今天再写一篇关于船舶操舵装置方面的文章，为社会再做一点点小小的服务。
前几天见到“轮机课堂”微信公众号发表的一篇由陈明亮、朱钰及陈波合写的《某船舵机事故分析与处理》文章（可点击查阅），经过网上查询，该文章好像首次是发表在《航海科技》杂志上的。从该文章可见其附有一份舵机液压系统原理图（图1）及一张“力矩电机的齿轮齿条传动机构”照片（图2），为便于大家理解该文章对事故的分析，我来解释一下该系统的设计情况，供大家参考。
该文章提及：这条17万吨级散货船在某次停靠澳大利亚某港时发生舵机失控故障，好在船长紧急处置避免了由“单一故障”造成的船舶航行重大事故的发生。该船舵机为YOOWON-MITSUBISHI的DFM-25型电液泵控型舵机，采用泵控闭式回路和双拨叉式转舵机构（参见图1），主油泵为电动伺服控制的轴向柱塞变量泵，力矩电机通过齿轮齿条机构（参见图2）将转舵指令转换成主泵伺服变量机构的运动从而实现转舵。
1、液压系统简介
该舵机液压系统应该是目前典型的泵控闭式循环系统，除该文章所述的舵机厂家（包括三菱重工）外，好像日本川崎及德国HATLAPA等也都是采用类似设计的，整个操舵装置由2套液压动力装置外加一套双拨叉式转舵机构组成（当然目前图纸没有显示包括储备油箱），主动力系统为双向变量柱塞泵，控制系统为电控+辅助液压控制系统（辅泵），两台泵由一台电动机驱动，该系统主要用于400kNm以上规格的液压舵机使用（但不包括SOLAS公约对10000总吨及以上油船、化学品船及液化气体船舶的使用）。
2、液压系统工作原理
启动某一液压舵机泵组，此时主油泵因为配流盘置于0位，故主泵无流量输出（即便偶尔有一些泄漏液压油，也能够通过液控主油路控制阀（9）给予旁通），同时辅助控制系统的辅泵也启动，由于辅泵流量的增加通过辅泵出口的精滤油器后的节流孔作用产生的压差从而控制旁通阀（5）由油路旁通变为油路截止，起到不带载启动电动机的需要；控制油路分3路：一路为主泵伺服变量机构（4）提供动力，第二路为液控主油路控制阀（9）提供动力，第三路通过控制油溢流阀（7）及两只单向阀为主动力系统补油，补油压力的大小由补油溢流阀（6）控制，回油通过主油泵（2）的外壳回至油箱，从而帮助冷却主泵；另外，给卸载电磁阀（8）通电，将该阀的左位机能通过压缩弹簧移到右边，控制油使液控主油路控制阀（9）保持在图示位置，如没有操舵指令，则系统达到平衡，只有辅助控制油路有一些能量损失；此时转舵机构液压缸由于有液控主油路控制阀（9）的锁定，从而起到“锁舵”（稳舵）作用，如遇特殊情况（如搁浅等）造成转舵机构液压缸某一腔超压，则可以通过安全阀（10或11）排放从而达到保护液压缸及保护舵杆系统的目的。
当需要操舵时，从驾驶台发出的操舵指令应该分两路：一路让卸载电磁阀（8）失电，其工作在图示右位机能，控制油通过该阀进入液控主油路控制阀（9）的下腔，使该阀工作变成下位的机能，让主油泵（2）的吸/排油口与转舵油缸连通，从而可以随时转舵；另一路操舵指令发给伺服电机用于控制主泵伺服变量机构（4），这里其实是由于种种原因简化了原理图，其中手动三位四通（O型中位机能）换向阀应该是带手动就地（应急）操作功能的由伺服电机控制的三位四通换向阀，该换向阀输出液压油分别连接控制主油泵（2）的配流盘角度的控制液压缸，从而改变主油泵（2）液压动力油的输出方向，用于驱动转舵机构实现转舵的目的，控制液压缸的回油与补油溢流阀（6）的回油合并从主油泵（2）壳体返回油箱。
当操舵控制系统出现严重故障需要在舵机舱就地应急操舵时，对该系统来说需要先将卸载电磁阀（8）断电，再手动操纵主泵伺服变量机构（4）。
文章图1 舵机液压系统原理
图中：1-电动机；2-主油泵；3-辅泵；4-主泵伺服变量机构；5-旁通阀；6-补油溢流阀；7-控制油溢流阀；8-卸载电磁阀；9-液控主油路控制阀；10及11-安全阀（防浪阀）；12-旁通阀；13-隔离阀
文章图2 力矩电机齿轮齿条传动机构
3、其它相关细节解释
1）转舵机构
该产品的转舵机构采用的是双拨叉式转舵机构，理论上对舵柄处的舵杆没有附加弯矩，而如果采用单拨叉式转舵机构，则对于舵柄处的舵杆就有附加弯矩了，在计算舵杆尺寸时（例如CCS《钢质海船入级规范》2023版第2篇第3.1.4条）就需要考虑这个因素。
2）隔离阀设置
该系统只配置了两只隔离阀（13），这是由于该产品的转舵机构采用了双拨叉式转舵机构的原因，当出现单项故障时可以通过关闭这两只隔离阀（13）并打开对应故障系统的旁通阀（12）就能隔离掉出故障的那组拨叉式转舵机构及其对应的管系及动力装置（此时转舵机构输出扭矩减半，转舵速度增加一倍），也能满足SOLAS公约及国际船级社协会（IACS）统一要求UR-M42（Rev.6）第3.3条（For all vessels with non-duplicated actuators, isolating valves are to be fitted at the connection of pipes to the actuator, and are to be directly fitted on the actuator.）要求隔离阀直接安装在转舵机构上的要求，而如果采用单拨叉式转舵机构，隔离阀就得直接安装在转舵机构本体上了，否则无法隔离管系单一故障。
3）锁舵（稳舵）能力
该系统设计因为采用的是当不操舵时卸载电磁阀（8）得电使液控主油路控制阀（9）恢复初始状态，转舵机构液压缸的进出口与主油泵隔离，从而起到锁舵（稳舵）作用；也曾经见到一家公司的系统设计省略了卸载电磁阀（8），当电动机启动后液控主油路控制阀（9）由于控制液压油的作用就动作了，使转舵机构液压缸的进出口与主油泵导通，经过实测其稳舵性能指标无法满足我国CB*3129-82《液压舵机通用技术条件》标准第1.10a条要求跑舵速度的不超过0.5°/min的要求（当然还存在其它安全问题），但是国际上无论SOLAS公约还是IACS统一要求（包括各船级社规范）均未见有对稳舵有具体的指标要求，如CCS《钢质海船入级规范》2015版第3篇第13.1.5.9条规定“操舵装置应有保持舵位不动的制动装置。”但2016修改通报将该条要求又改为“操舵装置应有保持舵位稳定的有效措施。”也即对稳舵的要求放宽了。如果舵机稳舵性能不好，在手动NFU模式下需要人为频繁修正舵角，而在自动操舵或随动操舵模式下，操舵换向阀将频繁工作以便修正舵位（相当于有规范要求的“有保持舵位稳定的有效措施”，当然这个“有效”也无量化指标，目前如何执行只能由CCS上海规范研究所给予解释了，通常国内液压舵机由于执行CB*3129标准，故仍然会执行跑舵速度不超过0.5°/min的要求（对转叶式舵机，跑舵速度不超过4°/min），但国外舵机产品是否也执行该指标未见明确，CCS现行《液压舵机》（D-01(201510)产品检验指南第10.4（6）条稳舵试验的技术要求也还是要求跑舵速度不超过0.5°/min的要求，但对转叶式舵机的跑舵速度提高至不超过1°/min，原因是经过40多年的科技水平及制造水平的提高，现在正常情况下均可以达到1°/min的要求），从舵角指示器上也可见指针在指令舵角附近将频繁振荡/摆动，对操舵换向阀、舵角反馈信号装置、继电器等部件的使用寿命将造成很大影响，增加操舵装置发生故障的概率，故船东/船员应该注意这点变化，备足相关易损部件。（当然，目前绝大多数产品的系统设计及液压缸内部密封设计是能够保证CB*3129标准及CCS《液压舵机》产品检验指南对稳舵的技术要求的。）
4）闭式循环主系统
该液压系统的主动力系统部分采用的是闭式循环系统，故：（1）主系统油温与控制系统（包括循环油箱）的油温并不一致，需要在使用时注意，因为油温监测往往是针对油箱液压油的；（2）由于主动力系统管系不便于设置液压油过滤器，导致内部机械磨削/杂质会留存在液压缸中，易损伤铜套、密封件及泵/阀内精密部件等，故应增加对系统内液压油进行检查及过滤（例如定期打开液压缸底部排污口（如设有）进行污油排放更新），此外在更换系统液压油时需要包括主系统封闭部分的液压油。
5）辅助控制系统压力监测
由于该系统采用外部辅助控制液压系统进行操舵控制，故对控制压力应该进行监控，虽然SOLAS公约II-1章第29.8.4只针对控制系统的电源故障提出检测报警要求，CCS《钢质海船入级规范》2023版第3篇对报警和监测要求表13.1.9.1序号4也有对“操舵装置控制系统电源故障”进行监测报警的要求，但IMO的MSC.1/Circ.1398-2011对SOLAS的统一解释（UNIFIED INTERPRETATION OF SOLAS REGULATION II-1/29）第2.2条及3.7条都特别强调了操舵装置控制系统还应包括液压控制装置/部件部分，并在第4.1.1.1条要求对“power supply failure”进行监测，故对辅助控制液压系统的控制压力进行监控是非常有必要的，以保证满足如CCS《钢质海船入级规范》2023版第7篇第2.1.2.3条要求的“自动化系统的液压和气动设备，应能在动力源压力变化额定值的±20%时正常工作，在设计压力值的1.5倍时不损坏。”
6）补油压力设定
该液压系统使用辅助控制液压系统提供的液压油通过2只单向阀对主系统进行补油，补油压力的高低由补油溢流阀（6）整定，由于补油压力等效于系统背压（例如SOLAS公约第II-1章第29.2.2条要求“对于承受内部液压的管系和其他操舵装置的部件，确定其尺寸计算所用的设计压力应至少为本条3.2所指运行状况下可能出现的最大工作压力的1.25倍，同时应考虑在该系统低压一侧可能存在的压力。”），故其整定压力值直接影响转舵机构扭矩输出大小及补油效率等，通常在保证性能的前提下尽可能在系统设计时选择设定的补油压力低一点，但实际检验试验验证及使用时应注意检查该压力整定值是否满足图纸设计要求。
7）控制系统隔离问题
文章附有图2“力矩电机齿轮齿条传动机构”，我过去没有关注并见过这个盒子内部情况，从照片中可见右边有2只伺服马达，猜测应该是将两套主泵伺服变量机构（4）的伺服控制部分都整合在这个盒子里了，如果是这样就比较麻烦了，目前照片的这种情况理论上好像不能满足SOLAS公约对控制系统的隔离要求，例如IMO的MSC.1/Circ.1398-2011第2.1条（Two independent steering gear control systems should be provided and should be so arranged that a mechanical or electrical failure in one of them will not render the other one inoperative.）、第3.1条（General：Wires, terminals and the components for duplicated steering gear control systems installed in units, control boxes, switchboards or bridge consoles should be separated as far as practicable. Where physical separation is not practicable, separation may be achieved by means of a fire retardant plate.）及第3.7.1条（……should be duplicated and separated）等要求，而照片中左边很多控制及监测电线都绑扎在一起了，这种布置应该是无法满足SOLAS公约对故障隔离的要求的（当然如果每台主油泵边都各自配有一只这个盒子就应该没问题），应该需要做到系统中任一机械及电气零部件发生单一故障（如失火等）不能使两套系统同时失效。希望相关缔约国主管机关及授权的船级社在FSC检查及产品检验时能够确认一下。
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作者： 李宁 （2024-02-26于南京）
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