某輪主推調(diào)距槳調(diào)距卡頓故障實例分析

王其林

（煙臺打撈局，山東 煙臺 264000）

1 引言

某輪是具有DP-2（Dynamic Positioning Class 2，2級動態(tài)定位）功能的大型起拋錨遠(yuǎn)洋拖輪，安裝有兩套四沖程柴油機(jī)驅(qū)動的調(diào)距槳主推進(jìn)系統(tǒng)，長期在中國南海深水區(qū)作業(yè)，作業(yè)海況差、任務(wù)重、時間長。調(diào)距槳螺距調(diào)節(jié)速度直接決定推進(jìn)器的動力響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)速度快推進(jìn)器動力響應(yīng)快，船舶的機(jī)動性和操縱性能好，DP 定位精度高；反之，船舶的機(jī)動性和操縱性能差，DP 定位精度低。因此分享該輪右主推調(diào)距槳螺距調(diào)節(jié)連續(xù)卡頓故障實例的原因分析、排查過程和總結(jié)，供大家參考。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理（見圖1）

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）主推進(jìn)動力裝置的組合主要由WICHMATIC Ⅱ遙控控制系統(tǒng)、瓦錫蘭W12V32 四沖程柴油機(jī)、VOLDA 減速齒輪箱和CP100 調(diào)距槳組成。

（2）WICHMATIC Ⅱ遙控控制系統(tǒng)主要包括前后駕操縱臺、集控室操縱臺、遙控控制柜、螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)?？刂乒δ苡蛇b控控制柜內(nèi)的PLC和計算機(jī)來完成，PLC 主要控制柴油機(jī)的啟停、離合器的合脫，計算機(jī)控制螺距調(diào)節(jié)、主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定和負(fù)載等操作，并可以通過人機(jī)交互界面調(diào)整螺距調(diào)節(jié)速度、主機(jī)負(fù)載控制等參數(shù)。

（3）瓦錫蘭W12V32 四沖程柴油機(jī)是12 缸缸徑為320MM 的V 型機(jī)，單臺功率5520KW，燃油類型是輕柴油，通過中間軸與齒輪箱相連。

（4）VOLDA 減速齒輪箱由傳動齒輪、液壓離合器、伺服油控制和伺服活塞機(jī)構(gòu)等組成，通過尾軸和CP100調(diào)距槳相連。液壓聯(lián)軸器將齒輪箱和尾軸連在一起，動力傳動桿和伺服活塞桿在它內(nèi)部連接。傳動桿穿過尾軸，將伺服活塞的力傳遞至槳轂內(nèi)，并通過十字頭滑塊機(jī)構(gòu)把往復(fù)力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)力，使槳葉左右旋轉(zhuǎn)改變與槳轂的相對位置，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)螺距的目的。

（5）螺距控制原理：操縱手柄發(fā)出螺距調(diào)節(jié)命令，計算機(jī)接收、處理、發(fā)送螺距方向與速度調(diào)節(jié)信號至螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)移動換向滑閥同時帶動螺距反饋電位器轉(zhuǎn)動，換向滑閥移動開啟伺服油路，使伺服活塞機(jī)構(gòu)帶動動力傳動桿、十字頭滑塊和槳葉跟隨換向滑閥移動，計算機(jī)同時接收螺距反饋信號，螺距達(dá)到設(shè)定值時，停止發(fā)送螺距調(diào)節(jié)信號，螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)停止移動換向滑閥，伺服活塞繼續(xù)跟隨直至油路閉鎖，螺距調(diào)節(jié)完成并鎖定。

3 故障現(xiàn)象

某日DP 靠泊鉆井平臺吊裝作業(yè)結(jié)束后，使用JOYSTIK（聯(lián)合操縱桿）模式向前操縱船舶離開，DP界面顯示右推推力比左推小，螺距百分比也小。安全離開作業(yè)區(qū)域后，切換至WICHMATIC Ⅱ系統(tǒng)控制，用操縱手柄控制右推，往正車加螺距測試，指針表顯示螺距有連續(xù)卡頓現(xiàn)象，調(diào)節(jié)同樣大小螺距，用時是左推的兩倍，從正車回零和倒車及倒車回零，螺距調(diào)節(jié)正常。

4 故障原因分析、排查

通過對以上故障現(xiàn)象和螺距控制原理分析，雖然此故障不是系統(tǒng)性的而是局部性的，但是此調(diào)距系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，在電氣、機(jī)械和液壓三方面都可能存在問題，比如電氣方面信號設(shè)定、反饋、處理故障，機(jī)械方面的動力傳動機(jī)構(gòu)卡阻，液壓方面的閥門卡阻、滲漏等問題，均會造成螺距調(diào)節(jié)卡頓。監(jiān)控報警面板和機(jī)旁，查看滑油壓力、溫度、液位等參數(shù)均正常，因此先以電氣為切入點，來查找故障原因。

4.1 電氣方面

4.1.1 螺距設(shè)定信號不連續(xù)

WICHMATIC Ⅱ系統(tǒng)螺距控制采用的是±10VDC電壓信號。DP 系統(tǒng)通過模塊直接發(fā)送±10VDC 螺距設(shè)定信號給WICHMATIC Ⅱ系統(tǒng)；WICHMATIC Ⅱ系統(tǒng)操縱臺是通過轉(zhuǎn)動手柄改變電位器的電阻，以電位器輸出端電壓作為螺距設(shè)定信號。本船有DP 和前、后駕、集控室四個操縱臺，通過轉(zhuǎn)換操縱位置的方式，測試螺距設(shè)定信號。各位置操縱正車加螺距均存在連續(xù)卡頓現(xiàn)象，而在遙控控制柜5 號信號采集模塊處，測量各位置輸入電壓，信號連續(xù)穩(wěn)定，因此判斷螺距設(shè)定信號正常。

4.1.2 螺距反饋信號不連續(xù)

螺距反饋電位器由兩個2KΩ 同軸旋轉(zhuǎn)的滑動變阻器組成，分別的作用是為各操縱臺反饋可視螺距信號和控制系統(tǒng)反饋螺距信號。電位器安裝在螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)上，由渦輪減速齒輪帶動，齒輪轉(zhuǎn)動同時帶動電位器軸轉(zhuǎn)動，電位器電阻變化使輸出端的電壓信號變化，從而起到反饋螺距值的作用。打開電位器接線盒，檢查兩組電位器接線端子焊接良好，電位器螺栓固定和傳動軸連接良好，測量兩組反饋電壓信號一致。后駕為本輪主操縱臺，有主、備用操作模式，按下備用操作模式按鈕，控制反饋螺距信號被旁通，可視反饋信號仍然有效，使用方向按鈕調(diào)節(jié)螺距，右推正車加螺距仍然連續(xù)卡頓，速度也較慢，且右機(jī)負(fù)載比左機(jī)小，因此判斷故障現(xiàn)象與反饋電位器無關(guān)，電位器狀態(tài)良好。

4.1.3 螺距設(shè)定控制卡或電動馬達(dá)故障

控制系統(tǒng)有兩塊型號一致的螺距設(shè)定控制卡，具有主、備用的功能。主控制卡從NO.6 VMIO CARD 接收螺距方向與速率的調(diào)節(jié)信號，向螺距設(shè)定機(jī)構(gòu)的電動馬達(dá)發(fā)送方向和速度的調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)隨動調(diào)節(jié)；備用控制卡只接收主駕操縱臺的備用螺距方向控制按鈕信號，向電動馬達(dá)發(fā)出方向調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)非隨動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度由電位器預(yù)先設(shè)定。因此在各操縱位置先使用隨動模式操作，主控制卡輸出信號有中斷跳躍的現(xiàn)象；再在主駕位置切換至備用操作模式，備用控制卡輸出信號仍然有中斷跳躍現(xiàn)象；同時在機(jī)旁觀察電動馬達(dá)運(yùn)動受阻，有停止回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。于是脫開電動馬達(dá)與螺距設(shè)定機(jī)構(gòu)的連接，以同樣方式做分離測試，測量主、備用控制卡的輸出信號，無中斷跳躍現(xiàn)象，電動馬達(dá)正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行，因此判斷螺距設(shè)定控制卡和電動馬達(dá)功能正常。

經(jīng)過以上測試判斷，電氣系統(tǒng)信號設(shè)定、反饋、處理、轉(zhuǎn)換均正常?？刂瓶ㄝ敵鲂盘栍兄袛嗵S現(xiàn)象，應(yīng)是電動馬達(dá)運(yùn)動受阻，觸發(fā)馬達(dá)保護(hù)功能，而發(fā)出停止的信號。電動馬達(dá)通過渦輪減速機(jī)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，馬達(dá)運(yùn)動受阻，可能與渦輪減速機(jī)構(gòu)有關(guān)，因此接下來查找機(jī)械方面的原因。

4.2 機(jī)械方面

4.2.1 螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)卡阻

螺距設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包含電動馬達(dá)、渦輪減速齒輪和螺距反饋電位器，它的作用是將電動馬達(dá)的扭矩轉(zhuǎn)換為前后移動換向滑閥的力。該機(jī)構(gòu)有遙控和手動兩種操作模式，遙控模式是通過電動馬達(dá)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)螺距，手動模式是機(jī)旁通過轉(zhuǎn)動手輪調(diào)節(jié)螺距。由于遙控模式操作馬達(dá)運(yùn)動受阻，為排除馬達(dá)扭矩不足的原因，所以轉(zhuǎn)換為手動模式測試。機(jī)旁按下模式切換按鈕，紅色指示燈亮，轉(zhuǎn)動手輪調(diào)節(jié)螺距，正車加螺距有明顯的卡阻現(xiàn)象，說明卡阻與馬達(dá)扭力無關(guān)。因該機(jī)構(gòu)通過杠桿向換向滑閥傳遞力矩，于是拆下杠桿，手動和遙控轉(zhuǎn)動渦輪減速齒輪機(jī)構(gòu)，無卡阻現(xiàn)象，證明該機(jī)構(gòu)正常，卡阻應(yīng)是齒輪箱內(nèi)部換向滑閥等部件引起。

4.2.2 換向滑閥運(yùn)動受阻

伺服活塞前部活塞桿為中空，內(nèi)部有油孔通道，換向滑閥從前部插入，貫穿于伺服活塞左右兩側(cè)，組合形成伺服油控制機(jī)構(gòu)，起到開啟或關(guān)閉伺服油路的作用，后部活塞桿與動力傳動桿連接，傳遞動力的作用。換向滑閥移動開啟對應(yīng)油路開始調(diào)節(jié)螺距，伺服活塞跟隨移動，螺距調(diào)節(jié)到位時閉鎖對應(yīng)油路，同時起到穩(wěn)定螺距的作用。換向滑閥位于齒輪箱內(nèi)，需要通過檢修孔才能對其檢查，于是利用靠泊期間邀請服務(wù)工程協(xié)助檢查，做如下測試：①打開齒輪箱檢修孔蓋，脫開滑閥與驅(qū)動杠桿的連接，前后移動滑閥，自由移動間隙約10mm，與說明書間隙相符，左右旋轉(zhuǎn)滑閥，無卡阻現(xiàn)象；②啟動電動備用泵，觀察滑閥與配油蓋密封，泄漏量正常；③向前移動滑閥，倒車調(diào)節(jié)螺距，滑閥移動無卡阻，螺距調(diào)節(jié)連續(xù)，檢查滑閥桿表面光滑，無偏磨現(xiàn)象；④向后移動滑閥，正車調(diào)節(jié)螺距，滑閥移動無卡阻，螺距調(diào)節(jié)連續(xù)；⑤啟動主機(jī)，零螺距檢查，滑閥勻速旋轉(zhuǎn)，密封泄漏正常。

調(diào)距機(jī)構(gòu)在停止與運(yùn)行時各部件的運(yùn)動狀態(tài)是不同的，受力情況也是不同的，由于船舶處于靠泊狀態(tài)，只能做停止調(diào)距測試，無法檢查運(yùn)行調(diào)距時滑閥的狀態(tài)。而且靠泊時間較短，服務(wù)工程師只能根據(jù)以上測試，分析認(rèn)為換向滑閥、配油與伺服活塞機(jī)構(gòu)基本正常，有可能的原因是不斷變化的推水反作用力傳遞至槳轂內(nèi)，致使力的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)磨損而導(dǎo)致故障的出現(xiàn)。但是與伺服活塞機(jī)構(gòu)相連的動力傳動桿、十字頭轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)均屬內(nèi)部部件，船舶營運(yùn)期間也無法檢查這些部件的真實狀態(tài)，需要廠修時才能檢修，因此假設(shè)它們正常，再排查一下液壓方面的原因。

4.3 液壓方面

4.3.1 系統(tǒng)油質(zhì)不達(dá)標(biāo)

系統(tǒng)油即有軸承與齒輪潤滑的作用，又有傳遞液壓動力至伺服活塞的作用，因此對油質(zhì)的要求較高，既要保持粘溫性，又要保持流動性。最近一次換油后，使用600h 時取樣由供應(yīng)商實驗室化驗，結(jié)果顯示污染等級和粘溫性正常，目前已使用1000h 左右，檢查滑油物理特性無異常，靜態(tài)測量油位偏高。油位高散熱不好且攪動厲害容易混入空氣，降低泵的工作效率，于是將多余油駁至污油艙。檢查并清洗吸口濾網(wǎng)，清除油泥與漆皮；檢查出口壓力濾芯，無金屬磨粒，換新濾芯。啟動運(yùn)行測試，故障現(xiàn)象仍然存在。

4.3.2 RE-STRU-SI-KO 閥故障

RE-STRU-SI-KO 閥（見圖2）是一個由減壓、順序、安全、換向閥組合體閥件，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且作用多，分別有減壓、穩(wěn)壓、保護(hù)和控制作用。減壓作用是防止離合器油壓力過高，穩(wěn)壓作用是維持泵的出口壓力供離合器使用，保護(hù)作用是防止泵出口壓力過高，控制作用是控制離合器合脫。離合器磨損、安全閥芯密封不嚴(yán)、順序閥卡阻，都會使油泵的能量損失，降低伺服油的作用。

圖2 組合液壓閥門原理圖

該液壓離合器閉合時有一個預(yù)離合過程，需在設(shè)定時間內(nèi)完成，否則將觸發(fā)故障報警，監(jiān)控離合器閉合過程正常，運(yùn)行中狀態(tài)良好，油壓穩(wěn)定，證明減壓閥（圖2-E）與換向閥正常。安全閥（圖2-F）是整體組裝式閥門，靠螺紋緊固在組合閥體上，整體擰下，閥芯關(guān)閉良好，彈簧無損壞，運(yùn)轉(zhuǎn)時最大的伺服油壓力50bar，未超過55bar 的設(shè)定值，因此判斷安全閥無泄漏。順序閥是在組合閥體上組裝的，主要由閥套、大小活塞、彈簧組成，閥后的壓力油是用來調(diào)節(jié)螺距的伺服油，活塞表面磨損，運(yùn)動阻力增加，節(jié)流降壓作用，會使伺服油的動力減弱。標(biāo)記好設(shè)定位置，卸下閥門，檢查閥芯，活塞與閥套配合良好，無異常磨損現(xiàn)象，設(shè)定彈簧良好，因此判斷該閥門正常。

4.3.3 齒輪箱油泵性能下降

對順序閥門檢查時發(fā)現(xiàn)，伺服油壓表的測取點（圖2-G）是在閥前，而不是在閥后，那么該壓力表測量的不只是伺服油壓力，而是伺服油壓力和閥彈簧的彈力之和。彈簧的彈力與彈簧的壓縮量有關(guān)，而穩(wěn)定運(yùn)行的順序閥門開度與彈簧設(shè)定值的初始值有關(guān)，但也會隨閥前后壓力改變有一個較小變化量，因此假定彈簧彈力是一個定值，壓力表測量的壓力就可以反映出伺服油壓力的變化量，表壓越大變化量越大，伺服油壓就越大。再通過對左右推的觀察，在往正車加螺距時伺服油壓表，壓力顯示都是最大的，說明在往正車加螺距時的伺服油壓最大，需要克服的阻力就最大。而此表壓力均未超過安全閥設(shè)定值，說明調(diào)距機(jī)構(gòu)并未卡死，而左推調(diào)節(jié)正常，右推卻連續(xù)卡頓、時間長，由此分析右推用于克服阻力的伺服油壓力已達(dá)到，而可能流量不足，使調(diào)距速度慢，出現(xiàn)連續(xù)卡頓現(xiàn)象，于是決定從提高系統(tǒng)油流量方面入手。

系統(tǒng)油的流量與油泵性能有直接關(guān)系，此泵是重要備件，船上有新總成一臺，因此按說明書要求提前安裝好聯(lián)軸器，挑作業(yè)間隙，更換油泵。在拆下油泵時，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器橡膠墊塊碎裂，油泵和驅(qū)動端聯(lián)軸器金屬塊各損壞一個，其余四個均嚴(yán)重磨損。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端損壞金屬塊的固定螺栓孔，外部螺紋有損傷，因其內(nèi)部螺紋良好，為了平衡轉(zhuǎn)動慣量，驅(qū)動端均換加長螺栓并打螺紋膠固定。換新?lián)p壞件，將油泵安裝完成后，啟動主機(jī)檢查，零螺距時，潤滑油壓力提高0.6bar，伺服油壓表壓力提高6bar，表明系統(tǒng)油流量明顯提高。正車加螺距測試，連續(xù)卡頓現(xiàn)象排除，左右推對比調(diào)節(jié)時長一致。

由此分析故障的根本原因是機(jī)帶齒輪泵性能下降，致使伺服油量不足，推動伺服活塞機(jī)構(gòu)移動的速度跟不上調(diào)距設(shè)定機(jī)構(gòu)移動的速度，而出現(xiàn)連續(xù)卡頓的現(xiàn)象。而造成齒輪泵性能下降的主要原因是驅(qū)動端金屬塊固定螺孔螺紋損傷，使金屬塊固定不良，受力分配不均而損壞，導(dǎo)致傳遞到泵輸入軸的力不平衡，由于泵長期運(yùn)行造成內(nèi)部齒輪逐漸偏磨，內(nèi)泄量逐漸增大，排出流量逐步減小，直到不能克服最大調(diào)距阻力而出現(xiàn)故障。

5 結(jié)束語

調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時涉及水上、水下系統(tǒng)和部件，出現(xiàn)問題時，查找起來也比較困難。通過對此次故障的分析、排除，認(rèn)為分系統(tǒng)、分步的方法查找故障原因非常重要，首先縮小故障查找范圍，降低查找難度，提高排除故障速度，其次對各系統(tǒng)的工作原理、功能和內(nèi)在聯(lián)系會更加熟悉，同時也對做好維護(hù)保養(yǎng)工作有積極指導(dǎo)作用，使其針對性更強(qiáng)、效果更好。