一種舵機油缸壓力、壓差超出規(guī)定范圍問題的分析研究

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(武漢船用機械有限責任公司,武漢 430084)

目前船用舵機主要有撥叉式、轉葉式和擺缸式。撥叉式是我國技術最成熟的一種舵機的結構，且每年市場需求量比較大，但在其出廠試驗過程中常由于機械或液壓原因導致舵機油缸壓力、壓差超出規(guī)定范圍，從而未達到出廠要求。已有的研究多集中于對航行中船用舵機的常見故障進行分析[1-2],對舵機的運動特性進行仿真[3]。但尚未見對出廠前舵機實驗故障進行系統(tǒng)研究。

1 故障分析

在舵機出廠前，要進行空載試驗，船級社要求[4]：油缸的背壓≤2 MPa，壓差≤1.0 MPa。但是在試驗過程中，經(jīng)常出現(xiàn)油缸壓力、壓差超出上述范圍的情況，這就需要重新安裝調試，影響了舵機的生產(chǎn)周期。對舵機工作原理及液壓回路進行分析，認為導致壓力、壓差超出范圍的原因主要有兩大類。

1.1 機械裝配原因

拔叉式舵機安裝示意圖見圖1。

1)油缸的安裝。如果1號和2號油缸底面安裝不平(兩缸均為缸體前端向上翹起時)，當1號泵組工作時，1號柱塞移動偏慢，1和2號油缸壓差較大(超過1 MPa)，2號柱塞正常。2號泵組工作時，1號柱塞不動(1和2號油缸內有壓力)，2號柱塞移動速度偏快。

圖1 安裝示意

通過消除油缸安裝時與試驗臺的間隙，保證油缸整體水平，來減小1號柱塞的阻力。油缸安裝前首先要保證油缸內孔和中心高等關鍵尺寸符合要求，安裝時通過調整基準點之間的距離(安裝對角線)是否相等來確定，對角線最大差值允許±1 mm[5]。現(xiàn)場可用專用工裝量具來測量對角線尺寸，調整達到要求之后安裝連接座。校驗正確性可以通過直接測量油缸底座與平臺之間的間隙，比較間隙值是否相等來確定。

2)淬火鋼板與滾輪之間裝配。當舵柄淬火鋼板與滾輪之間的間隙不符合滾輪裝配要求時會出現(xiàn)滾輪上下竄動的現(xiàn)象。淬火鋼板與滾輪裝配的相關尺寸見圖2，裝配要求為：①|a-b|≤0.05 mm或|c-d|≤0.05 mm；②l-k的最大值根據(jù)D1的大小要求在0.21～0.31 mm之間。

1.2 液壓系統(tǒng)原因

1)主泵工作是否正常。如圖3所示，主泵為斜軸式變量柱塞泵，操舵時操縱臺發(fā)出舵角指令，通過控制箱和泵控裝置(力矩馬達和差動變壓器)，使油泵柱塞傾斜從而使主泵排油。如果泵的零位調整不良會出現(xiàn)油泵的零位偏移，使舵運行不穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力也不穩(wěn)定。需要將泵零位進行重新調整。操舵泵組時，由于泵組流量過大會出現(xiàn)直接控制的兩油缸壓差偏大(1.2 MPa左右)，間接控制的兩油缸壓差正常的現(xiàn)象。通過調節(jié)輔泵組，減小主泵的偏心量，使流量減小，壓差正常。同時，舵機的轉舵速度仍能滿足船級社規(guī)范許用要求65°28’。

圖2 舵柄淬火鋼板與滾輪之間的裝配關系

圖3 撥叉式舵機的控制原理

2)柱塞運行是否平穩(wěn)。柱塞運行不平穩(wěn)，會出現(xiàn)爬行甚至停滯現(xiàn)象。導致柱塞運行不平穩(wěn)的因素為①液壓回路可能含有空氣，需要將空氣排出，將舵機壓力側(柱塞伸出端)油缸上的排氣閥打開，不停地反復操舵，柱塞運動平穩(wěn)表示排氣完成；②舵柄和柱塞之間可能有障礙物，需要將障礙物去除；③V型密封圈安裝可能過緊，緊固量按照舵機型號(柱塞直徑)大小調定(見表1)，如果V型密封圈安裝過緊，柱塞表面就不會形成一層薄油膜，并使柱塞產(chǎn)生間歇運動，圖4所示為舵機安裝要領[6]對V型圈安裝的要求。

表1 V型密封圈安裝時緊固量調定范圍

圖4 V型圈的安裝要求

3)溫度是否偏低。因為舵機所用的閥均為滑閥，滑閥均為弓形口閥，所以局部壓力損失可以忽略不計。光滑金屬圓管的流動雷諾數(shù)為

(1)

當Re≤2 320為層流，因此，僅需要計算層流時沿程壓力損失就可以得出壓力(背壓)值[7]：

(2)

式中：λ——層流時沿程阻力系數(shù)，λ=64/Re；

L——管路長度；

ρ——液體密度；

v——油液速度；

d——管路直徑。

把式(1)代入式(2)得到

(3)

由式(3)可得背壓與運動粘度ν成正比。當冬季氣溫過低時，液壓油粘度過低，導致背壓較小。因此，為減小溫度對壓力的影響，讓舵機多運行一會再測試，或者將液壓油稍微加熱后再進行試驗。

4)閥板、閥件的通道阻塞。如果液壓通道有不通或者半通的問題，就會使舵機在工作時，管路阻力過大，從而液壓油流動不通暢，造成油缸空載時壓力過大，壓差過大，甚至還可能出現(xiàn)被動缸壓力大于主動缸壓力的問題。

2 預防措施

1)加強零部件的加工質量控制。加強閥板通道加工控制、油缸內孔及中心高的加工控制、柱塞外圓尺寸加工等關鍵尺寸和鍍鉻等工序的控制。

2)加強整機裝配的質量控制。整機裝配質量控制包括整機裝配安裝基準對角線控制、油泵與泵控裝置(力矩馬達和差動變壓器)的安裝控制、油缸與柱塞及V型密封圈的安裝控制等。

3)舵機正式運行前，一定要將液壓系統(tǒng)的空氣排出。將舵機壓力側(柱塞伸出端)油缸上的排氣閥打開，不停地反復操舵，柱塞運動平穩(wěn)后表示排氣完成。

4)減小環(huán)境溫度對油液粘度的影響。在冬季低溫情況下(約10℃以下)起動油泵，應特別注意用小的偏心量和舵角進行操舵，待溫度升高后，再開始正常操舵。環(huán)境溫度過低時，還可以采用人為加熱的方式。

[1] 謝世平,范曉飚.電動液壓舵機的常見故障分析[J].交通科技,2007,8(1):44-45.

[2] 洗偉倫,余天明.舵機的故障及維護保養(yǎng)[J].機電設備,2007(4):48-50.

[3] 劉曉晨.川崎FE21-400電動液壓舵機仿真[J].中國水運,2008(1):55-56.

[4] 武漢船用機械有限責任公司.舵機使用說明[R].武漢:武漢船用機械有限責任公司,1991.

[5] DNV船級社.Fitting of hydraulic cylinders to foundation for ram type steering gears [S].DNV,2007.

[6] 武漢船用機械有限責任公司,電動液壓舵機船內安裝及調整要領[R].武漢:武漢船用機械有限責任公,2011.

[7] 姜繼海,宋錦春,高常識.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社,2002.