一种舵机油缸压力、压差超出规定范围问题的分析研究

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(武汉船用机械有限责任公司,武汉 430084)

目前船用舵机主要有拨叉式、转叶式和摆缸式。拨叉式是我国技术最成熟的一种舵机的结构，且每年市场需求量比较大，但在其出厂试验过程中常由于机械或液压原因导致舵机油缸压力、压差超出规定范围，从而未达到出厂要求。已有的研究多集中于对航行中船用舵机的常见故障进行分析[1-2],对舵机的运动特性进行仿真[3]。但尚未见对出厂前舵机实验故障进行系统研究。

1 故障分析

在舵机出厂前，要进行空载试验，船级社要求[4]：油缸的背压≤2 MPa，压差≤1.0 MPa。但是在试验过程中，经常出现油缸压力、压差超出上述范围的情况，这就需要重新安装调试，影响了舵机的生产周期。对舵机工作原理及液压回路进行分析，认为导致压力、压差超出范围的原因主要有两大类。

1.1 机械装配原因

拔叉式舵机安装示意图见图1。

1)油缸的安装。如果1号和2号油缸底面安装不平(两缸均为缸体前端向上翘起时)，当1号泵组工作时，1号柱塞移动偏慢，1和2号油缸压差较大(超过1 MPa)，2号柱塞正常。2号泵组工作时，1号柱塞不动(1和2号油缸内有压力)，2号柱塞移动速度偏快。

图1 安装示意

通过消除油缸安装时与试验台的间隙，保证油缸整体水平，来减小1号柱塞的阻力。油缸安装前首先要保证油缸内孔和中心高等关键尺寸符合要求，安装时通过调整基准点之间的距离(安装对角线)是否相等来确定，对角线最大差值允许±1 mm[5]。现场可用专用工装量具来测量对角线尺寸，调整达到要求之后安装连接座。校验正确性可以通过直接测量油缸底座与平台之间的间隙，比较间隙值是否相等来确定。

2)淬火钢板与滚轮之间装配。当舵柄淬火钢板与滚轮之间的间隙不符合滚轮装配要求时会出现滚轮上下窜动的现象。淬火钢板与滚轮装配的相关尺寸见图2，装配要求为：①|a-b|≤0.05 mm或|c-d|≤0.05 mm；②l-k的最大值根据D1的大小要求在0.21～0.31 mm之间。

1.2 液压系统原因

1)主泵工作是否正常。如图3所示，主泵为斜轴式变量柱塞泵，操舵时操纵台发出舵角指令，通过控制箱和泵控装置(力矩马达和差动变压器)，使油泵柱塞倾斜从而使主泵排油。如果泵的零位调整不良会出现油泵的零位偏移，使舵运行不稳定，系统压力也不稳定。需要将泵零位进行重新调整。操舵泵组时，由于泵组流量过大会出现直接控制的两油缸压差偏大(1.2 MPa左右)，间接控制的两油缸压差正常的现象。通过调节辅泵组，减小主泵的偏心量，使流量减小，压差正常。同时，舵机的转舵速度仍能满足船级社规范许用要求65°28’。

图2 舵柄淬火钢板与滚轮之间的装配关系

图3 拨叉式舵机的控制原理

2)柱塞运行是否平稳。柱塞运行不平稳，会出现爬行甚至停滞现象。导致柱塞运行不平稳的因素为①液压回路可能含有空气，需要将空气排出，将舵机压力侧(柱塞伸出端)油缸上的排气阀打开，不停地反复操舵，柱塞运动平稳表示排气完成；②舵柄和柱塞之间可能有障碍物，需要将障碍物去除；③V型密封圈安装可能过紧，紧固量按照舵机型号(柱塞直径)大小调定(见表1)，如果V型密封圈安装过紧，柱塞表面就不会形成一层薄油膜，并使柱塞产生间歇运动，图4所示为舵机安装要领[6]对V型圈安装的要求。

表1 V型密封圈安装时紧固量调定范围

图4 V型圈的安装要求

3)温度是否偏低。因为舵机所用的阀均为滑阀，滑阀均为弓形口阀，所以局部压力损失可以忽略不计。光滑金属圆管的流动雷诺数为

(1)

当Re≤2 320为层流，因此，仅需要计算层流时沿程压力损失就可以得出压力(背压)值[7]：

(2)

式中：λ——层流时沿程阻力系数，λ=64/Re；

L——管路长度；

ρ——液体密度；

v——油液速度；

d——管路直径。

把式(1)代入式(2)得到

(3)

由式(3)可得背压与运动粘度ν成正比。当冬季气温过低时，液压油粘度过低，导致背压较小。因此，为减小温度对压力的影响，让舵机多运行一会再测试，或者将液压油稍微加热后再进行试验。

4)阀板、阀件的通道阻塞。如果液压通道有不通或者半通的问题，就会使舵机在工作时，管路阻力过大，从而液压油流动不通畅，造成油缸空载时压力过大，压差过大，甚至还可能出现被动缸压力大于主动缸压力的问题。

2 预防措施

1)加强零部件的加工质量控制。加强阀板通道加工控制、油缸内孔及中心高的加工控制、柱塞外圆尺寸加工等关键尺寸和镀铬等工序的控制。

2)加强整机装配的质量控制。整机装配质量控制包括整机装配安装基准对角线控制、油泵与泵控装置(力矩马达和差动变压器)的安装控制、油缸与柱塞及V型密封圈的安装控制等。

3)舵机正式运行前，一定要将液压系统的空气排出。将舵机压力侧(柱塞伸出端)油缸上的排气阀打开，不停地反复操舵，柱塞运动平稳后表示排气完成。

4)减小环境温度对油液粘度的影响。在冬季低温情况下(约10℃以下)起动油泵，应特别注意用小的偏心量和舵角进行操舵，待温度升高后，再开始正常操舵。环境温度过低时，还可以采用人为加热的方式。

[1] 谢世平,范晓飚.电动液压舵机的常见故障分析[J].交通科技,2007,8(1):44-45.

[2] 洗伟伦,余天明.舵机的故障及维护保养[J].机电设备,2007(4):48-50.

[3] 刘晓晨.川崎FE21-400电动液压舵机仿真[J].中国水运,2008(1):55-56.

[4] 武汉船用机械有限责任公司.舵机使用说明[R].武汉:武汉船用机械有限责任公司,1991.

[5] DNV船级社.Fitting of hydraulic cylinders to foundation for ram type steering gears [S].DNV,2007.

[6] 武汉船用机械有限责任公司,电动液压舵机船内安装及调整要领[R].武汉:武汉船用机械有限责任公,2011.

[7] 姜继海,宋锦春,高常识.液压与气压传动[M].北京：高等教育出版社,2002.