某輪艏側推裝置液壓伺服單元的工作原理及改進意見

吳海春

（渤海船舶職業學院，遼寧 興城 125105）

引言

船舶側推裝置是安裝在船舶水線以下橫向套筒中的一種橫向推進裝置，又稱隧道推進器。當船舶通過狹窄水道、進出港口和靠離碼頭時，航速低，舵效差，轉向困難，通過側推裝置可以提高船舶的操縱性和調整船位的能力，省卻拖輪的幫助，減少主機起動、換向次數，延長其使用壽命，降低營運成本。艏側推裝置作為現代船舶操縱系統的重要組成部分之一，應用越來越廣泛[1-2]。

1 某輪艏側推裝置概述

某輪采用BRUNVOLL公司的FU-45-LCT-1375型電動調距槳式艏側推裝置，由指令單元、總控制單元、電力驅動單元、調距槳和液壓伺服單元等組成。艏側推裝置利用電動機作為原動機，通過傳動裝置帶動調距槳轉動。調距槳螺距的改變是通過液壓伺服單元實現的，液壓油經比例換向閥作用于側推裝置的伺服油缸，推動伺服活塞帶動槳葉轉動，改變螺距，從而獲得不同方向及大小的推力[3]。

2 液壓伺服單元的組成

液壓伺服單元由伺服油泵、比例換向閥、濾器、重力油柜和報警裝置等部件組成，用于為艏側推裝置的調距提供液壓動力，為傳動裝置的軸密封提供壓力，并對機械裝置進行潤滑和冷卻。

2.1 伺服油泵

伺服油泵是一個具有先導調節閥的變量葉片泵，如圖1所示。定子1被固定在大控制活塞2和小控制活塞3之間，小活塞始終承受著系統壓力，再加上彈簧的彈力，使定子處于排量最大的初始位置。同時，系統壓力還作用在兩位三通壓力調節閥4上，當系統壓力小于壓力調節閥的設定壓力時，閥的上位通，大活塞側泄荷。當系統壓力達到壓力調節閥的設定壓力時，閥的下位通，系統壓力作用在大活塞側，由于大活塞截面積約為小活塞面積的2倍，在大活塞的推動下，定子克服小活塞的阻力逐漸回到中間位置，泵的流量也隨之減小。當定子完全回到中位時，泵就平衡在零點，流量減為零，此時只有漏油在系統中循環。系統壓力可以通過調節旋鈕5來設定。

圖1 伺服油泵結構

2.2 比例換向閥

比例換向閥是一個“O”型三位四通比例電磁閥，如下頁圖2所示。無變距信號時，閥工作在中位，鎖閉油路和伺服油缸。當接到變距信號時，電信號經過放大作用在比例換向閥的左端或右端，使閥工作在左位或右位。當控制系統失靈時，也可以用一個合適的工具推動比例換向閥末端的球柄，進行機旁手動控制。

2.3 重力油柜

重力油柜為液壓伺服單元提供具有一定壓力的液壓油，如圖2所示。油柜上設有液位觀察鏡，要定期檢查油位，使油位保持在所需位置，保證系統能有足夠的壓力，否則可能造成密封失敗。當油位下降到設定值時，低油位報警裝置開始報警，此時要及時補油。

2.4 濾器

在液壓系統中，一般都設有濾器，對液壓油進行過濾，以免油中的雜質磨損傳動機構等結合面。濾器應定期進行清洗，否則會被雜質堵塞。為避免濾器堵塞時，系統內的壓力持續升高，在濾器旁并聯一個單向閥，當壓力過高時閥被頂開。此外，還裝有濾器報警器，當濾器堵塞，系統壓力升高時，發出報警信號。

2.5 報警裝置

在液壓伺服泵的出口設有一個壓力表和低壓報警裝置，如圖2所示，對伺服泵的工作狀態進行監控，當伺服泵排壓過低時，發出報警信號。在重力油柜的出口“E”管路上設有溫度指示器和高溫報警，防止調距槳傳動裝置內的潤滑油溫度過高。

圖2 艏側推裝置液壓伺服單元系統圖

3 液壓伺服單元的工作原理

液壓伺服單元主要用來調節調距槳的螺距，該功能主要是通過變量葉片泵和比例換向閥實現的，如圖2所示。為建立足夠的系統油壓，使用艏側推裝置前必須先啟動伺服油泵，將泵轉到遙控位置，合上控制面板上的主開關，泵將自動啟動，并保持轉動。液壓油在重力作用下由重力油柜的出口C進入伺服液壓泵后，經過濾器壓入比例換向閥。當控制面板發出正向增加螺距指令后，指令電信號經過運算放大器傳給比例換向閥，控制比例換向閥右位通，使液壓油經管路S1和槳軸的油道作用于伺服活塞的右側，伺服活塞左側的液壓油經槳軸的另一油道、管路S2和比例換向閥等回到伺服油泵的吸入口。在壓差的作用下推動伺服活塞向左移動，并通過曲柄滑塊機構驅動槳葉轉動。同時，通過活塞桿驅動反饋桿、反饋鏈條，將槳葉的動作傳給槳葉角發信器，最后傳至操縱臺的槳葉角指示器。當達到要求的螺距后，調距指令取消，比例換向閥失電回到中位，液壓伺服系統進入鎖距工況，伺服活塞兩側的液壓油被封閉在伺服油缸中，靠液壓油的不可壓縮性，將槳葉固定在所要求的位置上。此時，伺服油泵依然運轉，系統內的壓力逐漸升高，當其壓力值達到伺服油泵壓力調節閥的設定壓力時，伺服油泵平衡在零點，流量為零。

在艏側推裝置運行過程中，若調距槳負荷發生變化，系統壓力將發生改變，螺距也隨之改變。控制系統檢測到螺距變化后送來控制信號，控制比例換向閥左位或右位打開一定開度，油泵輸出液壓油，以一定流量的壓力油驅動葉片轉動，將螺距恢復到設定值。由于伺服油缸始終處在水線以下，所以回油得到了很好的冷卻，不再需要設置專門的冷卻裝置，使結構變得簡單[4-5]。

4 液壓伺服單元的改進意見

當某輪艏側推裝置調距槳轉動到要求螺距時，液壓伺服系統中的比例換向閥失電，電磁閥回到中位，葉片泵處于零位平衡狀態，螺距被鎖定。此時，液壓系統管路始終保持高壓狀態，容易導致管路接口和液壓閥件等處出現泄漏，縮短液壓系統的使用壽命，因此，建議對液壓伺服單元進行一些改進，如圖3所示。首先，將比例換向閥類型改為“Y”型帶中位節流的三位四通電磁閥3，并在比例換向閥通往伺服油缸的管路上增設液壓鎖1，當比例換向閥處于中位時，液壓鎖代替比例換向閥起到螺距鎖定的作用，同時液壓鎖與比例換向閥間管路里的高壓油可以通過比例換向閥的中位節流閥泄往油箱，進行泄壓。其次，增設雙向鎖閉閥2和壓力釋放閥5，由于閥2里的壓力降低，其壓力作用在閥5的Y處，當Y處壓力和彈簧彈力的合力小于A處的壓力時，閥5導通，把液壓泵通往比例換向閥之間的高壓油直接泄往油箱，進行泄壓。當比例換向閥處于左位或右位進行調距操作時，雙向鎖閉閥2中的壓力約等于來自P口的動力油壓，這樣Y處壓力和彈簧力的合力大于A處的壓力，閥5關閉，來自伺服泵的動力油通過比例換向閥進入調距槳伺服油缸，進行螺距調節。

圖3 艏側推裝置液壓伺服單元改進圖

5 結語

液壓伺服單元作為艏側推裝置中最重要的組成部分，主要用來調節調距槳的螺距。在分析了艏側推裝置液壓伺服單元組成和工作原理的基礎上，針對液壓伺服單元工作過程中系統始終維持高壓，易造起漏泄的缺陷，對液壓系統進行了改進設計，增設液壓鎖、雙向鎖閉閥和壓力釋放閥，并改用“Y”型三位四通電磁閥作為比例換向閥，力求降低系統在鎖距工況下管路的油壓，避免引起泄漏，延長使用壽命。