泵控型液壓舵機的安全狀態探究

■鄭仲金

(福建船政交通職業學院，福州 350007)

國際海事組織的《國際海上人命安全公約(SOLAS 公約)》和我國的《鋼質海船入級檢驗標準與建造規范》對舵機的基本要求就是舵機必須具有足夠的轉舵扭矩和轉舵速度, 并且在某一部分發生故障時能夠迅速采取替代措施,確保操舵能力。

1 泵控型舵機的組成

在海上航行的船舶, 其舵設備就是保證船舶按照人的意圖航行在給定的航線上, 確保海船安全航行的一種設備。 其中，甲板部負責的“舵”部分，體現轉船力矩(主要取決于三要素：舵葉浸水面積，相對流速、舵角)能夠改變船舶運動方向和保持船舶預定航向； 輪機部負責的 “舵機”部分，體現轉舵扭矩能夠按照操作者要求及時可靠地使舵偏轉，產生要求的舵角；能夠按照操作者要求及時可靠地使舵把定，維持要求的舵角。

目前船舶日趨大型化,對舵機的要求愈發嚴格,其主流液壓舵機的型式是泵控型液壓舵機。比如，ANSCHUTZ泵控式液壓舵機，如下圖1 所示。

泵控型液壓舵機的一般組成包括三部分：轉舵機構、液壓系統、操縱系統。

圖1 ANSCHUTZ 泵控式液壓舵機

其中， 能夠提供利用電能轉換為液壓能并設置必要保護與控制裝置的液壓系統是核心部分。 由于舵的偏轉方向是通過液壓系統的主泵來實現的，顧名思義，是泵控型液壓舵機。典型的泵控型舵機液壓系統如下圖2 所示。

2 泵控型舵機的安全工作特點

根據泵控型舵機的組成，可以看出：操縱系統向液壓系統傳遞舵令， 液壓系統向轉舵機構提供所需要的液壓能(壓力和流量)，轉舵機構將液壓能轉換成機械能轉動舵使舵葉偏轉產生舵角， 產生的舵角經過操縱系統進行反饋比較，以達到最終要求。

顯然，結合《SOLAS 公約》和《鋼質海船入級檢驗標準與建造規范》對舵機的要求，最主要的關鍵之處體現在以下幾點：

(1)足夠的轉舵扭矩——“能轉動”

舵機的轉舵扭矩取決于外界對舵所產生的負荷。 負荷越大，轉舵扭矩也越大，這樣才能驅動舵葉偏轉。 在確定的舵機結構尺寸條件下，轉舵扭矩越大，意味著舵機液壓系統的工作壓力也越高。對于泵控型舵機而言，舵機液壓系統的工作壓力是由變向變量泵來體現的。

圖2 典型的泵控型舵機液壓系統

①為了能夠體現壓力范圍很大的壓力， 舵機液壓系統必須有一顆強大的“心臟”——變向變量泵，一般是采用軸向柱塞泵。

軸向柱塞泵是容積式泵， 其產生的壓力理論上可以達到無窮大，但是，液壓系統管路和其他設備總會存在薄弱之處。 為了防止破壞，規范要求：必須設置安全閥,安全閥的開啟壓力應不小于1.25 倍最大工作壓力, 流量釋放能力應不小于泵總流量的110%,壓力的升高值不超過開啟壓力的10%,且不應超過設計壓力值。

②泵控型舵機中，產生足夠壓力的軸向柱塞泵，實現舵葉偏轉，由于船舶需要實現向左和向右偏航，這就要求軸向柱塞泵的變向機構必須可靠。規范要求：推舵裝置要能夠實現左右35°的操作。 考慮到舵角限位器的設置要求(一般處于36°～37°)，轉舵機構的管理要求也不容小噓，規范要求：設有最大舵角限位器，并設有限位開關，使舵到達最大舵角前就停止。

(2)足夠的轉舵速度——“轉得快”

舵機的轉舵速度取決于泵提供的流量。供油量越多，轉舵速度也越快。對于泵控型舵機而言，變向變量泵要能夠提供足夠的流量。 規范要求：在最大營運航速、滿載工況下,主推舵裝置應有足夠的強度與能力,在28s 內將舵葉從任一舷35°轉至另一舷30°；輔(應急)推舵裝置(動力),在滿載1/2 最大航速或7kN(取大值)前進時,在60s 內將舵葉從任一舷的15°轉至另一舷的15°。

①為了盡量增加流量提高轉舵速度， 在設有浮動桿追隨機構的泵控型舵機液壓系統中， 往往考慮副杠桿和儲能彈簧的設置。

簡單的三點式浮動桿比較機構直觀、可靠、簡單、實用， 是目前海船上泵控式舵機中應用最廣泛的一種比較機構， 其通過控制桿與變向變量泵變向變量機構相連的控制點位移取決于舵令信號大小， 即泵的供油量取決于舵令信號，所以操小舵角時，泵的供油量很小，使舵轉動得很慢。為此，增加副杠桿，和主杠桿共同鉸接于一個點。當伺服活塞帶動主杠桿的操縱點繞追隨點轉動時， 主杠桿通過與副杠桿共同鉸接點帶動副杠桿繞固定鉸接點轉動,使控制點也作相應的更大位移的移動，于是操小舵角時,變向變量泵有足夠的供油量，加快轉舵速度，提高小舵角操舵的靈敏度。 如下圖3 所示。

圖3 設置“副杠桿”的流量與舵角關系

而當操大舵角時,由于信號大，控制點的位移也需要很大，但是泵的變向變量機構的位移卻是有限，以致于造成操大舵角時不能連續進行。為此，在舵柄和反饋杠桿追隨點間設置儲能彈簧。操大舵角時，在操縱點移動到一定位置，控制點移動到最大行程所對應的位置后，控制點保持在位置不動，操縱點繼續移動，追隨點通過壓縮儲能彈簧而使相應行程被儲存， 從而使操舵動作得以一次性完成。 隨著舵葉轉動，儲能彈簧逐漸恢復原來長度。 從彈簧被壓縮開始到恢復原來長度為止， 變向變量泵一直處于最大排量下工作， 從而使得變向變量泵有較長時間處在大排量下工作，保證了轉舵速度。彈簧恢復原來長度后到舵葉轉到指令舵角這過程中, 杠桿以最終操縱點為支點擺動，當追隨點到達指定舵令所體現的位置時,控制點正好被拉到零位， 變向變量泵排量為零， 舵葉停在指令舵角。 如下圖4 所示。 顯然，儲能彈簧是一個雙向受壓的彈簧， 即不論彈簧兩側桿件端點間的距離因受拉而伸長還是因受壓而縮短，彈簧均受壓。 儲能彈簧不能太軟，否則可能使追隨點先于控制點而移動， 小舵角操舵也就無法進行；儲能彈簧也不能太硬，否則大舵角操舵所需的操舵力又會太大，如果無法達到，則反饋桿實際上相當于一根剛性桿，儲能彈簧不起作用,大舵角操舵難以一次完成。

圖4 設置“儲能彈簧”的流量與舵角關系

②在泵控型舵機液壓系統中， 除了軸向柱塞泵自身進行調節流量之外， 一般是設有兩套推舵裝置或者兩臺及以上相同的動力設備，在特殊海域或者繁忙航道，就可以實現雙泵工作，提供差不多2 倍的流量了，這樣就增加船舶航行的機動性。

(3)可靠的替代措施——“你不轉，我來轉”

舵設備是船舶常見的關鍵性設備之一。為了安全，其中很多關鍵的環節都要求采取可靠的替代措施。 規范要求：

①應設一套主推舵裝置和一套輔推舵裝置， 其中一套發生故障時不致引起另一套也失效。

當主推舵裝置備有兩臺及以上相同的動力設備，又滿足下列條件時，也可不設輔操舵裝置：當管系或一臺動力設備發生單項故障時應能將缺陷隔離， 以使操舵能力保持或迅速恢復； 對于客船， 當任一臺動力設備不工作時，或對于貨船，當所有動力設備都工作時，應能滿足對主推舵裝置的要求。 但1 萬總噸以上油船、化學品船,液化氣運輸船和7 萬總噸及以上的船舶除外。

②1 萬總噸以上油船、化學品船和液化氣運輸船和7萬總噸及以上其他船， 其主推舵裝置要求具有兩臺獨立的動力設備，設有自動隔離裝置，當出現故障(重大機損除外)時能在45s 內恢復轉舵能力。

③舵機應具有兩套以上操縱裝置,并可在多處(舵機房、駕駛室)實現操舵。

④可靠的應急動力：舵桿直徑大于230mm 的所有船舶, 應設有能在45s 內向推舵裝置自動提供替代動力源(應急電源),并至少可供工作30min (1 萬總噸以上),而其它船舶為10min。

3 舵機故障的警示

下文，結合最近的一則海事信息，說明舵機失靈的危害和應該注意的事項。 本次舵機失靈的技術原因在于應急動力環節的失效。

（1)事故經過

據寧波海事信息，2019 年9 月23 日0333 時左右，由廣州駛往寧波的干貨船“Z”輪抵達寧波港螺頭角水域附近，航向337°，航速7.6 節，準備去野鴨山錨地拋錨。 與此同時，由陽江駛往江陰的干貨船“C”輪在該輪左后方0.3海里同向航行。

0340 時左右，“Z”輪船舶失電，舵機失靈，船舶受到風流影響大幅度左轉，船長隨即停車減速，指示大副去船頭拋錨，“C”輪發現“Z”輪異常的大幅向左轉向，立即停車左滿舵避讓。

0344 時左右，“Z”輪船首左舷碰撞“C”船首右舷。 事故造成“Z”輪左錨鏈孔部分凹陷破損，駕駛臺前左舷舷墻凹陷(如下圖5 所示)；“C”輪一艙右舷肋板破裂進水，甲板舷墻破損(如下圖6 所示)。 所幸兩船均無人員傷亡。

圖5 “Z”輪左錨鏈孔凹陷破損

圖6 “C”輪甲板舷墻破損

(2)原因分析

①海員通常做法和當時特殊情況要求戒備上的疏忽：“Z”輪存在對海員通常做法和當時特殊情況要求戒備上的疏忽。“Z”輪在進入港區備車航行過程中僅開啟一臺發電機，發電機線圈整流器損壞引起全船失電，導致舵機失靈，發生碰撞事故。船舶舵機失靈后船長未及時顯示船舶失控號燈號型，未立即通報他船，沒有緊急啟動應急舵操縱船舶。

②瞭望疏忽：“C”輪存在瞭望疏忽的過失，“C”輪值班駕駛員認為“Z”輪去錨地拋錨，同向航行無碰撞危險，未對近距離船舶“Z”輪保持系統觀測。

(3)經驗總結

①應急發電機的檢查和保養。在艙室內檢查，確認在0℃以下能啟動；試驗斷電自動及手動啟動功能、連續運轉半小時、 應急配電板效能試驗供應應急消防泵及舵機使用。

②應急操舵系統的檢查和保養。 船舶應當至少在每季度內進行應急操舵演習， 試驗正常操舵與應急操舵的相互轉換。

4 結束語

泵控型舵機， 有著良好的工作性能和廣闊的使用前景，熟悉其結構組成和工作特點，有助于輪機員對其安全狀態有個明確的判斷。在日常工作中，船員應當加強泵控型舵設備的維修保養工作，防止出現舵機故障，保障船舶航行安全；應當加強良好船藝的培養，比如在港區航行時開啟雙泵工作，防止單泵系統突發故障導致事故；應當加強船舶應急演練， 船舶發生事故險情時按照應急程序有條不紊采取應急措施， 防止出現慌亂從而錯過最佳補救時機的情況。