船舶舵機跑舵PSC典型案例分析

杜榮耀 周亞旭

一、前言

舵機是船舶保持航向的關(guān)鍵設(shè)備，船上習慣籠統(tǒng)地將轉(zhuǎn)舵機構(gòu)、動力設(shè)備、輔助設(shè)備和相關(guān)電控系統(tǒng)等統(tǒng)稱為舵機。目前絕大多數(shù)船舶舵機都是靠轉(zhuǎn)動舵葉使其有不同的舵角來控制船舶航向的。

船舶上的舵機大多數(shù)為電動液壓舵機。船舶舵機按其工作原理可分為閥控型和泵控型兩種。

閥控型舵機的基本工作原理為：液壓舵機系統(tǒng)使用單向定量液壓泵供液壓油，通過電磁閥來控制油路方向，從而改變舵的轉(zhuǎn)動方向。此種液壓舵機及其控制系統(tǒng)相對簡單，造價相對較低。缺點是任何時候泵都以全流量排油，經(jīng)濟性稍差，適用功率比泵控型要小。

泵控型液壓舵機基本工作原理為：液壓舵機系統(tǒng)是采用了雙向變量泵，通過伺服機構(gòu)控制泵的排油方向來控制油路方向，從而改變舵的轉(zhuǎn)動方向。舵機按轉(zhuǎn)舵機構(gòu)的不同可以分為往復(fù)式舵機和轉(zhuǎn)葉式舵機。往復(fù)式舵機通過若干個活塞來控制舵葉轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)葉式舵機通過反向工作的葉片泵來控制舵葉轉(zhuǎn)向。

舵機是保證船舶的操縱性能、確保船舶安全航行的重要設(shè)備，保持船舶舵機工作性能良好對于船舶安全具有重要意義。

二、船舶舵機相關(guān)公約要求

1.公約適用范圍

船舶舵機的要求是來自《1974年國際海上人命安全公約》附則第II-1章第29條操舵裝置和第30條電動和電動液壓操舵裝置的附加要求這兩條的要求。《1974年國際海上人命安全公約》1981年修正案（MSC.1（45））對附則II-1章1-54條進行了重寫，形成本章的第29條操舵裝置和第30條電動和電動液壓操舵裝置的附加要求，并于1984年9月1日生效。即于1984年9月1日或以后安放龍骨或處于類似建造階段的船舶，都適用第29條和30條。第II-1章第29條操舵裝置的最新修訂是2014年的MSC.365（93），是對舵機海試要求的明確，對PSC檢查無影響。

2.幾個與PSC檢查直接相關(guān)的定義

（1）操舵裝置控制系統(tǒng)系指將舵令由駕駛室傳至操舵裝置動力設(shè)備的設(shè)備。操舵裝置控制系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、液壓控制泵及其電動機、電動機控制器、管系和電纜組成。

（2）主操舵裝置系指在正常情況下為操縱船舶而使舵產(chǎn)生動作所必需的機械、舵執(zhí)行器、操舵動力設(shè)備（如設(shè)有）和附屬設(shè)備以及對舵桿施加扭矩的裝置（如舵柄或舵扇）。

（3）操舵裝置動力設(shè)備：

①如為電動操舵裝置，系指電動機及有關(guān)的電氣設(shè)備；

②如為電動液壓操舵裝置，系指電動機及有關(guān)的電氣設(shè)備和與之相連接的泵；或

③如為其他液壓操舵裝置，系指驅(qū)動機及與之相連接的泵。

（4）輔助操舵裝置系指如主操舵裝置失效時操縱船舶所必需的設(shè)備，其不屬于主操舵裝置的任何部分，但不包括舵柄、舵扇或作同樣用途的部件。

（5）動力執(zhí)行系統(tǒng)系指提供動力以轉(zhuǎn)動舵桿的液壓設(shè)備，由一個或幾個操舵裝置動力設(shè)備，連同有關(guān)的管系和附件以及舵執(zhí)行器組成。各個動力執(zhí)行系統(tǒng)可共用某些機械部件（即舵柄、舵扇和舵桿）或共用有同樣用途的部件。

（6）跑舵系指舵機不能保持指定舵角。

（7）沖舵系指舵機轉(zhuǎn)到指令舵角后仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動一定角度。

（8）滯舵系指舵機收到舵角指令后不能立即轉(zhuǎn)舵。

三、PSC檢查典型案例分析

（一）船舶概況（見表1）

表1 PSC檢查案例船舶概況

（二）檢查缺陷認定及描述

在詳細檢查階段，檢查員在檢查舵機的過程中，要求船員進行機旁應(yīng)急操舵測試。現(xiàn)場操作過程中發(fā)現(xiàn)在用1號舵機進行機旁應(yīng)急操舵時，轉(zhuǎn)到左舵15度后，舵角持續(xù)向左舵增大；回正到0度，舵角向左舵逐漸增大；轉(zhuǎn)到右舵10度后，舵角逐漸向0度減小。經(jīng)過多次測試核實，無論舵角轉(zhuǎn)到何角度均出現(xiàn)跑舵現(xiàn)象。試驗2號應(yīng)急舵，也有類似現(xiàn)象。但從駕駛臺隨動控制沒有出現(xiàn)上述問題。

針對發(fā)現(xiàn)的缺陷，檢查員開具了如表2中所述的缺陷：

表2 舵機跑舵相關(guān)缺陷描述

（三）缺陷分析

無論是閥控型還是泵控型液壓舵機，其控制系統(tǒng)基本原理都如圖1所示。

圖1 舵機控制系統(tǒng)基本原理圖

比較環(huán)節(jié)是船舶隨動操舵和自動舵中重要的一個環(huán)節(jié)。當實際舵角與舵輪、自動舵給出角度不同時，經(jīng)過比較環(huán)節(jié)，給出舵機控制機構(gòu)一個信號，舵機控制機構(gòu)通過傳動機構(gòu)來控制舵葉角度，舵機控制機構(gòu)在給傳動機構(gòu)信號的同時也會給比較環(huán)節(jié)一個反饋，舵葉也會給比較環(huán)節(jié)反饋，來實現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向。

機旁應(yīng)急操舵是屏蔽比較和反饋環(huán)節(jié)，直接由人工控制舵機執(zhí)行機構(gòu)以控制舵葉。圖2是該船舵機控制系統(tǒng)邏輯圖，從中可以看出舵機操控的邏輯結(jié)構(gòu)。

案例中該船舵機為泵控型舵機，通過控制雙向變量泵的排油方向來控制油路，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵。而雙向變量泵流量和方向的改變就是靠伺服機構(gòu)來控制。如本案例中，伺服機構(gòu)即由圖3中的伺服油泵、力矩馬達、電磁換向閥和伺服活塞組成。

圖2 舵機控制系統(tǒng)邏輯圖

圖3 舵機系統(tǒng)圖

（四）通過分步排除法對缺陷原因進行分析

不同類型的舵機跑舵的原因各有不同，本案例中的舵機為川崎泵控型往復(fù)式舵機，其系統(tǒng)圖如圖3所示，根據(jù)其跑舵情況初步判斷跑舵的主要原因可能為：控制系統(tǒng)故障；反饋環(huán)節(jié)故障；舵機執(zhí)行機構(gòu)故障；雙向變量泵伺服機構(gòu)故障。

本案例中跑舵情況為：1號舵機應(yīng)急舵無人操作跑舵，2號舵機應(yīng)急舵無人操作跑舵，兩臺舵機跑舵速率不同，從駕駛臺控制的隨動舵沒有跑舵現(xiàn)象，隨動控制沒有問題。

（1）如為控制系統(tǒng)故障，通常情況會出現(xiàn)問題的是隨動控制操舵，與故障現(xiàn)象不同，排除自動控制系統(tǒng)故障。

（2）如果反饋環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，那么同樣隨動控制操舵會出現(xiàn)故障。應(yīng)急操舵由于不接入反饋信號，不受反饋故障影響，與故障現(xiàn)象不同，排除反饋環(huán)節(jié)故障。

（3）舵機周圍沒有明顯的漏油痕跡，如果舵機執(zhí)行機構(gòu)等公共部分故障的話，無論何種操舵方式，故障現(xiàn)象均應(yīng)相同，據(jù)此檢查人員排除舵機轉(zhuǎn)舵油缸等如圖3中所示的公共機械部分故障。

（4）從機旁應(yīng)急操舵跑舵故障現(xiàn)象來看，比較兩種操作方式，機旁應(yīng)急操舵相比隨動系統(tǒng)少了反饋調(diào)節(jié)，隨動舵無故障最有可能是正常工作的反饋機構(gòu)將跑舵消除。最明顯故障現(xiàn)象是在無人操舵時，本應(yīng)該處于零流量位置的雙向變量泵未保持零位，結(jié)合兩臺舵機旁應(yīng)舵無人操作有規(guī)律跑舵，那么最有可能是在無人操舵時應(yīng)保持零位的雙向變量泵伺服機構(gòu)存在故障。

雖然雙向變量泵伺服機構(gòu)故障是最可能原因，但要明確雙向變量泵伺服機構(gòu)是一套系統(tǒng)，由多個部件組成，如伺服機構(gòu)中換向閥鎖閉不嚴，液壓油會持續(xù)進入伺服油缸，伺服活塞持續(xù)向一方向移動，使得雙向變量泵朝一方向持續(xù)加大油量。如為此種故障，舵機的表現(xiàn)為：在機旁應(yīng)急操舵，暫停操作時，舵機會持續(xù)向一方向偏，并且越來越快。如為隨動操舵，控制系統(tǒng)會不停地調(diào)節(jié)舵機，企圖使實際舵角與所給出舵角一致，不停的調(diào)節(jié)會使電磁換向閥不停動作。此種檢查情況與實際不符，因此不是電磁換向閥鎖閉不嚴產(chǎn)生的故障。

如為伺服活塞故障，例如活塞卡死，那么舵將無法工作；活塞漏油，則會出現(xiàn)滯舵、舵機轉(zhuǎn)動速度慢等情況與實際故障情況不同，排除該部件故障。如為伺服機構(gòu)零位偏移，在機旁應(yīng)急操舵的表現(xiàn)為：暫停操作時，舵機會以固定速度固定向一方向移動。如為隨動操舵，線性傳感器會反饋零位并進行調(diào)節(jié)，因此在隨動控制時，反饋系統(tǒng)將該故障消除，不會出現(xiàn)跑舵，這種情況與現(xiàn)場檢查一致。因此該船舵機跑舵應(yīng)該是伺服機構(gòu)零位故障導(dǎo)致的。

（五）檢查缺陷整改

所屬船級社于當天登輪對缺陷進行了確認，服務(wù)商對該缺陷進行修復(fù)時證實，該問題確實如PSC檢查員判斷，是由于伺服機構(gòu)零位不準導(dǎo)致，通過伺服泵控制閥進行零位調(diào)節(jié)，修復(fù)該缺陷。船級社缺陷糾正報告如表3所示。

表3 船級社缺陷糾正報告

四、進一步的建議

筆者后續(xù)多次對此類問題跟蹤檢查，發(fā)現(xiàn)該種缺陷并不是個例，而是有規(guī)律呈現(xiàn)，船齡較大且是川崎及類似的泵控型往復(fù)式舵機存在該問題比例較高，只是跑舵方向和嚴重程度有所不同，因此，該類問題應(yīng)當引起船舶相關(guān)方的關(guān)注和重視。

1.對船東和管理公司而言

作為最大利益方與履行所營運船舶航行安全及防污染主體責任方，要對所屬船舶符合缺陷規(guī)律情況的船舶開展自查，及時將故障排除，防止意外發(fā)生。同時要建立科學(xué)保養(yǎng)計劃。過度保養(yǎng)會使維護費用增加導(dǎo)致營運利潤下降，而保養(yǎng)不足會造成船舶提前報廢且嚴重威脅船舶安全。因此航運企業(yè)要加強先進管理理念學(xué)習，統(tǒng)計船舶故障情況分布規(guī)律，對船舶營運、船舶壽命和維修保養(yǎng)等進行綜合分析，在以保障船舶安全營運、船員良好權(quán)益的前提下，制訂科學(xué)維修保養(yǎng)計劃來有效控制船舶的運營成本。

2.對船員而言

船舶維護保養(yǎng)是一項長期的工作，良好的日常保養(yǎng)能將事故隱患消滅于萌芽狀態(tài)。船員在船舶維護保養(yǎng)工作中起的作用很大。不同船舶有著不同的維護保養(yǎng)特點，在每次上船后要及時掌握船舶的維護保養(yǎng)計劃，及時按要求開展工作，對于日常保養(yǎng)不能浮于表面，要根據(jù)維修保養(yǎng)計劃將保養(yǎng)工作落到實處，良好的保養(yǎng)工作能減少突發(fā)事故的發(fā)生，更是對自己安全的一個保障，同時對于船舶關(guān)鍵設(shè)備更要注意。除日常維修保養(yǎng)外，良好的演習也是發(fā)現(xiàn)隱患的重要途徑。本文案例中的舵機故障并不是突發(fā)性故障，而是一個長期存在的問題，雖然隨動操舵時沒有故障現(xiàn)象，但如果船員在進行應(yīng)急操舵演習時能多用心，就能及時發(fā)現(xiàn)該故障，進而消除隱患。

3.對PSC檢查人員而言

舵機跑舵到什么程度不符合要求，公約中沒有明確規(guī)定，但是這個問題對于船舶安全有較大影響。發(fā)現(xiàn)該問題時具體處理意見為離港前糾正還是禁止船舶離港，可以參考以下要求：（1）中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第三分冊，13.1.5.9操舵裝置應(yīng)有保持舵位不動的制動裝置。（2）《液壓舵機通用技術(shù)條件》（CB/3129—82）中1.10無論舵處于任何位置，均不應(yīng)有明顯跑舵現(xiàn)象。

在臺架實驗中，當舵桿扭矩達到公稱值時，往復(fù)式液壓舵機的跑舵速度不應(yīng)大于0.5度/分鐘，轉(zhuǎn)葉式液壓舵機不應(yīng)大于4度/分鐘。其次也要看船舶總體狀況而定。

五、總結(jié)

舵機作為船舶的重要組成部分，在保障船舶正常航行方面起著重要作用。保障舵機的正常工作對于船舶航行安全至關(guān)重要，各個公司要結(jié)合此種故障規(guī)律盡早排查以免造成事故，船員在日常工作中要加強設(shè)備的檢查與維護保養(yǎng)工作。PSC檢查只是起到監(jiān)督作用，只有船方作為責任主體做好相關(guān)工作，才能保障船舶的營運安全與船員的生命安全。