某型船調(diào)距槳偶發(fā)螺距失控故障原因分析

摘" " 要：針對(duì)某型船調(diào)距槳偶發(fā)螺距失控故障案例，基于調(diào)距槳電氣控制、液壓系統(tǒng)工作原理，采用故障樹(shù)的分析方法，列舉可能存在的故障原因序列，逐一排查分析，確定真實(shí)原因。

關(guān)鍵詞：船舶；調(diào)距槳；偶發(fā)；螺距故障

中圖分類號(hào)：U661.31+3 " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on Causes During Incidental Pitch Uncontrol Malfuction"for Marine Controllable Pitch Propller （CPP）

WANG Lei1，" LI Tang2，" LIU Meng1，" CHEN Riquan3

（ 1.Unit 92557 of PLA， Guangzhou 510700;" 2. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute， Shanghai 201108;

3. South China Marine Machinery Corporation，" Guangzhou" 517715 ）

Abstract： By taking the incidental pitch uncontrol malfunction fault of marine CPP as an example and according to the working principle of the electric control and hydraulic system of the controllable pitch propeller， the fault tree analysis method is adopted to list up the potential causes sequence of probably-existed CPP malfunction faults， and inspect amp; analyze one by one to determine the actual reasons.

Key words： ship;" controllable pitch propeller;" incidental;" pitch malfuction

1 前言

調(diào)距槳作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)船舶航行操縱安全起到非常重要的影響[1]。造成液壓調(diào)距槳偶發(fā)螺距失控的故障原因非常復(fù)雜，既有電氣控制部分故障的可能，也有液壓控制部分故障的可能[2]。快速、正確的查找故障發(fā)生的機(jī)理和原因，修復(fù)驗(yàn)證得到的結(jié)論，對(duì)于有效排除此類偶發(fā)故障，在設(shè)備使用和維護(hù)過(guò)程中預(yù)防安全事故的發(fā)生，有著重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

2" " 故障基本情況

某船進(jìn)廠塢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)右調(diào)距槳存在偶發(fā)螺距失控故障現(xiàn)象。在系泊調(diào)試試驗(yàn)期間，右調(diào)距槳控制功能未發(fā)現(xiàn)異常，但備航檢試期間，在主機(jī)未啟動(dòng)狀態(tài)下，操作人員位于主機(jī)機(jī)旁操作臺(tái)，將控制部位由機(jī)旁轉(zhuǎn)為集控室控制，此時(shí)集控室螺距控制方式默認(rèn)為分控（手動(dòng)）模式，主機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出右主機(jī)螺旋槳控制系統(tǒng)故障報(bào)警提示，隨后右主機(jī)螺距表由零位自動(dòng)移動(dòng)至100%最大正車螺距，操作人員立即分控降低螺距但無(wú)響應(yīng)，而后操作人員緊急把控制部位轉(zhuǎn)為機(jī)旁操作，并將螺距調(diào)為零，再轉(zhuǎn)為集控模式，發(fā)現(xiàn)分控功能正常，未發(fā)現(xiàn)螺距不受控現(xiàn)象。

3" " "系統(tǒng)組成及工作原理

調(diào)距槳是由電控、機(jī)械和液壓三大部分構(gòu)成的復(fù)雜集成系統(tǒng)[3]：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的螺距指令，控制液壓系統(tǒng)的電液換向閥、比例閥等閥組，使液壓泵組產(chǎn)生的高壓液壓油通過(guò)配油器進(jìn)入軸內(nèi)油管和螺旋槳槳轂油缸的正車腔或倒車腔，驅(qū)動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)部曲柄與滑塊機(jī)構(gòu)，從而起到改變螺距大小的作用。

3.1" "電氣控制系統(tǒng)組成及工作原理

調(diào)距槳電氣控制系統(tǒng)，主要由機(jī)旁操作箱、螺距反饋裝置、中心控制箱等組成：機(jī)旁操縱箱可進(jìn)行本地/遙控轉(zhuǎn)換操作，當(dāng)在本地操作時(shí)，機(jī)旁箱可發(fā)送正車或倒車開(kāi)關(guān)量信號(hào)至中心控制箱，由中心控制箱直接控制正車或倒車，電磁閥驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳葉向正車或倒車方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)在遙控操作時(shí)，調(diào)距槳處于隨動(dòng)控制模式，調(diào)距槳中心控制箱接收4～20 mA的螺距指令電流信號(hào)和螺距反饋電流信號(hào)，經(jīng)PLC模塊采集數(shù)據(jù)處理后，再發(fā)送模擬信號(hào)至電液比例閥，電液比例閥控制液壓油驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳葉轉(zhuǎn)到設(shè)定的螺距位置。

電控系統(tǒng)隨動(dòng)控制（閉環(huán)）原理框圖，如圖1所示。

3.2" "液壓系統(tǒng)變距原理

當(dāng)電控系統(tǒng)發(fā)出變螺距信號(hào)時(shí)，電液換向閥及比例方向閥閥芯移動(dòng)至工作位，液壓油經(jīng)電液換向閥及比例方向閥打開(kāi)鎖止閥進(jìn)入調(diào)距槳槳榖油缸進(jìn)行變距，同時(shí)槳榖內(nèi)液壓油經(jīng)鎖止閥回流至油箱；變距結(jié)束時(shí)，電液換向閥及比例方向閥閥芯移動(dòng)至中位，液壓油直接回流油箱，鎖止閥關(guān)閉，調(diào)距槳停止變距。

4" " 故障原因分析

故障樹(shù)分析法以系統(tǒng)可能發(fā)生的某種故障作為故障樹(shù)頂事件，找出導(dǎo)致故障發(fā)生的范圍作為過(guò)渡狀態(tài)的中間事件，進(jìn)而逐步找出事故的最基本原因，即故障樹(shù)的底層因素[4]。當(dāng)右主機(jī)調(diào)距槳控制系統(tǒng)失控時(shí)，主機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出調(diào)距槳控制失效報(bào)警信號(hào)，同時(shí)螺距槳葉自動(dòng)運(yùn)行至100%最大正車螺距。根據(jù)調(diào)距槳控制系統(tǒng)技術(shù)資料及控制邏輯，通過(guò)故障樹(shù)分析方法，對(duì)可能引起調(diào)距槳失控的原因進(jìn)行分析，形成調(diào)距槳偶發(fā)螺距失控故障樹(shù)（見(jiàn)圖2）。

4.1" 電氣控制系統(tǒng)故障

1）螺距反饋裝置故障

假設(shè)反饋裝置出故障，而中心控制箱功能正常，則當(dāng)反饋電流信號(hào)丟失時(shí)會(huì)發(fā)生控制失效報(bào)警。根據(jù)調(diào)距槳電控運(yùn)行程序，槳葉實(shí)際螺距會(huì)自動(dòng)運(yùn)行至正車100%，而螺距表往往不會(huì)指示正車100%；假設(shè)反饋電流信號(hào)過(guò)大，可能會(huì)出現(xiàn)螺距表指示正車100%，而實(shí)際槳葉螺距會(huì)運(yùn)行至倒車100%。此兩種假定，與偶發(fā)故障實(shí)際情況不符。

2）中心控制箱故障

螺距反饋和指令電流信號(hào)送至中心控制箱后，經(jīng)電流隔離模塊將螺距反饋電流信號(hào)一分為二：其中一路發(fā)送至螺距指示表，另一路發(fā)送至信號(hào)采集模塊，螺距指令電流信號(hào)直接送至信號(hào)采集模塊；螺距反饋和指令電流信號(hào)經(jīng)PLC采集處理后，發(fā)送模擬信號(hào)至電液比例閥，驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳到設(shè)定位置。

（1）假設(shè)電流隔離模塊故障：電流隔離模塊對(duì)輸入的螺距反饋和指令電流信號(hào)處理不正常，將會(huì)導(dǎo)致PLC做出錯(cuò)誤判斷，發(fā)生控制系統(tǒng)失效報(bào)警或槳葉螺距失控運(yùn)行至100%正車；

（2）假設(shè)信號(hào)采集模塊故障：對(duì)采集的反饋或者指令電流信號(hào)處理不正常，將會(huì)導(dǎo)致PLC模塊做出錯(cuò)誤判斷，發(fā)出控制系統(tǒng)失效報(bào)警或螺距失控運(yùn)行至100%正車；

（3）假設(shè)PLC模塊故障：PLC模塊誤動(dòng)作，會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的報(bào)警信號(hào)或螺距調(diào)節(jié)信號(hào)；

（4）假設(shè)供電單元故障：供電電壓不正常，可能造成電流隔離模塊、信號(hào)采集模塊、CPU等工作異常。

3）傳輸線路故障

螺距反饋裝置分中心控制箱、主機(jī)遙控系統(tǒng)分中心控制箱、中心控制箱內(nèi)部等相關(guān)信號(hào)傳輸線路接觸不良，也可能引起偶發(fā)故障。

4.2" "液壓系統(tǒng)故障

由調(diào)距槳液壓系統(tǒng)原理圖分析，當(dāng)電控系統(tǒng)給出變距信號(hào)時(shí)，電液換向閥及比例方向閥應(yīng)處于工作位；若調(diào)距槳變距時(shí)，電液換向閥及比例方向閥卡死無(wú)法回到中位，可能導(dǎo)致調(diào)距槳變距過(guò)程無(wú)法停止，直至運(yùn)行到最大螺距位置。

5" " "故障排查

1）螺距反饋裝置排查

（1）進(jìn)行全正車至全倒車變距，測(cè)量反饋裝置輸出電流信號(hào)，經(jīng)反復(fù)變距操作，檢查反饋裝置輸出電流信號(hào)是否正常；

（2）用萬(wàn)用表檢測(cè)三聯(lián)電位器，全幅轉(zhuǎn)動(dòng)下電阻值變化連續(xù)、無(wú)斷點(diǎn)；檢查調(diào)距槳機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝正確、無(wú)松動(dòng)，檢測(cè)線路絕緣是否正常；

（3）信號(hào)處理板檢查。檢測(cè)接線端子緊固；全幅轉(zhuǎn)動(dòng)三聯(lián)電位器，檢測(cè)信號(hào)處理板轉(zhuǎn)換輸出反饋電流信號(hào)是否正常。

經(jīng)排查，螺距反饋裝置三聯(lián)電位器、信號(hào)處理板工作正常，可以排除螺距反饋裝置故障；

2）中心控制箱檢查

（1）模擬加4～20 mA電流信號(hào)給指令，反饋電流隔離模塊，檢測(cè)隔離模塊電流輸出信號(hào)是否正常；

（2）檢查信號(hào)采集模塊信號(hào)輸入類型配置開(kāi)關(guān)正常，模擬加電流信號(hào)給采集通道，監(jiān)視測(cè)量轉(zhuǎn)換量值為對(duì)應(yīng)數(shù)值準(zhǔn)確，模塊工作是否正常；

（3）用西門(mén)子PLC編程軟件監(jiān)視PLC運(yùn)行，檢查程序工作是否正常；

（4）結(jié)合系統(tǒng)操作檢查，檢測(cè)供電單元輸入、輸出電壓是否正常、穩(wěn)定。

經(jīng)分析，中心控制箱的螺距指令信號(hào)、反饋信號(hào)電流隔離單元、PLC板、信號(hào)采集單元存在故障隱患或發(fā)生故障可能會(huì)造成該偶發(fā)故障，受限于當(dāng)前技術(shù)手段，無(wú)法進(jìn)行故障準(zhǔn)確定位，為此建議以技術(shù)狀態(tài)良好的新模塊逐個(gè)更換設(shè)備上的現(xiàn)有模塊分別進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)故障點(diǎn)。

3）傳輸線路檢查

對(duì)信號(hào)采集線路、電磁閥線路、螺距反饋裝置、中心控制箱線路、監(jiān)測(cè)分站線路等相關(guān)線路接線端子進(jìn)行檢查，端部芯線均連接良好、無(wú)損傷，緊固；檢測(cè)相關(guān)線路對(duì)地絕緣電阻及通斷情況，均符合相關(guān)技術(shù)要求。

經(jīng)排查，可排除線路故障原因引起的調(diào)距槳偶發(fā)螺距失控故障。

4）模擬故障復(fù)現(xiàn)

完成上述1～3項(xiàng)檢查未發(fā)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)存在異常現(xiàn)象，故采用模擬方式復(fù)現(xiàn)故障，作進(jìn)一步驗(yàn)證：

在零螺距狀態(tài)下，反饋電流信號(hào)為12 mA。通過(guò)給定20.5 mA模擬螺距指令電流信號(hào)，主機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出螺距控制失效報(bào)警，此時(shí)螺距處于保護(hù)狀態(tài)，沒(méi)有跑動(dòng)；隨后將模擬螺距指令電流信號(hào)調(diào)整至20 mA時(shí)，螺距開(kāi)始運(yùn)行至100%。

在零螺距狀態(tài)下，指令電流信號(hào)為12 mA不變。通過(guò)給定3.5 mA模擬螺距反饋電流信號(hào)，主機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出螺距控制失效報(bào)警，此時(shí)螺距處于保護(hù)狀態(tài)，沒(méi)有跑動(dòng)；隨后將反饋電流信號(hào)調(diào)整至4.5 mA，螺距開(kāi)始運(yùn)行至100%。

5）液壓系統(tǒng)驗(yàn)證

卸荷閥、電液換向閥及比例方向閥進(jìn)行拆卸清洗，使用壓縮空氣疏通各油孔，檢查閥芯表面光順無(wú)劃痕、彈簧狀態(tài)完好，手推電液換向閥及比例方向閥閥芯在閥體內(nèi)可以靈活滑動(dòng)，反復(fù)進(jìn)行變距操作，卸荷閥、電液換向閥、比例方向閥完好，工作正常。

經(jīng)排查，可以排出調(diào)距液壓系統(tǒng)的故障原因。

6）綜合分析

調(diào)距槳反饋裝置、信號(hào)采集、電磁閥、中心控制箱、機(jī)旁操縱箱、監(jiān)測(cè)分站線路、卸荷閥、電液換向閥和比例控制閥工作正常。根據(jù)故障樹(shù)分析可知，未參與排查的中心控制箱內(nèi)部的螺距指令信號(hào)與反饋信號(hào)電流隔離單元、PLC板、信號(hào)采集單元的集成模塊存在故障。

6 故障處置與驗(yàn)證

根據(jù)模擬故障復(fù)現(xiàn)操作，做出如下處置措施：

1）更換中心控制箱螺距指令信號(hào)、反饋信號(hào)電流隔離兩個(gè)單元；

2）更換中心控制箱PLC板；

3）更換中心控制箱信號(hào)采集單元。

調(diào)距槳故障隱患部件更換、系統(tǒng)檢修完畢后，經(jīng)海上航行試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，未發(fā)現(xiàn)右調(diào)距槳有偶發(fā)螺距失控故障復(fù)現(xiàn)。

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