主動式可收放減搖鰭單邊鰭角故障分析與排除

馬法劍

北海救助局，山東威海 264000

1 減搖鰭設備概述

1）隨著船舶技術的發(fā)展，人們對船舶航行安全性和舒適性有了更高的要求，近年來船舶減搖設備大量應用于各種船舶，尤其是客船、公務船、科學考察船、專業(yè)救助船減搖鰭使用非常普及。本文重點介紹一種大型主動式可收放減搖鰭裝置。

2）減搖鰭工作原理

船在風浪中航行時，受風和波浪力的作用，船會產生橫搖、縱搖、升沉等各種運動，其中橫搖最為劇烈，減搖鰭裝置就是用來減小船的橫搖角。減搖鰭裝置中的鰭類似魚的側鰭一樣工作減小橫搖。鰭成對地安裝在船的“腹部”兩側，船在風浪中航行時，減搖鰭裝置中橫搖角信號傳感器（一般為角速度陀螺），檢測出船舶橫搖角速度信號，該信號為電信號，經一系列的處理、放大、電液轉換、驅動鰭轉一個相應的角度，鰭在水流作用下產生“升力”，兩個鰭的轉角大小基本相等，方向相反，形成一個與波浪力矩方向相反的力矩（穩(wěn)定力矩）（圖1）從而使船的橫搖角減小。

圖1

2 BHJxxx輪可收放式減搖鰭介紹

2.1 設備基本參數

1）一對帶襟翼的收放式鰭，鰭軸中心置于#46.5肋骨平面處；

2）鰭型：NACA-0027-0015；

3）鰭面積：6.99m2；

4）鰭展長：3740mm；

5）鰭弦長：1870mm；

6）鰭工作轉角：在【-20°, +20°】之間；

7）鰭電氣保護角：±22°；

8）鰭機械限位角：±24°；

9）功率：75kW。

2.2 性能參數

1）船在設計狀態(tài)，6級海況橫浪條件下，以15kn 航速航行減搖鰭工作，船的平均剩余橫搖角為 5°；

2）裝置在 9 級海況下能安全使用，裝置的合理使用航速為 13kn～18kn；

3）裝置可連續(xù)工作；

4）裝置具有生搖功能；

5）自動保護功能。

按下停止按鈕或裝置發(fā)生故障時（非液壓系統(tǒng)失壓），鰭可自動完成歸零（鰭角回到±3°以內）、收進鰭箱、鎖緊這一系列動作。

裝置具有鰭角超過±22°（±1°）、油溫高于60℃(±3℃)報警，自動停機功能。

裝置在油箱油位過低（下降到油箱凈高度的1/3）、補油壓力過低時立即自動停機，并發(fā)出報警信號。

裝置根據航速變化有調節(jié)功能：高于設計航速時，通過PLC,按一定規(guī)律，將鰭角減小，避免鰭軸受過大的應力；航速低于6kn（±1kn）時，鰭能自動歸零，收鰭，鎖緊。

主泵、附泵出現故障時，通過應急泵可使鰭歸零，收入鰭箱，鎖緊。

另外，在系統(tǒng)不通電的情況下，搖動手動泵，通過手動液壓回路可使鰭歸零，收入鰭箱，鎖緊。

3 裝置的主要組成

圖2 減搖鰭布局示意圖

如圖2所示，本船的減搖鰭裝置由電控分系統(tǒng)，液壓分系統(tǒng)和執(zhí)行機構3部分組成。

3.1 電控分系統(tǒng)

有弱電控制部分、強電操縱拖動部分和工況顯示部分，它的使命是使減搖鰭裝置按設計的程序自動工作，按控制規(guī)律減小船舶在風浪航行中的橫搖角。控制框圖見圖3。

圖3

電控分系統(tǒng)的設備主要有減搖鰭裝置控制箱，減搖鰭裝置啟動箱，減搖鰭裝置控制器和液壓機組上的接線箱。

3.2 液壓分系統(tǒng)

本液壓分系統(tǒng)是一套“電-液隨動系統(tǒng)”。隨動系統(tǒng)接受控制器信號，完成信號的功率放大，驅動鰭跟隨控制信號運動，隨動系統(tǒng)能“快速、準確、穩(wěn)定”的工作，使鰭角盡可能準確的跟蹤控制信號。每個鰭均有一套獨立的電-液隨動系統(tǒng)驅動。它的工作原理如下：經電控分系統(tǒng)處理后的船舶橫搖角速率信號，送入綜合放大電路后與鰭角反饋電壓及局部反饋電壓代數求和，再經主放大器調制放大，然后送入控制變量油缸的伺服閥。泵斜盤位移傳感器（裝在變量泵上，檢測變量泵的斜盤角位移）、變量泵以及轉鰭油缸組成了一個容積式調速系統(tǒng)，它根據送入伺服閥的信號的大小，使鰭以一定的速度運動，裝在鰭軸末端的直線位移變壓器也隨之轉動，它輸出的電壓經解調后成為鰭角反饋電壓。鰭角反饋電壓被送回到綜合放大電路與輸入信號進行比較。當這兩個信號大小相等，極性相反時，差值趨近于零，鰭就停止轉動。這樣，根據輸入信號的大小，可以使鰭轉動到一個指定的角度，實現了隨動轉鰭的目的。變量油缸運動時會帶動一個傳感器運動，傳感器的輸出電壓也送回到綜合放大電路，用以提高隨動系統(tǒng)的質量指標。于是按減搖鰭裝置的控制規(guī)律，為轉鰭回路提供壓力油，驅動鰭按控制規(guī)律轉動。

3.3 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構是減搖鰭系統(tǒng)的執(zhí)行器，它的主要使命是轉鰭，并將鰭上產生的升力傳到船體上，形成減搖力矩。執(zhí)行機構主要有十字頭、上下軸承座、轉鰭油缸、導向套筒、導向活塞、連桿、鰭柄、鰭軸、軸承、鰭、密封裝置、收放鰭裝置、鎖緊裝置、鰭角發(fā)送器等組成。

4 故障實例

BHJxxx輪右舷減搖鰭只有單邊鰭角，且超鰭角報警致使設備保護性停止運行。

4.1 故障現象

在趕赴參加北海艦隊組織的海上救助演習途中遇到惡劣海況，減搖鰭在運行中發(fā)生故障，右側鰭顯示超鰭角報警并自動停止運行，鰭無法自動收回。檢查液壓系統(tǒng)均正常，使用應急操作系統(tǒng)可以收放設備，但重新開啟減搖鰭后發(fā)現只有單邊鰭角顯示，而且轉鰭后鰭角沒有回復動作，而是逐漸積累直到鰭角超限報警，然后設備自動停止運行。

4.2 故障分析與排除

根據故障現象和現場檢查可以確定液壓系統(tǒng)主回路沒有問題，主電路沒有問題。因為應急操作可以收放說明機構沒有問題。經觀察工作過程中轉鰭油缸確實只有單方向動作，排除了反饋原件的問題，因此故障范圍基本可以縮小到控制系統(tǒng)，可能是電氣回路部分，也可能是液壓控制回路部分。為了便于分析我們來看一下控制系統(tǒng)布局框圖（如圖4）和液壓控制部分的一個關鍵元器件------電液伺服閥（如圖5）。

圖4

圖5

電液伺服閥，型號為CSDY1-30，它是本液壓系統(tǒng)中最精密的元件，也是減搖鰭裝置中的關鍵件。其工作原理如下：

經精密過濾器來的高壓油進入伺服閥的P腔，一路經閥中的小濾器進入射流管，射流管的壓力油射向左端或右端接受器。來自伺服放大器的控制電流加到力矩馬達的線圈上，當控制電流使射流管的壓力油經左端接受器進入閥芯左端時，壓力油推動閥芯右移，P腔中的壓力油進入“C1”腔，而“C2”腔中的油進入R回油口。C1和C2分別接變量油缸的上、下腔。控制電流極性改變時，射流管中的壓力油噴射方向亦改變。

圖6

從電液伺服閥的工作原理可知，如果伺服閥的線圈有一側不能上電，一側可以上電，則會發(fā)生本例故障現象。如果是伺服閥主閥閥芯在一側卡阻也會發(fā)生單邊有鰭角，但是由于閥芯不能獲得平衡回位，故障現象將表現為一次性轉鰭超限，而不是逐漸積累到超限報警。

綜合分析應該是伺服閥線圈一側不能上電造成的，順著這條線進行查找，逐一排查發(fā)現電控箱輸出信號正常，于是拆檢伺服閥線圈接線，發(fā)現其中一根電線接頭處開焊。處理好接線頭后上電故障排除（如圖6所示）。

4.3 排障小結

電液設備排障相對來說較為復雜，由于電液聯(lián)系較為緊密，一個電線接頭或小小的閥芯卡阻都能造成復雜的問題，必須對整個系統(tǒng)綜合考慮，深入了解設備的工作原理，認真觀察故障現象，從細微處了解各種故障的差別，這樣才能思路清晰，在排障的時候就能夠少走彎路，準確的找到故障點并進行正確處理。

5 減搖鰭的維護保養(yǎng)

5.1 常規(guī)檢查

該減搖裝置全過程自動控制，但為了以最低的產品故障，獲取本設備較長的使用壽命，較滿意的使用效果，設備長時間連續(xù)工作時，要求做適當巡檢。巡檢過程中，重點注意以下內容。

1）平時多留意設備正常運轉時的聲音。發(fā)現聲音異常時，停機檢查分析故障原因；

2）觀察油液狀況，如泡沫太多或油液混濁，應視為故障處理，停機檢查；

3）觀察設備是否有漏油、滲油現象；

4）檢查設備是否過熱；

5）確保設備動作范圍內無任何障礙物。特別收放過程中，留意有無聲音異常或壓力過高現象；

6）觀察鰭轉動是否正常。使用時，多注意觀察正常運轉時鰭轉動速度，如果發(fā)現鰭轉動速度顯著低于正常速度，表明系統(tǒng)中某部位出現故障；

7）液壓系統(tǒng)的壓力是否在正常范圍。

5.2 維護與保養(yǎng)

1）運轉100小時后，檢查安裝所有安裝螺栓和內六角螺釘是否松動；

2）檢查驅動連接和管道連接的安全性；

3）及時將檢修操作后設備上的殘油全部擦拭干凈，以方便以后判斷系統(tǒng)是否漏油；

4）按濾器制造商推薦，定期清洗或更換濾器元件；

5）定期對泵外殼泄油進行檢查，可判斷出泵性能是否已經變差；

6）保持設備清潔，油缸活塞桿等運動部件外伸部分表面涂潤滑脂；

7）執(zhí)行機構各油杯潤滑部位，確保各部位的潤滑；

8）控制器、啟動箱的箱蓋應緊閉，以免電氣設備嚴重受潮；

9）定期檢查箱中的接插件跟插座、端子跟電纜線是否處與良好的接觸狀態(tài)，航空插頭的焊線是否可靠；

10）設備不用時，每二周電氣設備通電（生搖）約20min～30min。（如船在碼頭鰭不能放出時，僅做伺服回路通電）。

6 結論

主動式可收放減搖鰭機構較為復雜，控制系統(tǒng)自動化程度高，但養(yǎng)護較簡單。按照說明書要求做好維護保養(yǎng)工作，定期進行應急操作試驗，確保航行時能夠正常使用。要認真研究設備工作原理，弄清楚各項功能的實現方式，這樣在遇到故障時才能從容不迫應對自如。本文故障案例看似簡單，但如果沒有吃透工作原理，排查故障的時候往往會走不少彎路，尤其是電液聯(lián)系緊密的部件，查找故障的時候往往會南轅北轍沿木而求魚，確定不了是電的問題還是液壓故障，當把原理弄明白的時候遇到故障就可以迎刃而解了。

[1]中船總704研究所有關減搖鰭技術資料.

[2]北海救113輪減搖鰭說明書.