液压舵机故障分析
[摘要]此文通过一起船舶发生的故障实例分析，对该型舵机系统的液压控制原理进行了介绍，对故障机理进行了详尽的分析。[关键词] 液压舵机 故障 分析1 设备情况介绍 某集装箱船采用HATLAPA厂家的TELERAMR4ST650型四油缸十字头撞杆式舵机，舵机油泵为主油泵和控制油泵一体式装置，选用REXTOTH厂家的A2P250型，工作流量为300L /分，舵机工作力矩为2784kNm。2 故障现象简述某日机工在巡回检查中发现舵机间停用的备用NO.2舵机油泵管系中有异常声响，即报告大管轮，大管轮启用NO.2舵机油泵联机工作，声响消除，工况正常，抵锚地对两台舵机进行运转和操舵试验，无异常。后正常航行时发现NO.1舵机油泵单独使用、自动舵方式情况下，发生跑舵现象。舵机存在的故障立即引起了船舶的重视，轮机长立即组织人员对两台舵机在不同工况下进行了试舵，取得了准确的第一手资料，并将其试验结果报公司安技部门，工况如表1：表1运行舵机 航速 海况 转舵情况NO.1舵机油泵 15kn 和风轻浪 左舵在15度范围内尚能转动，但舵效慢；右舵能至30度但回舵在10度卡舵，启用两台舵机恢复正常NO.2舵机油泵 15kn 和风轻浪 正常NO.1+NO.2 舵机油泵 15kn 和风轻浪 正常该试验结果报安技部门后，安技部门根据故障是在大负荷情况下出现的这一现象，怀疑是NO.1舵机系统防浪阀出现问题，另考虑到两台舵机系统主油路是连通的，为缩小故障范围，安技部门即电告船舶立即做两台舵机系统隔离情况下的试验，船舶根据要求进行了试验，试验结果如表2：表2运行舵机 航速 海况 转舵情况NO.1舵机油泵关闭C3/***阀 15kn 和风轻浪 正常NO.2舵机油泵关闭C1/C2阀 15kn 和风轻浪 正常经过这样的试验，可以认为在两套舵机系统隔离情况下NO.1舵机油泵和NO.2舵机油泵单独运行时是正常的，防浪阀也可以认为是正常的，问题集中在非隔离情况下两套舵机系统互相影响的原因是什么？船舶在继续观察NO.1舵机油泵马达和NO.2舵机油泵马达单独使用工况中，发现NO.1舵机油泵使用，NO.2舵机油泵停用情况下马达跟转，而NO.1舵机油泵马达在相同情况无此现象，进一步观察油泵斜轴指示，并作了记录如表3：表3运行舵机 NO.1舵机油泵倾斜角度指示 NO.2舵机油泵倾斜角度指示NO.1舵机泵 左10 偏右5振荡NO.2舵机泵 保持为0 正常来回摆动NO.1+NO.2 舵机油泵 正常来回摆动 正常来回摆动至此疑点可以集中在NO.2舵机油泵在停用时斜轴指示停留在偏右并来回振荡上。3 故障分析以上疑点现象反馈到安技部门后，经讨论，该故障的现象理论上可以这样解释，在NO.1舵机油泵运转时，由于停用NO.2舵机油泵斜轴偏离零位，泵缸出现倾斜，偏离中心，在NO.1舵机油泵泵出的高压油作用下油泵逆变为油马达，马达跟转，这样NO.1舵机油泵泵出的部分压力油经NO.2舵机油泵泄漏，也就是说NO.1舵机油泵单独运转时增加了一个负荷，当船舶高速、大舵角时（即大负荷情况）时，NO.1舵机油泵不能承受如此高的负荷，出现反舵现象，至于震荡是因为负荷变化引起NO.1舵机油泵流量变化，主动带动摆缸角度变化。那么为什么NO.2舵机油泵在停止时会出现泵缸偏离中心的情况，我们先分析一下舵机变量变向泵的控制原理。3．1 舵机变量变向泵的控制原理该舵机油泵为摆缸式轴向变向变量柱塞油泵，油泵的变向和变量是通过改变泵缸的倾斜角度来实现的，倾斜角度由伺服油缸控制，无转舵命令时，泵缸居中，控制伺服油泵缸活塞移动的三位三通阀工作位在中位，当有转舵命令时，左（右）比例电磁铁接受自动舵、随动操舵命令动作，调节压力，压力的调整根据转舵舵角的大小由自动舵输出电流大小来控制，其目的是控制转舵速度，M4、M5两个压力点产生压差，使控制三位三通阀的阀芯移动一个位置，工作在上位，伺服油缸中上下油压相同，弹簧的弹力相等，但由压力油作用在活塞的截面积下部大于上部，在相同压强的情况下，下部油压大于上部油压，因此推动伺服杆向上移动，改变油泵泵缸的倾斜角度，变量变向泵开始向舵机油缸供油，开始转舵，同时伺服杆带动反馈杠杆使三位三通阀的阀套移动，使三位三通阀工作位又回到中位，此时由于油路被封，伺服油缸因为液体不可压缩原理使伺服杆固定不再移动，泵缸的倾斜角度固定在一个角度，此时转舵速度已经恒定，当舵叶将转到命令舵角时，自动操舵机构提前控制比例电磁铁失电，两个压力点无压差且压力相同均为50bar，三位三通阀的阀芯移动复位到原来的位置，此时的工作位已是下位，伺服油缸下部油压被泄放，上部因有节流阀进入的50bar控制油作用，克服下部弹簧的压力使伺服杆向下移动，泵缸的倾斜角度回零，使变向变量泵输出停止，同时伺服杆带动反馈杠杆使三位三通阀的阀套移动，使三位三通阀工作位又回到中位，保持舵角位置不变。反向转舵时则相反，三位三通阀先工作在下位，然后回中，然后工作在上位，最后保持在中位。3．2 故障现象机理分析从以上的工作原理分析再推断泵缸偏离中心的故障机理应该有二种：NO.2舵机油泵伺服装置故障——主动引起油泵摆缸，形成油马达作用，由于油泵停止时已无伺服控制油压，无推动伺服油缸活塞移动的作用力，因此引起这种小角度偏离零位则很有可能是伺服油缸的截面积小的一侧弹簧断，因为从伺服油缸的工作原理我们可以看到，在有操舵指令时，滑阀先工作在上位时，伺服油缸中活塞能移动，在中位时由于液体不可压缩原理，也能保持，工作在下位时，活塞在伺服压力液压油的作用下，一般50bar的压力油能克服弹簧的作用使伺服油缸也能移动，所以单泵使用也能继续正常工作，与现象吻合，如截面积大的一侧弹簧断，如上分析工作在上位时，由于截面积差的压力差能够克服弹簧弹力，伺服活塞也可以正常上移（因为正常工作时摆缸角度变化可以达到20度，而现在故障情况下在偏右5度的情况可以判断出由于面积差造成的油压是可以克服一侧弹簧的弹力），舵机也能正常工作，但在停泵时的故障现象就不同于截面积小的一侧弹簧断，因为伺服油缸下部的液压油被滑阀密封住，根据液体不可压缩原理，活塞不能移动，不可能出现偏离零位的现象。油泵本身的问题——如配油盘表面有冲蚀或泵缸预紧力有问题，在来自NO.1舵机油泵高压油的作用下使泵缸偏离中心而带动伺服装置出现指示偏离零位，但这种分析仔细推敲又存在很多疑点，如在这种情况下因为NO.1舵机油泵高压油的方向是交替的，因此泵缸偏离的方向应是任意的，这种偏离的力量能否克服伺服油缸的弹簧力量使之出现偏差指示等，而且在这种情况下油泵的工作油压很可能发生变化，直接影响舵机单台工作时的工况。4 故障原因尽管有以上分析，但安技部门考虑到舵机油泵属船舶重要设备，船舶对液压设备的知识了解和工作经验有限，所以安排专业厂家在船舶抵港进行拆检，经拆检发现伺服油缸截面积小的一端，弹簧与移动活塞的固定螺杆断落，弹簧失去应有的作用，在主油泵停止后，伺服油缸上部中的液压油从节流阀经滤器在伺服油泵（齿轮泵）中漏出（但对伺服滑阀来说是密封的），因此在一端弹簧预紧力的作用下，伺服油缸中的活塞逐渐移动直至弹簧预紧力所能达到的位移即停留在右5刻度位置。5 事后的思考在船舶出现舵机故障后，船舶制定了几项安全措施：（1） 海况正常时，使用NO.2舵机油泵；（2） 在海况复杂时，使用两台舵机油泵；（3） 如需要使用NO.1舵机油泵时，驾驶台必须先通知大管轮，待大管轮完成与NO.2舵机油泵的隔离后，方可开启使用；换泵使用亦然。对于以上措施，我们认为第三项是比较妥当的，在确定NO.2舵机油泵故障情况下，应避免继续使用NO.2舵机油泵，而且进出港应派人在舵机间值守，以策安全。从功能分析看伺服油缸两端弹簧的作用应该是阻尼缓冲作用，如果船舶自行拆装该装置，发现一侧弹簧断裂，在无备件更换情况下，可以将另一侧弹簧取下，系统还是能正常工作，如认为两端弹簧取下后工作粗暴（冲舵），可以通过调节节流阀解决，原理自行分析。从这起故障分析的整个过程看，船舶轮机长和主管人员做了大量的工作，提供了大量的数据和第一手资料，为整个故障的判断起到了关键性的作用，但如果主管人员能更细心观察故障现象的各种细节，就更加容易分析故障，如在舵机工作时应经常观察摆缸的角度指示变化包括速度和角度值，并对两台系统的工况进行比较等。从故障的情况看，我们可以推断出正确的故障理解是：在无操舵指令信号的情况下，NO.1舵机油泵运行，停止NO.2舵机油泵，NO.2舵机油泵初始摆缸位置应在零位，然后随着时间的推移，伺服油缸上部液压油经节流阀、控制油泵逐渐漏泄，活塞在弹簧预紧力（截面积大一侧）的作用下慢慢移动，带动泵缸偏离中心，逐渐停留在右5度。近年一些新造船彩的舵机伺服控制系统与故障船相似，不同之处是伺服执行机构不同（为电动***），伺服油缸两端无弹簧，正是这一点的不同给我们故障的分析以启发，说明该弹簧的作用只是阻尼作用，伺服油缸中活塞的位移是是依靠液压油的动力作用形成的，与弹簧无关。因此，我们认为在故障的分析中在善于从其他相似系统的分析中吸取知识，触类旁通，举一反三。
[摘要]此文通过一起船舶发生的故障实例分析，对该型舵机系统的液压控制原理进行了介绍，对故障机理进行了详尽的分析。[关键词] 液压舵机 故障 分析1 设备情况介绍 某集装箱船采用HATLAPA厂家的TELERAMR4ST650型四油缸十字头撞杆式舵机，舵机油泵为主油泵和控制油泵一体式装置，选用REXTOTH厂家的A2P250型，工作流量为300L /分，舵机工作力矩为2784kNm。2 故障现象简述某日机工在巡回检查中发现舵机间停用的备用NO.2舵机油泵管系中有异常声响，即报告大管轮，大管轮启用NO.2舵机油泵联机工作，声响消除，工况正常，抵锚地对两台舵机进行运转和操舵试验，无异常。后正常航行时发现NO.1舵机油泵单独使用、自动舵方式情况下，发生跑舵现象。舵机存在的故障立即引起了船舶的重视，轮机长立即组织人员对两台舵机在不同工况下进行了试舵，取得了准确的第一手资料，并将其试验结果报公司安技部门，工况如表1：表1运行舵机 航速 海况 转舵情况NO.1舵机油泵 15kn 和风轻浪 左舵在15度范围内尚能转动，但舵效慢；右舵能至30度但回舵在10度卡舵，启用两台舵机恢复正常NO.2舵机油泵 15kn 和风轻浪 正常NO.1+NO.2 舵机油泵 15kn 和风轻浪 正常该试验结果报安技部门后，安技部门根据故障是在大负荷情况下出现的这一现象，怀疑是NO.1舵机系统防浪阀出现问题，另考虑到两台舵机系统主油路是连通的，为缩小故障范围，安技部门即电告船舶立即做两台舵机系统隔离情况下的试验，船舶根据要求进行了试验，试验结果如表2：表2运行舵机 航速 海况 转舵情况NO.1舵机油泵关闭C3/***阀 15kn 和风轻浪 正常NO.2舵机油泵关闭C1/C2阀 15kn 和风轻浪 正常经过这样的试验，可以认为在两套舵机系统隔离情况下NO.1舵机油泵和NO.2舵机油泵单独运行时是正常的，防浪阀也可以认为是正常的，问题集中在非隔离情况下两套舵机系统互相影响的原因是什么？船舶在继续观察NO.1舵机油泵马达和NO.2舵机油泵马达单独使用工况中，发现NO.1舵机油泵使用，NO.2舵机油泵停用情况下马达跟转，而NO.1舵机油泵马达在相同情况无此现象，进一步观察油泵斜轴指示，并作了记录如表3：表3运行舵机 NO.1舵机油泵倾斜角度指示 NO.2舵机油泵倾斜角度指示NO.1舵机泵 左10 偏右5振荡NO.2舵机泵 保持为0 正常来回摆动NO.1+NO.2 舵机油泵 正常来回摆动 正常来回摆动至此疑点可以集中在NO.2舵机油泵在停用时斜轴指示停留在偏右并来回振荡上。3 故障分析以上疑点现象反馈到安技部门后，经讨论，该故障的现象理论上可以这样解释，在NO.1舵机油泵运转时，由于停用NO.2舵机油泵斜轴偏离零位，泵缸出现倾斜，偏离中心，在NO.1舵机油泵泵出的高压油作用下油泵逆变为油马达，马达跟转，这样NO.1舵机油泵泵出的部分压力油经NO.2舵机油泵泄漏，也就是说NO.1舵机油泵单独运转时增加了一个负荷，当船舶高速、大舵角时（即大负荷情况）时，NO.1舵机油泵不能承受如此高的负荷，出现反舵现象，至于震荡是因为负荷变化引起NO.1舵机油泵流量变化，主动带动摆缸角度变化。那么为什么NO.2舵机油泵在停止时会出现泵缸偏离中心的情况，我们先分析一下舵机变量变向泵的控制原理。3．1 舵机变量变向泵的控制原理该舵机油泵为摆缸式轴向变向变量柱塞油泵，油泵的变向和变量是通过改变泵缸的倾斜角度来实现的，倾斜角度由伺服油缸控制，无转舵命令时，泵缸居中，控制伺服油泵缸活塞移动的三位三通阀工作位在中位，当有转舵命令时，左（右）比例电磁铁接受自动舵、随动操舵命令动作，调节压力，压力的调整根据转舵舵角的大小由自动舵输出电流大小来控制，其目的是控制转舵速度，M4、M5两个压力点产生压差，使控制三位三通阀的阀芯移动一个位置，工作在上位，伺服油缸中上下油压相同，弹簧的弹力相等，但由压力油作用在活塞的截面积下部大于上部，在相同压强的情况下，下部油压大于上部油压，因此推动伺服杆向上移动，改变油泵泵缸的倾斜角度，变量变向泵开始向舵机油缸供油，开始转舵，同时伺服杆带动反馈杠杆使三位三通阀的阀套移动，使三位三通阀工作位又回到中位，此时由于油路被封，伺服油缸因为液体不可压缩原理使伺服杆固定不再移动，泵缸的倾斜角度固定在一个角度，此时转舵速度已经恒定，当舵叶将转到命令舵角时，自动操舵机构提前控制比例电磁铁失电，两个压力点无压差且压力相同均为50bar，三位三通阀的阀芯移动复位到原来的位置，此时的工作位已是下位，伺服油缸下部油压被泄放，上部因有节流阀进入的50bar控制油作用，克服下部弹簧的压力使伺服杆向下移动，泵缸的倾斜角度回零，使变向变量泵输出停止，同时伺服杆带动反馈杠杆使三位三通阀的阀套移动，使三位三通阀工作位又回到中位，保持舵角位置不变。反向转舵时则相反，三位三通阀先工作在下位，然后回中，然后工作在上位，最后保持在中位。3．2 故障现象机理分析从以上的工作原理分析再推断泵缸偏离中心的故障机理应该有二种：NO.2舵机油泵伺服装置故障——主动引起油泵摆缸，形成油马达作用，由于油泵停止时已无伺服控制油压，无推动伺服油缸活塞移动的作用力，因此引起这种小角度偏离零位则很有可能是伺服油缸的截面积小的一侧弹簧断，因为从伺服油缸的工作原理我们可以看到，在有操舵指令时，滑阀先工作在上位时，伺服油缸中活塞能移动，在中位时由于液体不可压缩原理，也能保持，工作在下位时，活塞在伺服压力液压油的作用下，一般50bar的压力油能克服弹簧的作用使伺服油缸也能移动，所以单泵使用也能继续正常工作，与现象吻合，如截面积大的一侧弹簧断，如上分析工作在上位时，由于截面积差的压力差能够克服弹簧弹力，伺服活塞也可以正常上移（因为正常工作时摆缸角度变化可以达到20度，而现在故障情况下在偏右5度的情况可以判断出由于面积差造成的油压是可以克服一侧弹簧的弹力），舵机也能正常工作，但在停泵时的故障现象就不同于截面积小的一侧弹簧断，因为伺服油缸下部的液压油被滑阀密封住，根据液体不可压缩原理，活塞不能移动，不可能出现偏离零位的现象。油泵本身的问题——如配油盘表面有冲蚀或泵缸预紧力有问题，在来自NO.1舵机油泵高压油的作用下使泵缸偏离中心而带动伺服装置出现指示偏离零位，但这种分析仔细推敲又存在很多疑点，如在这种情况下因为NO.1舵机油泵高压油的方向是交替的，因此泵缸偏离的方向应是任意的，这种偏离的力量能否克服伺服油缸的弹簧力量使之出现偏差指示等，而且在这种情况下油泵的工作油压很可能发生变化，直接影响舵机单台工作时的工况。4 故障原因尽管有以上分析，但安技部门考虑到舵机油泵属船舶重要设备，船舶对液压设备的知识了解和工作经验有限，所以安排专业厂家在船舶抵港进行拆检，经拆检发现伺服油缸截面积小的一端，弹簧与移动活塞的固定螺杆断落，弹簧失去应有的作用，在主油泵停止后，伺服油缸上部中的液压油从节流阀经滤器在伺服油泵（齿轮泵）中漏出（但对伺服滑阀来说是密封的），因此在一端弹簧预紧力的作用下，伺服油缸中的活塞逐渐移动直至弹簧预紧力所能达到的位移即停留在右5刻度位置。5 事后的思考在船舶出现舵机故障后，船舶制定了几项安全措施：（1） 海况正常时，使用NO.2舵机油泵；（2） 在海况复杂时，使用两台舵机油泵；（3） 如需要使用NO.1舵机油泵时，驾驶台必须先通知大管轮，待大管轮完成与NO.2舵机油泵的隔离后，方可开启使用；换泵使用亦然。对于以上措施，我们认为第三项是比较妥当的，在确定NO.2舵机油泵故障情况下，应避免继续使用NO.2舵机油泵，而且进出港应派人在舵机间值守，以策安全。从功能分析看伺服油缸两端弹簧的作用应该是阻尼缓冲作用，如果船舶自行拆装该装置，发现一侧弹簧断裂，在无备件更换情况下，可以将另一侧弹簧取下，系统还是能正常工作，如认为两端弹簧取下后工作粗暴（冲舵），可以通过调节节流阀解决，原理自行分析。从这起故障分析的整个过程看，船舶轮机长和主管人员做了大量的工作，提供了大量的数据和第一手资料，为整个故障的判断起到了关键性的作用，但如果主管人员能更细心观察故障现象的各种细节，就更加容易分析故障，如在舵机工作时应经常观察摆缸的角度指示变化包括速度和角度值，并对两台系统的工况进行比较等。从故障的情况看，我们可以推断出正确的故障理解是：在无操舵指令信号的情况下，NO.1舵机油泵运行，停止NO.2舵机油泵，NO.2舵机油泵初始摆缸位置应在零位，然后随着时间的推移，伺服油缸上部液压油经节流阀、控制油泵逐渐漏泄，活塞在弹簧预紧力（截面积大一侧）的作用下慢慢移动，带动泵缸偏离中心，逐渐停留在右5度。近年一些新造船彩的舵机伺服控制系统与故障船相似，不同之处是伺服执行机构不同（为电动***），伺服油缸两端无弹簧，正是这一点的不同给我们故障的分析以启发，说明该弹簧的作用只是阻尼作用，伺服油缸中活塞的位移是是依靠液压油的动力作用形成的，与弹簧无关。因此，我们认为在故障的分析中在善于从其他相似系统的分析中吸取知识，触类旁通，举一反三。
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