舵機液壓鎖定報警分析與測試研究

張興彪 李 偉

（大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026）

0 引言

輪機人員對船舶舵機液壓鎖定報警（Hydraulic Lock Alarm）的工作原理、報警原因和測試方法了解不多，舵機運行過程中出現(xiàn)該報警時，輪機人員往往無法快速分析和排除故障，因該報警導(dǎo)致船舶停航、擱淺或碰撞事故也時有發(fā)生。因此有必要對各種類型舵機液壓鎖定報警的基本原理進(jìn)行分析，并對該報警的常見原因和測試方法進(jìn)行簡單介紹，以供相關(guān)人員參考和借鑒。

1 液壓鎖定報警定義和規(guī)范要求

舵機液壓鎖定是指因兩套舵機系統(tǒng)中的液壓油運動方向不一致，發(fā)生液壓油堵塞或旁通，轉(zhuǎn)舵機構(gòu)不能完成操舵指令要求的動作，導(dǎo)致失去操舵能力的情況。根據(jù)CCS、DNV 和LR 的規(guī)定，多于一套的舵機系統(tǒng)（動力或控制）同時運行時，液壓鎖定報警應(yīng)能夠識別系統(tǒng)故障并在下列情況下動作：在泵控型液壓舵機中，變量泵的偏心位置（即變量泵中斜盤的傾斜方向）不符合操舵指令的要求；在閥控型液壓舵機中，全流量三通閥處于不正確的位置。發(fā)生液壓鎖定時，駕駛臺應(yīng)有聲光報警來指示該故障。[1]

DNV 規(guī)范中還明確規(guī)定：當(dāng)有超過一套的舵機系統(tǒng)布置在舵機室，且可以被同時操作時，則需考慮由單一故障引起液壓鎖定故障的風(fēng)險。液壓鎖定包含2 套舵機系統(tǒng)（一般是完全相同的系統(tǒng)）發(fā)生彼此動作不一致現(xiàn)象而導(dǎo)致失去操舵能力故障的所有情形。如2 套舵機系統(tǒng)中的液壓油相互沖擊而引起的液壓鎖定故障，或是由于液壓油旁通而導(dǎo)致的管路的油壓下降，或者液壓油的油壓完全不能建立從而導(dǎo)致的無法轉(zhuǎn)舵。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2018》第三篇中第13 章“操舵裝置與錨機裝置”規(guī)定：

13.1.7.7 液壓阻塞：如操舵裝置的布置多于一個系統(tǒng)（動力系統(tǒng)或控制系統(tǒng)），并能同時進(jìn)行操作時，則應(yīng)考慮由于單項故障而引起液壓阻塞的危險性。

13.1.9.5 液壓阻塞報警：由單一故障引起的液壓阻塞，可能會引起操舵失靈時，在駕駛室內(nèi)應(yīng)設(shè)置聲光報警。在下列情況下，此報警應(yīng)動作：（1）變量泵控制系統(tǒng)的位置與所給操舵指令不一致；或（2）在定量泵系統(tǒng)中的全流量三通閥位置不正確。

2 舵機液壓鎖定報警原理分析

2.1 Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警分析

Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警檢測方法是在操縱閥的每一端安裝一個接近傳感器，以檢測閥芯是向左還是向右。雙泵單元中的每一臺泵單元均安裝這種傳感器。轉(zhuǎn)舵指令信號由控制系統(tǒng)產(chǎn)生。如果無轉(zhuǎn)舵指令并且操縱閥閥芯鎖定在外部位置，則在大約5 s 后，將在駕駛臺和控制室出現(xiàn)液壓鎖定報警；或者如果一臺舵機油泵處于遙控運行模式，駕駛臺給出轉(zhuǎn)舵指令時接近開關(guān)檢測到操縱閥被鎖定，將在駕駛臺和控制室出現(xiàn)液壓鎖定報警。

Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警原理如圖1 所示，接近傳感器安裝在操縱閥的兩側(cè)，檢測閥芯的運動方向，如果閥芯靠近接近傳感器，則其觸點閉合，反之觸點斷開。光電耦合器安裝在控制系統(tǒng)內(nèi)部，接收指令舵角信號，有舵角指令時，則其觸點閉合，反之觸點斷開。Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警有兩種設(shè)計方式，一種是有轉(zhuǎn)舵指令時，觸點K02或K03 中有一個閉合就會輸出報警，這種設(shè)計通常用于閥控舵機；另一種是無轉(zhuǎn)舵指令時，觸點K02 或K03 中有一個斷開則輸出報警，這種設(shè)計通常用于泵控舵機。

圖1 Rolls-Royce 舵機液壓鎖報警原理圖

Rolls-Royce 泵控舵機液壓鎖定報警設(shè)計如圖2 所示，變頻電機驅(qū)動變向油泵，實現(xiàn)改變轉(zhuǎn)舵方向和速度。駕駛臺發(fā)出左舵指令后，電磁閥有電，油泵左吸右排，液壓油經(jīng)右側(cè)單向閥和插裝閥進(jìn)入轉(zhuǎn)葉油缸，向左舵方向轉(zhuǎn)舵，油缸的回油經(jīng)負(fù)荷感應(yīng)閥進(jìn)入濾油器，然后推開安裝液壓鎖定傳感器的單向閥回到油泵左側(cè)吸口。該報警設(shè)計為無轉(zhuǎn)舵指令時有一個接近開關(guān)觸點斷開時輸出液壓鎖定報警。圖中液壓鎖定接近傳感器安裝在左側(cè)的兩個單向閥附近，作用是檢測單向閥的閥芯位置。根據(jù)圖2 中的液壓系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)左舵之前，如果安裝傳感器的單向閥處于開啟位置，這時液壓油將經(jīng)過兩個安裝傳感器的單向閥直接回到油泵吸口，導(dǎo)致形成閉式回路而無法轉(zhuǎn)舵，這種情況下應(yīng)該輸出液壓鎖定報警。在無轉(zhuǎn)舵指令時，如果安裝傳感器的兩個單向閥均處于關(guān)閉位置，接近傳感器觸點閉合，繼電器K02 和K03 均有電，其觸點均閉合，不輸出液壓鎖定報警；如果某個單向閥處于開啟位置，其觸點斷開，繼電器K02 或K03 中某個失電，觸點K02 和K03 中將有一個斷開，這時將會輸出液壓鎖定報警。因為在正常轉(zhuǎn)舵時，安裝傳感器的單向閥將有一個處于開啟狀態(tài)，為了防止輸出液壓鎖定報警，接近傳感器位置采用交叉安裝，即左舵接近傳感器安裝在轉(zhuǎn)右舵的單向閥上，右舵接近傳感器安裝在轉(zhuǎn)左舵的單向閥上。如果控制系統(tǒng)收到左舵指令，則左舵光電耦合器觸點閉合，但是因為轉(zhuǎn)左舵單向閥上安裝的是右舵接近傳感器，該閥處于關(guān)閉位置，繼電器K03有電，觸點K03閉合，因此不會輸出液壓鎖定報警。

圖2 Rolls Royce 泵控舵機液壓鎖定報警設(shè)計

Rolls-Royce 閥控舵機液壓鎖定報警設(shè)計如圖3 所示，無舵角指令時，先導(dǎo)換向閥處于中位，油泵排油經(jīng)節(jié)流孔、先導(dǎo)換向閥P 口和T 口和濾油器回到油箱，溢流閥外控口通油箱，溢流閥開啟，油泵處于卸荷狀態(tài)，先導(dǎo)換向閥A、B 口也和T 口相通，主換向閥閥芯在復(fù)位彈簧作用下處于中位。如果控制系統(tǒng)收到左舵指令，則電磁鐵Y1 有電，先導(dǎo)閥左位通，P 口油液經(jīng)A 口到達(dá)主換向閥左側(cè)，將主閥芯推向右側(cè)，主閥左位通，主閥芯右側(cè)油液經(jīng)先導(dǎo)閥B、T口會油箱，溢流閥因其外控口不再通T 口而關(guān)閉，油泵處于加載狀態(tài)，其排油經(jīng)主閥P、A 口至轉(zhuǎn)舵油缸，推動舵葉向左舵方向轉(zhuǎn)動。此時，主閥芯處于右側(cè)，安裝在右側(cè)的左舵接近傳感器觸點閉合，圖1 中繼電器K02 有電，其觸點K02 閉合。因為無右舵指令，右舵光電耦合器觸點斷開，安裝在主閥左側(cè)的右舵接近傳感器觸點斷開，繼電器K03失電，其觸點K03 斷開，不會輸出液壓鎖定報警。如果收到左舵指令時，主閥閥芯處于左側(cè)，則左側(cè)的右舵接近傳感器觸點閉合，繼電器K03 有電，其觸點K03 閉合，同時左舵光電耦合器觸點閉合，此時就會輸出液壓鎖定報警。

圖3 Rolls Royce 閥控舵機液壓鎖定報警設(shè)計

2.2 KAWASAKI 舵機液壓鎖定報警分析

如圖4 所示，接收轉(zhuǎn)舵指令后，控制系統(tǒng)將舵角指令信號和實際舵角反饋信號之間的偏差值送到力矩馬達(dá)，力矩馬達(dá)驅(qū)動伺服滑閥，伺服油缸驅(qū)動主泵變量機構(gòu)，主泵輸出指令所需的排向和排量。如果偏差信號使力矩馬達(dá)驅(qū)動伺服滑閥閥芯右移，則輔泵的控制油進(jìn)入伺服活塞左腔，右腔通油箱，伺服活塞右移，同時反饋桿帶動伺服閥套也右移，并最終使閥芯回到中位。此時，伺服活塞停止在一定位置，主泵的變量機構(gòu)按所需的排向和排量向轉(zhuǎn)舵油缸輸送壓力油。轉(zhuǎn)舵油缸將舵葉向要求的舵角轉(zhuǎn)動，同時實際舵角的反饋信號送回控制器。當(dāng)實際舵角接近指令舵角時，即偏差信號較小時，力矩馬達(dá)不足以克服伺服閥芯的彈簧力，閥芯在彈簧力的作用下左移，輔泵的控制油進(jìn)入伺服油缸左右兩腔，伺服活塞向左移動，同時帶動閥套左移，使閥芯回中。此時，主泵的變量機構(gòu)已將泵的排量減至最小，同時舵角的偏差信號也已為零，轉(zhuǎn)舵停止，主油路鎖閉。

圖4 KAWASAKI 舵機液壓鎖定報警設(shè)計

當(dāng)力矩馬達(dá)動作與舵角信號和實際舵角之間的偏差信號不一致時,控制系統(tǒng)便會輸出力矩馬達(dá)故障報警。因為變量泵的排向和排量由斜盤傾斜方向和角度控制，斜盤傾斜方向和角度由伺服滑閥控制，而伺服閥由力矩馬達(dá)控制，通過檢測力矩馬達(dá)動作可以判斷變量泵的斜盤傾斜方向是否正常。因此，某些船級社認(rèn)為力矩馬達(dá)故障報警可替代液壓鎖定報警。KAWASAKI FE-21 泵控型電液舵機就是以力矩馬達(dá)故障報警來代替舵機液壓鎖定報警[2]。

KAWASAKI RV-21-063-H 閥控型舵機采用與其他閥控型舵機類似的液壓鎖定報警設(shè)計，即電液換向閥不能夠按照操舵指令正確動作時輸出液壓鎖定報警。該報警檢測裝置由閥芯位置傳感器、液壓鎖探測器、報警面板、電源模塊組成。每個電液換向閥裝有兩個閥芯位置傳感器（左舵?zhèn)鞲衅骱陀叶鎮(zhèn)鞲衅鳎?。左舵時，閥芯移到右側(cè)，左舵?zhèn)鞲衅饔|點斷開，右舵?zhèn)鞲衅饔|點閉合；右舵時，閥芯移到左側(cè)，右舵?zhèn)鞲衅饔|點斷開，左舵?zhèn)鞲衅饔|點閉合。液壓鎖定探測器將舵機指令信號與閥芯位置傳感器反饋信號進(jìn)行比較，如果閥芯沒有按照操舵指令信號正確動作，就會發(fā)出液壓鎖定報警信號。左舵時，閥芯應(yīng)該移動到右側(cè)，如果閥芯位于中位或左側(cè)，就會發(fā)出液壓鎖定報警。

2.3 KGW 舵機液壓鎖定報警分析

KGW 舵機實現(xiàn)液壓鎖定報警是通過比例電磁閥的電流和主管路上的壓力開關(guān)的相互作用。如圖5 所示，比例電磁閥的電磁鐵電流信號和舵角指令信號成比例，即有舵角指令時，電磁鐵1Y1 或1Y2 有電流，比例電磁閥工作在左位或右位，閥芯的位移和電流成比例，無舵角指令時，1Y1 和1Y2 均失電，比例電磁閥處于中位。壓力開關(guān)DS1A 和DS1B 設(shè)定為在壓力上升至36bar時觸點閉合，壓力下降至30 bar時觸點斷開。控制系統(tǒng)接收左舵指令時，電磁鐵1Y1 得電，油泵變量機構(gòu)產(chǎn)生與1Y1 電流成比例的流量輸出，液壓油經(jīng)壓力開關(guān)DS1A 所在的主管路和A 口至轉(zhuǎn)舵油缸，轉(zhuǎn)舵油缸的回油經(jīng)B 口和DS1B 所在的主管路H 回到油泵的吸口。正常轉(zhuǎn)左舵時，DS1A 的觸點閉合，DS1A 的觸點斷開，表明對應(yīng)管路的壓力正常，控制系統(tǒng)不輸出液壓鎖定報警信號。無轉(zhuǎn)舵指令時，電磁鐵1Y1 和1Y2 均無電流流過，比例電磁閥處于中位，油泵變量機構(gòu)回到零位，此時主管路的均應(yīng)低于30 bar，壓力開關(guān)DS1A和DS1B均斷開，控制系統(tǒng)不輸出液壓鎖定報警信號；如果主管路有一側(cè)壓力達(dá)到36 bar，控制系統(tǒng)就會輸出液壓鎖定報警信號，既在無轉(zhuǎn)舵指令時，如果主管路壓力上升至36 bar，控制系統(tǒng)輸出液壓鎖定報警。為了消除主管路壓力波動引起的誤報警，液壓鎖定報警的設(shè)定延時8 s。

圖5 KGW 泵控舵機液壓鎖定報警設(shè)計

2.4 HATLAPA 舵機液壓鎖定報警分析

如圖6 所示，指令舵角信號（0～5 V）使舵機變量變向油泵產(chǎn)生對應(yīng)的排向和排量輸出，油泵排向和排量大小取決于舵角信號。給出指令舵角信號后，油泵的電液比例閥就會根據(jù)指令舵角信號使油泵變量機構(gòu)產(chǎn)生對應(yīng)方向的機械位移，油泵上的液壓傳感器檢測油泵變量機構(gòu)的機械位移和動作方向，并產(chǎn)生與指令舵角對應(yīng)的輸出信號（0～5 V）?？刂葡到y(tǒng)比較指令舵角信號和液壓鎖傳感器的輸出信號，如果二者之間的偏差超過設(shè)定值，說明變量變向油泵產(chǎn)生的排向和排量輸出和指令舵角信號所需不一致，就會激活液壓鎖定報警。

圖6 HATLAPA 泵控舵機液壓鎖定報警設(shè)計

3 舵機液壓鎖定報警測試方法

輪機人員應(yīng)該在開航前或定期進(jìn)行液壓鎖定報警功能試驗，具體操作應(yīng)該參考舵機說明書。因篇幅限制，本文僅介紹兩種舵機該報警的測試方法。

3.1 ROLLS-ROYCE 舵機測試方法

對于圖2 中的ROLLS-ROYCE 泵控變頻舵機，首先駕駛臺選擇OVERRIDE 模式，然后將接線端子塊X8:1 拆卸下來（斷開接近傳感器的電源），或者直接拆下一個接近傳感器的接線，延時5 s 后，正常將會出現(xiàn)液壓鎖定報警。

對于圖3 中的ROLLS-ROYCE 閥控舵機，在駕駛臺選擇OVERRIDE 模式，將電機控制器轉(zhuǎn)到遙控位置，啟動兩臺舵機油泵，手動按壓左舵或右舵電磁閥的閥芯約5 s，正常應(yīng)將會出現(xiàn)液壓鎖定報警。

3.2 KAWASAKI 舵機測試方法

對于KAWASAKI 閥控型舵機，方法一：起動1 臺或2 臺泵組，舵機控制置于遙控方式；駕駛臺操舵模式選擇NON-FOLLOW UP，并將NF 操作手柄置于中位，最后手動按壓舵機間電磁換向閥的閥芯持續(xù)約5 s 左右，正常情況應(yīng)將會出現(xiàn)液壓鎖定報警。方法二：舵機運行時，將液壓鎖定報警的時間繼電器的計時時間調(diào)?。梢哉{(diào)至0 s），然后給出對應(yīng)方向的轉(zhuǎn)舵指令后即可激活液壓鎖定報警。

4 舵機液壓鎖定報警原因

舵機說明書中通常會列舉液壓鎖定報警的原因，具體的情況因報警的實現(xiàn)方式而有所不同。液壓鎖定報警常見原因包括：①力矩馬達(dá)故障；②油泵變量機構(gòu)故障；③壓力開關(guān)故障；④位置傳感器故障或接觸不良；⑤位置傳感器安裝不當(dāng)或與換向閥連接件松動；⑥電磁換向閥線圈接觸不良或者燒壞；⑦先導(dǎo)換向閥或主換向閥閥芯卡阻；⑧單向閥卡阻（僅對ROLLS-ROYCE 泵控變頻舵機）；⑨電動機或油泵故障；⑩液壓鎖報警控制電路中線圈或接觸器故障。

5 結(jié)束語

舵機液壓鎖定報警是一項綜合報警，多種原因均可導(dǎo)致該報警發(fā)生，經(jīng)常導(dǎo)致嚴(yán)重后果。管理人員應(yīng)該熟知該報警的設(shè)計原理和測試方法，定期對該報警進(jìn)行維護和測試。出現(xiàn)液壓鎖定報警時，應(yīng)該首先確認(rèn)問題出在液壓系統(tǒng)還是控制電路，然后再逐步進(jìn)行排查。如果采用NFU 模式無法正常轉(zhuǎn)舵，說明問題出在液壓系統(tǒng)；如果采用NFU 模式可以正常轉(zhuǎn)舵，而采用FU 模式時出現(xiàn)報警，說明液壓系統(tǒng)正常，問題應(yīng)該出在控制電路。