT.AND CENTRE”進(jìn)行放鰭操作，放鰭完成后點(diǎn)擊“HOUSED”進(jìn)行收鰭操作，在本地控制單元的硬件信息頁比對左鰭和右鰭在收放鰭過程中對應(yīng)PLC 的輸入和輸出，并觀察和測量收鰭/放鰭電磁閥1、負(fù)荷感應(yīng)隔離電磁閥11、泵卸載電磁閥32的動作情況。

收鰭操作時(shí)，左右舷減搖鰭對應(yīng)電磁閥動作時(shí)序相同，排除左舷PLC 數(shù)字輸出故障和收放鰭電磁閥故障。進(jìn)一步排查PLC 模擬量輸入和收鰭/放鰭位置反饋傳感器。

放鰭操作時(shí)，左舷減搖鰭動作時(shí)序有誤：檢查左鰭觸摸屏的硬件信息頁的PLC 數(shù)字量輸出DO 的相應(yīng)狀態(tài)為OFF，電磁閥負(fù)荷感應(yīng)隔離電磁閥11、泵卸載電磁閥32 的線圈未得電。默認(rèn)PLC 程序執(zhí)行正常且無硬件故障，則判斷PLC 輸入條件不滿足，即收/放鰭位置反饋傳感器送給PLC 模擬量輸入模塊4-20 mA 的電流信號有誤，放鰭操作中左鰭Extending 指示燈持續(xù)閃爍，無法進(jìn)入穩(wěn)定程序進(jìn)行鰭上升和下降操作。

檢查收/放鰭位置反饋傳感器，在觸摸屏硬件信息頁觀察比對左右舷減搖鰭收鰭/放鰭操作過程中對應(yīng)輸出的電流信號，記錄數(shù)據(jù)如下：左舷放鰭到位時(shí)的位置反饋傳感器電流信號為4.41mA，收鰭到位時(shí)的位置反饋傳感器電流信號為19.05mA；右舷放鰭到位時(shí)的位置反饋傳感器電流信號為4.30mA，收鰭到位時(shí)的位置反饋傳感器電流信號為18.91mA?？梢钥闯鲎笙蠝p搖鰭位置反饋傳感器的輸出電流信號偏大0.12mA 左右，可能是導(dǎo)致本次故障的原因。

檢查左舷減搖鰭收/放鰭位置反饋傳感器的信號線1 和2 接入本地控制單元的接線排TB1 的29、30 端子處，將信號線1、2 在控制箱的接線端子處拆下，通過信號發(fā)生器在29、30 端子處通過恒流源裝置接入18.91mA的電流信號，此時(shí)左舷HOUSED 指示燈亮。即確認(rèn)了故障：因位置反饋傳感器的信號偏差，放鰭操作時(shí)鰭片伸出已到位但是反饋電流偏大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)識別放鰭未到位，PLC 無相應(yīng)數(shù)字輸出，負(fù)荷感應(yīng)旁通閥電磁閥11、泵卸載電磁閥32 不得電，系統(tǒng)仍指示“Extending”，無法進(jìn)入船舶穩(wěn)定、鰭角擺動的程序；收鰭操作時(shí)，鰭片收回已到位但是反饋電流偏大，控制系統(tǒng)識別收鰭未到位，收鰭時(shí)間過長導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)出“Port fin failed to lock in time”報(bào)警，且HOUSED 指示燈不亮。

如圖2所示，在左舷收鰭/放鰭位置反饋傳感器的信號輸出端1 和2，通過串并聯(lián)的兩個(gè)電阻（R1 為1.1 Ω，R2 為2.8 kΩ），使傳感器輸出信號分流后送至接線端子29、30 接入PLC 模擬量輸入模塊。如圖3所示，此時(shí)電流減小至18.917mA，左舷鰭片收回狀態(tài)HOUSED指示燈點(diǎn)亮。通電運(yùn)行，收/放鰭操作試驗(yàn)其功能，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2 位置傳感器信號改接圖

圖3 左舷減搖鰭本地液晶顯控單元

3 結(jié)束語

本文介紹的“育鯤”輪減搖鰭裝置放鰭和收鰭故障的直接原因是收鰭/放鰭位置反饋傳感器信號偏移所致，拋錨中通過收鰭/放鰭操作試驗(yàn)，實(shí)測位置反饋電流數(shù)據(jù)通過串并聯(lián)電阻分流進(jìn)行處理，解決了收鰭/放鰭故障，保障了船舶航行和教學(xué)實(shí)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)。通過本文對該故障實(shí)例分析和排查處理為同類型減搖鰭裝置故障解決提供參考。