某船艏側推裝置3次進塢修理的故障排查

曾令林

(湛江海濱船廠 ,廣東 湛江 524005)

1 設備安裝布置

某船艏側推裝置實船安裝布置示意圖如圖1所示，其主要結構包括：主電機及控制部分、側推機械裝置、液壓泵站及螺距控制部分。螺旋槳布置于船首右側，從槳轂油缸一側看，螺旋槳在槳軸帶動下逆時針旋轉。槳轂內結構示意圖如圖2所示，當槳葉處于正車螺距，艏側推向右推水，發出推力向左；當槳葉處于倒車螺距，艏側推向左推水，發出推力向右，從而保證該船停靠碼頭、離開碼頭和在海上執行任務需要。

圖1 艏側推裝置實船安裝布置示意圖

圖2 槳轂內結構示意圖

2 故障概述

該船進我廠修理，按工程明細內容，艏側推裝置修理工程為原地檢查，第1次進塢發現艏側推裝置槳軸的油封漏油。更換槳軸的油封需要將艏側推裝置槳轂橫軸部分拆卸下來，發現電機驅動軸的錐齒輪已崩齒損壞，同時對艏側推裝置進行擴大修理，對槳轂部分進行了全面檢修。

全面檢修回裝完整后，5月31日我廠組織人員對艏側推裝置進行系泊試驗，艏側推裝置液壓系統壓力約為2.5 MPa，螺距從零位到左最大、右最大位置所需時間均為3 s，連續運行30 min，測得驅動軸軸承溫度為55℃，艏側推裝置聲音、震動均正常。出塢后進行系泊試驗和3次機動防臺風航行試驗，艏側推裝置均能滿足正常使用要求，但存在如下問題：①操作手柄打滿左螺距時，最大電流為800 A，未超設定極限值，電流比較穩定；②操作手柄打滿右螺距時，電流升至800 A以上，超設定極限值報警，在約92%螺距位置電流反復波動。

我廠認為對此電流報警和調整是由模塊控制的，該模塊的相關參數需要手持終端進行調整，由于我廠沒有相關設備，既無法取得該模塊的相關數據，也無法對該模塊進行調整。因此我廠外請艏側推裝置電氣廠家上船進行技術指導和系統調試。8月1日電氣廠家服務人員上船后先到駕駛室檢查操縱部分，操縱操作手柄，艏側推裝置能滿足正常使用要求，仍然是打滿右螺距時，電流升至800 A以上，超設定極限值報警，在約92%螺距位置電流反復波動。電氣廠家服務人員到艏側推艙機旁后，首先調試液壓系統的溢流閥，再用螺絲刀手動操縱電磁換向閥并用手機記錄變距時間，剛開始左、右螺距均能操作并能達最大止檔位置。原來左螺距最大止檔位置到右螺距最大止檔位置時間為11.9 s，經調整后為10.5 s，此時機旁的壓力表顯示最大工作壓力達10 MPa(壓力表量程最大為10 MPa，系統額定工作壓力4 MPa)。此后用螺絲刀操縱電磁換向閥，向右操縱螺距能到右螺距最大止檔位置，反向操縱螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能歸零或到左螺距最大止檔位置。

我廠對此故障安排專業液壓師傅上船排查，拆檢全部液壓閥組并清潔保養，未發現異常。電磁換向閥至艏側推裝置油缸的2路液壓管進行對調試驗，仍然是向右操縱螺距能到右螺距最大止檔位置，反向操縱螺距只能回到右螺距100%位置，再也不能歸零或到左螺距最大止檔位置。初步確定為艏側推裝置水線下內部動力液壓部分故障。8月5日我廠外請艏側推裝置液壓部分服務人員上船排查，液壓部分服務人員進行了一系列檢查，排除了液壓部分低壓腔的故障，將故障確定為艏側推裝置水線下內部動力液壓部分故障，并且需進塢檢修。

9月29日，該船第2次進塢檢修艏側推裝置，發現艏側推裝置槳轂內部活塞桿尾部螺紋退刀槽處斷裂。由于該活塞桿無備件，需重新訂購，并且生產周期長達1個多月，因此我廠對槳轂液壓部分進行拆卸和回廠檢修，加裝封板封住艏側推裝置槳轂液壓部分后出塢。

3 原因分析

首先，檢查該艏側推裝置活塞桿制造生產情況。我廠聯系艏側推裝置制造廠家并了解到，該活塞桿是根據KAMEWA的許可證圖紙950042Ag生產，KAMEWA圖紙中材料按瑞典標準設計，根據KAMEWA公司的圖紙，艏側推裝置制造廠家進行了材料的國產化轉化，轉化的原則是：保證材料的種類相同、成分相近、性能相當。按球墨鑄鐵中外牌號對照，選用的國內材料是QT500-7(GB/T1348-2009《球墨鑄鐵件》)，具體機械性能參照圖紙執行，抗拉強度σb=500 MPa，屈服強度σs=350 MPa，延伸率δ≥7%。

活塞桿桿端尺寸示意圖如圖3所示。以活塞厚度35 mm為界限，當活塞推動活塞桿向正車調距(手柄操左螺距)，其D75f6軸肩端受壓，但達到止檔以后，活塞直接與槳轂貼平，活塞桿不承受活塞的壓力；當活塞推動活塞桿向倒車螺距(手柄操右螺距)，活塞螺母受壓，活塞螺母與活塞桿通過螺紋連接，桿端承受拉力，即便到達止檔以后，活塞桿與槳轂貼平，桿端這段仍承受拉力。

圖3 活塞桿桿端尺寸示意圖

根據圖3可知，當桿端受到拉力時，在距右端面20～22 mm的局部位置，該處整個截面積最小，是整個活塞桿的薄弱截面。從故障現象看，正是該處發生的斷裂。

從斷口的宏觀形貌看，在薄弱截面處屬于脆性斷裂。這與該材質本身有關，球墨鑄鐵QT500-7強度與塑性中等，材質脆性較大，不耐受敲擊或其它沖擊。

我廠10月8日發到艏側推裝置制造廠家的傳真中所附《某船艏側推裝置修理調試情況說明》，對整個艏側推的修理及調試過程進行了較為詳實的記述，其中記載了2點事實：①我廠對艏側推裝置進行拆解修理，并恢復安裝，過程中對活塞桿進行磁粉探傷，經檢測，表面無裂紋性缺陷；②我廠外請艏側推裝置電氣廠家服務人員參與調試，電氣廠家服務人員擅自對泵站的溢流閥進行調定，據現場人員反饋，壓力表讀數曾超過10 MPa(即壓力表的最大量程)，在調試中途隨之發生了9月29日拆檢前的故障現象。

從受力分析判斷，應是在倒車止檔(右止檔)時，活塞桿桿端受到沖擊，隨后發生了斷裂。活塞桿到倒車行程止檔(右止檔)時受力示意圖如圖4所示，十字頭部分的右側端面與槳轂貼平，系統壓力快速升到最大調定壓力，活塞對活塞桿的桿端拉力也達最大。

圖4 活塞桿到倒車行程止檔(右止檔)時受力示意圖

活塞桿薄弱截面的有關尺寸及油缸的有關尺寸見圖4。若活塞桿承受正向拉力斷裂，其首先需克服材質的屈服極限，屈服極限取值350 MPa，活塞桿在薄弱截面處拉斷時對應的活塞左側油液壓力(即系統壓力)設為P沖擊，設薄弱截面的面積S薄弱，活塞有桿腔一側的有效截面積S活塞，P沖擊的求解公式如下：

(1)

溢流閥的型號為DBDS10K10/10，壓力表的最大量程，額定工作壓力4 MPa。經與供應商確認，該直動型溢流閥的壓力可以調定到10.5～11.0 MPa，但仍小于P沖擊。進一步分析原因，可能需要考慮到在溢流閥工作的瞬間存在超調壓力，超調壓力指的是系統油液壓力超出調整壓力的值，是由慣性和阻尼作用產生的。查詢機械行業標準JB/T10374-2013《液壓溢流閥》(以下簡稱《標準》)瞬態特性的性能指標，對于公稱通徑10 mm、公稱壓力10 MPa的直動型溢流閥(DBDS10K10/10的物理接口屬于該型)，要求壓力超調率≤80%。若溢流閥的設定壓力取10.5 MPa，壓力超調率取73%，則系統壓力可超過18.135 MPa，而瞬態恢復時間≤50 ms，也基本符合沖擊斷裂的假設。

但是在《標準》中規定：瞬態特性劃歸型式試驗的范疇。經咨詢，供應商并無參考數值，因此不能定量計算。但是卻可作為定性分析，結合過程事實，說明溢流閥的壓力設定超10 MPa并在建立壓力的瞬間產生沖擊是活塞桿斷裂的直接原因。

其次，在9月29日現場拆檢時，外觀檢查中發現在活塞螺母的凹槽處有局部沖擊變形的特征，活塞螺母凹槽處沖擊變形圖如圖5所示，凹槽左側和右側的變形清晰可見，推測分別是在拆卸和回裝活塞螺母過程中，由我廠安裝時操作不當所產生。

圖5 活塞螺母凹槽處沖擊變形圖

活塞螺母安裝及鉤形扳手示意圖如圖6所示，活塞螺母安裝于活塞桿端部，鎖緊之后一側與活塞端面貼平。其結構類似圓螺母，外形尺寸D88，外圈有4處寬7 mm、深3 mm的凹槽。因活塞桿材料為球墨鑄鐵QT500-7，若盲目采用敲擊4處凹槽的方法拆卸和鎖緊，在敲擊過程中，其形成的沖擊可能引發材質內部產生裂紋，而磁粉探傷過程能檢查表面，卻不能發現內部裂紋，一旦發生活塞桿在桿端受沖擊力過大，內部裂紋進一步擴展，使用中會存在拉斷的潛在風險。推薦比較穩妥的安裝方法是，根據外形尺寸D88，可選用80～90 mm的鉤形扳手(JB/ZQ4624-2006《鉤形扳手》)拆卸和鎖緊。拆卸時在螺母外形與活塞上劃記號線，恢復安裝時按照記號還原便可，不需要費很大勁敲擊。

圖6 活塞螺母安裝及鉤形扳手示意圖

4 解決措施

我廠對此艏側推裝置故障非常重視，收集了大量修理資料和編寫相關情況說明，及時聯系艏側推裝置制造廠家，編寫了修復方案和修理工藝，組織廠內和廠外專家于10月22日在我廠召開原因分析和修復方案評審會。主要解決措施為:①材料由球墨鑄鐵QT500-7的活塞桿更換為鍛打材料的活塞桿，其余尺寸保留原樣，鍛打材料的活塞桿耐受敲擊或其它沖擊；②與活塞桿配合的2號滑塊磨損有缺陷，對4件滑塊全部給予換新，滑塊與活塞桿配套生產；③槳轂液壓部分內場修理組裝和船上回裝時，邀請艏側推裝置制造廠家來廠進行技術指導和系統調試。

11月7日，該船艏側推裝置第3次進塢修理。出塢后在海上進行調試時,艏側推裝置仍然存在前面所描述的問題。

艏側推裝置制造廠家服務人員上船后，沒有在機旁調試液壓系統的溢流閥和手動操縱電磁換向閥，而是在駕駛室用手持終端讀取控制模塊數據，用手持終端調試和到艏側推艙機旁控制箱調試控制模塊，重新標定螺距，直到打滿右螺距時電流反復波動問題排除。11月11日，艏側推裝置進行系泊和航行試驗報檢，各性能參數滿足試驗大綱和試驗冊要求，滿足正常使用要求。

5 結束語

我廠排查該艏側推裝置的故障，耗費了大量人力、物力、財力和時間。通過對該故障的原因分析和排查，經驗總結如下：① 艏側推裝置是高精密裝置，裝配要求高，系統復雜，承修者需提高認識，加強理論與實踐學習，嚴格按工藝技術和方案要求檢修；②調試時要有較強的機電一體化專業知識，不得擅自對液壓系統的溢流閥進行調定；③修理后的艏側推裝置因阻力發生了變化，電流均會改變，只需要用手持終端或電腦重新標定螺距即可。