舵機液壓鎖定報警分析與測試研究

張興彪 李 偉

（大連海事大學，遼寧大連 116026）

0 引言

輪機人員對船舶舵機液壓鎖定報警（Hydraulic Lock Alarm）的工作原理、報警原因和測試方法了解不多，舵機運行過程中出現該報警時，輪機人員往往無法快速分析和排除故障，因該報警導致船舶停航、擱淺或碰撞事故也時有發生。因此有必要對各種類型舵機液壓鎖定報警的基本原理進行分析，并對該報警的常見原因和測試方法進行簡單介紹，以供相關人員參考和借鑒。

1 液壓鎖定報警定義和規范要求

舵機液壓鎖定是指因兩套舵機系統中的液壓油運動方向不一致，發生液壓油堵塞或旁通，轉舵機構不能完成操舵指令要求的動作，導致失去操舵能力的情況。根據CCS、DNV 和LR 的規定，多于一套的舵機系統（動力或控制）同時運行時，液壓鎖定報警應能夠識別系統故障并在下列情況下動作：在泵控型液壓舵機中，變量泵的偏心位置（即變量泵中斜盤的傾斜方向）不符合操舵指令的要求；在閥控型液壓舵機中，全流量三通閥處于不正確的位置。發生液壓鎖定時，駕駛臺應有聲光報警來指示該故障。[1]

DNV 規范中還明確規定：當有超過一套的舵機系統布置在舵機室，且可以被同時操作時，則需考慮由單一故障引起液壓鎖定故障的風險。液壓鎖定包含2 套舵機系統（一般是完全相同的系統）發生彼此動作不一致現象而導致失去操舵能力故障的所有情形。如2 套舵機系統中的液壓油相互沖擊而引起的液壓鎖定故障，或是由于液壓油旁通而導致的管路的油壓下降，或者液壓油的油壓完全不能建立從而導致的無法轉舵。

《鋼質海船入級規范2018》第三篇中第13 章“操舵裝置與錨機裝置”規定：

13.1.7.7 液壓阻塞：如操舵裝置的布置多于一個系統（動力系統或控制系統），并能同時進行操作時，則應考慮由于單項故障而引起液壓阻塞的危險性。

13.1.9.5 液壓阻塞報警：由單一故障引起的液壓阻塞，可能會引起操舵失靈時，在駕駛室內應設置聲光報警。在下列情況下，此報警應動作：（1）變量泵控制系統的位置與所給操舵指令不一致；或（2）在定量泵系統中的全流量三通閥位置不正確。

2 舵機液壓鎖定報警原理分析

2.1 Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警分析

Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警檢測方法是在操縱閥的每一端安裝一個接近傳感器，以檢測閥芯是向左還是向右。雙泵單元中的每一臺泵單元均安裝這種傳感器。轉舵指令信號由控制系統產生。如果無轉舵指令并且操縱閥閥芯鎖定在外部位置，則在大約5 s 后，將在駕駛臺和控制室出現液壓鎖定報警；或者如果一臺舵機油泵處于遙控運行模式，駕駛臺給出轉舵指令時接近開關檢測到操縱閥被鎖定，將在駕駛臺和控制室出現液壓鎖定報警。

Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警原理如圖1 所示，接近傳感器安裝在操縱閥的兩側，檢測閥芯的運動方向，如果閥芯靠近接近傳感器，則其觸點閉合，反之觸點斷開。光電耦合器安裝在控制系統內部，接收指令舵角信號，有舵角指令時，則其觸點閉合，反之觸點斷開。Rolls-Royce 舵機液壓鎖定報警有兩種設計方式，一種是有轉舵指令時，觸點K02或K03 中有一個閉合就會輸出報警，這種設計通常用于閥控舵機；另一種是無轉舵指令時，觸點K02 或K03 中有一個斷開則輸出報警，這種設計通常用于泵控舵機。

圖1 Rolls-Royce 舵機液壓鎖報警原理圖

Rolls-Royce 泵控舵機液壓鎖定報警設計如圖2 所示，變頻電機驅動變向油泵，實現改變轉舵方向和速度。駕駛臺發出左舵指令后，電磁閥有電，油泵左吸右排，液壓油經右側單向閥和插裝閥進入轉葉油缸，向左舵方向轉舵，油缸的回油經負荷感應閥進入濾油器，然后推開安裝液壓鎖定傳感器的單向閥回到油泵左側吸口。該報警設計為無轉舵指令時有一個接近開關觸點斷開時輸出液壓鎖定報警。圖中液壓鎖定接近傳感器安裝在左側的兩個單向閥附近，作用是檢測單向閥的閥芯位置。根據圖2 中的液壓系統，在轉左舵之前，如果安裝傳感器的單向閥處于開啟位置，這時液壓油將經過兩個安裝傳感器的單向閥直接回到油泵吸口，導致形成閉式回路而無法轉舵，這種情況下應該輸出液壓鎖定報警。在無轉舵指令時，如果安裝傳感器的兩個單向閥均處于關閉位置，接近傳感器觸點閉合，繼電器K02 和K03 均有電，其觸點均閉合，不輸出液壓鎖定報警；如果某個單向閥處于開啟位置，其觸點斷開，繼電器K02 或K03 中某個失電，觸點K02 和K03 中將有一個斷開，這時將會輸出液壓鎖定報警。因為在正常轉舵時，安裝傳感器的單向閥將有一個處于開啟狀態，為了防止輸出液壓鎖定報警，接近傳感器位置采用交叉安裝，即左舵接近傳感器安裝在轉右舵的單向閥上，右舵接近傳感器安裝在轉左舵的單向閥上。如果控制系統收到左舵指令，則左舵光電耦合器觸點閉合，但是因為轉左舵單向閥上安裝的是右舵接近傳感器，該閥處于關閉位置，繼電器K03有電，觸點K03閉合，因此不會輸出液壓鎖定報警。

圖2 Rolls Royce 泵控舵機液壓鎖定報警設計

Rolls-Royce 閥控舵機液壓鎖定報警設計如圖3 所示，無舵角指令時，先導換向閥處于中位，油泵排油經節流孔、先導換向閥P 口和T 口和濾油器回到油箱，溢流閥外控口通油箱，溢流閥開啟，油泵處于卸荷狀態，先導換向閥A、B 口也和T 口相通，主換向閥閥芯在復位彈簧作用下處于中位。如果控制系統收到左舵指令，則電磁鐵Y1 有電，先導閥左位通，P 口油液經A 口到達主換向閥左側，將主閥芯推向右側，主閥左位通，主閥芯右側油液經先導閥B、T口會油箱，溢流閥因其外控口不再通T 口而關閉，油泵處于加載狀態，其排油經主閥P、A 口至轉舵油缸，推動舵葉向左舵方向轉動。此時，主閥芯處于右側，安裝在右側的左舵接近傳感器觸點閉合，圖1 中繼電器K02 有電，其觸點K02 閉合。因為無右舵指令，右舵光電耦合器觸點斷開，安裝在主閥左側的右舵接近傳感器觸點斷開，繼電器K03失電，其觸點K03 斷開，不會輸出液壓鎖定報警。如果收到左舵指令時，主閥閥芯處于左側，則左側的右舵接近傳感器觸點閉合，繼電器K03 有電，其觸點K03 閉合，同時左舵光電耦合器觸點閉合，此時就會輸出液壓鎖定報警。

圖3 Rolls Royce 閥控舵機液壓鎖定報警設計

2.2 KAWASAKI 舵機液壓鎖定報警分析

如圖4 所示，接收轉舵指令后，控制系統將舵角指令信號和實際舵角反饋信號之間的偏差值送到力矩馬達，力矩馬達驅動伺服滑閥，伺服油缸驅動主泵變量機構，主泵輸出指令所需的排向和排量。如果偏差信號使力矩馬達驅動伺服滑閥閥芯右移，則輔泵的控制油進入伺服活塞左腔，右腔通油箱，伺服活塞右移，同時反饋桿帶動伺服閥套也右移，并最終使閥芯回到中位。此時，伺服活塞停止在一定位置，主泵的變量機構按所需的排向和排量向轉舵油缸輸送壓力油。轉舵油缸將舵葉向要求的舵角轉動，同時實際舵角的反饋信號送回控制器。當實際舵角接近指令舵角時，即偏差信號較小時，力矩馬達不足以克服伺服閥芯的彈簧力，閥芯在彈簧力的作用下左移，輔泵的控制油進入伺服油缸左右兩腔，伺服活塞向左移動，同時帶動閥套左移，使閥芯回中。此時，主泵的變量機構已將泵的排量減至最小，同時舵角的偏差信號也已為零，轉舵停止，主油路鎖閉。

圖4 KAWASAKI 舵機液壓鎖定報警設計

當力矩馬達動作與舵角信號和實際舵角之間的偏差信號不一致時,控制系統便會輸出力矩馬達故障報警。因為變量泵的排向和排量由斜盤傾斜方向和角度控制，斜盤傾斜方向和角度由伺服滑閥控制，而伺服閥由力矩馬達控制，通過檢測力矩馬達動作可以判斷變量泵的斜盤傾斜方向是否正常。因此，某些船級社認為力矩馬達故障報警可替代液壓鎖定報警。KAWASAKI FE-21 泵控型電液舵機就是以力矩馬達故障報警來代替舵機液壓鎖定報警[2]。

KAWASAKI RV-21-063-H 閥控型舵機采用與其他閥控型舵機類似的液壓鎖定報警設計，即電液換向閥不能夠按照操舵指令正確動作時輸出液壓鎖定報警。該報警檢測裝置由閥芯位置傳感器、液壓鎖探測器、報警面板、電源模塊組成。每個電液換向閥裝有兩個閥芯位置傳感器（左舵傳感器和右舵傳感器）。左舵時，閥芯移到右側，左舵傳感器觸點斷開，右舵傳感器觸點閉合；右舵時，閥芯移到左側，右舵傳感器觸點斷開，左舵傳感器觸點閉合。液壓鎖定探測器將舵機指令信號與閥芯位置傳感器反饋信號進行比較，如果閥芯沒有按照操舵指令信號正確動作，就會發出液壓鎖定報警信號。左舵時，閥芯應該移動到右側，如果閥芯位于中位或左側，就會發出液壓鎖定報警。

2.3 KGW 舵機液壓鎖定報警分析

KGW 舵機實現液壓鎖定報警是通過比例電磁閥的電流和主管路上的壓力開關的相互作用。如圖5 所示，比例電磁閥的電磁鐵電流信號和舵角指令信號成比例，即有舵角指令時，電磁鐵1Y1 或1Y2 有電流，比例電磁閥工作在左位或右位，閥芯的位移和電流成比例，無舵角指令時，1Y1 和1Y2 均失電，比例電磁閥處于中位。壓力開關DS1A 和DS1B 設定為在壓力上升至36bar時觸點閉合，壓力下降至30 bar時觸點斷開?？刂葡到y接收左舵指令時，電磁鐵1Y1 得電，油泵變量機構產生與1Y1 電流成比例的流量輸出，液壓油經壓力開關DS1A 所在的主管路和A 口至轉舵油缸，轉舵油缸的回油經B 口和DS1B 所在的主管路H 回到油泵的吸口。正常轉左舵時，DS1A 的觸點閉合，DS1A 的觸點斷開，表明對應管路的壓力正常，控制系統不輸出液壓鎖定報警信號。無轉舵指令時，電磁鐵1Y1 和1Y2 均無電流流過，比例電磁閥處于中位，油泵變量機構回到零位，此時主管路的均應低于30 bar，壓力開關DS1A和DS1B均斷開，控制系統不輸出液壓鎖定報警信號；如果主管路有一側壓力達到36 bar，控制系統就會輸出液壓鎖定報警信號，既在無轉舵指令時，如果主管路壓力上升至36 bar，控制系統輸出液壓鎖定報警。為了消除主管路壓力波動引起的誤報警，液壓鎖定報警的設定延時8 s。

圖5 KGW 泵控舵機液壓鎖定報警設計

2.4 HATLAPA 舵機液壓鎖定報警分析

如圖6 所示，指令舵角信號（0～5 V）使舵機變量變向油泵產生對應的排向和排量輸出，油泵排向和排量大小取決于舵角信號。給出指令舵角信號后，油泵的電液比例閥就會根據指令舵角信號使油泵變量機構產生對應方向的機械位移，油泵上的液壓傳感器檢測油泵變量機構的機械位移和動作方向，并產生與指令舵角對應的輸出信號（0～5 V）。控制系統比較指令舵角信號和液壓鎖傳感器的輸出信號，如果二者之間的偏差超過設定值，說明變量變向油泵產生的排向和排量輸出和指令舵角信號所需不一致，就會激活液壓鎖定報警。

圖6 HATLAPA 泵控舵機液壓鎖定報警設計

3 舵機液壓鎖定報警測試方法

輪機人員應該在開航前或定期進行液壓鎖定報警功能試驗，具體操作應該參考舵機說明書。因篇幅限制，本文僅介紹兩種舵機該報警的測試方法。

3.1 ROLLS-ROYCE 舵機測試方法

對于圖2 中的ROLLS-ROYCE 泵控變頻舵機，首先駕駛臺選擇OVERRIDE 模式，然后將接線端子塊X8:1 拆卸下來（斷開接近傳感器的電源），或者直接拆下一個接近傳感器的接線，延時5 s 后，正常將會出現液壓鎖定報警。

對于圖3 中的ROLLS-ROYCE 閥控舵機，在駕駛臺選擇OVERRIDE 模式，將電機控制器轉到遙控位置，啟動兩臺舵機油泵，手動按壓左舵或右舵電磁閥的閥芯約5 s，正常應將會出現液壓鎖定報警。

3.2 KAWASAKI 舵機測試方法

對于KAWASAKI 閥控型舵機，方法一：起動1 臺或2 臺泵組，舵機控制置于遙控方式；駕駛臺操舵模式選擇NON-FOLLOW UP，并將NF 操作手柄置于中位，最后手動按壓舵機間電磁換向閥的閥芯持續約5 s 左右，正常情況應將會出現液壓鎖定報警。方法二：舵機運行時，將液壓鎖定報警的時間繼電器的計時時間調?。梢哉{至0 s），然后給出對應方向的轉舵指令后即可激活液壓鎖定報警。

4 舵機液壓鎖定報警原因

舵機說明書中通常會列舉液壓鎖定報警的原因，具體的情況因報警的實現方式而有所不同。液壓鎖定報警常見原因包括：①力矩馬達故障；②油泵變量機構故障；③壓力開關故障；④位置傳感器故障或接觸不良；⑤位置傳感器安裝不當或與換向閥連接件松動；⑥電磁換向閥線圈接觸不良或者燒壞；⑦先導換向閥或主換向閥閥芯卡阻；⑧單向閥卡阻（僅對ROLLS-ROYCE 泵控變頻舵機）；⑨電動機或油泵故障；⑩液壓鎖報警控制電路中線圈或接觸器故障。

5 結束語

舵機液壓鎖定報警是一項綜合報警，多種原因均可導致該報警發生，經常導致嚴重后果。管理人員應該熟知該報警的設計原理和測試方法，定期對該報警進行維護和測試。出現液壓鎖定報警時，應該首先確認問題出在液壓系統還是控制電路，然后再逐步進行排查。如果采用NFU 模式無法正常轉舵，說明問題出在液壓系統；如果采用NFU 模式可以正常轉舵，而采用FU 模式時出現報警，說明液壓系統正常，問題應該出在控制電路。