马晓乾

（1．上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444；2．上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

可调螺距螺旋桨（简称调距桨，CPP）作为船舶主动力推进装置，是集机械、液压以及电控为一体的复合系统。在主机转向和转速一定的情况下，调距桨可较方便地通过改变桨叶螺距角度实现主机负荷的增大和减小，从而改善船舶在不同航行工况下的推进效率和操纵性能，实现船、机、桨的良好配合[1]。

1 故障现象

调距桨装置根据监控系统发出的螺距指令来控制液压系统的比例阀（或备用电磁阀），使液压机组产生的高压油通过配油器进入轴内油管和桨毂油缸的正车腔或倒车腔；活塞在液压油的作用下向前或向后移动，从而带动曲柄-滑块机构运行，使桨叶绕其转轴转动，实现桨叶螺距的变化。

在一次航行试验过程中，主机运行工况稳定，螺距表指示显示为93%，螺距表指针开始发生约±3%的振荡，此刻负责机舱的工作人员应立即要求主机脱排并停车，以免发生严重事故。由此，本文分析了可能引起该故障的3大原因及初步排查方法。

2 机械原因

为查找机械系统故障引起的螺距抖动，按表1对可能的机械故障点进行了排查。

对以上各故障点进行仔细排查后，未发现问题，说明桨毂组件到配油器之间的机械部分并无故障[2]。

表1 机械故障点及排查方法

3 液压原因

根据表2内容进行故障排查。

由于此套液压系统较为稳定，经过上述方法排查后发现液压系统功能正常，由此可见，液压系统也无故障。为了验证液压系统无故障，也可通过左右桨液压机组对应阀件互换的方式确认阀件是否发生故障[3]。

表2 液压故障点及排查方法

4 电控原因

经过对机械系统与液压系统的故障排查，发现2大系统均能正常使用且稳定可靠，故将重点关注电控系统的检查。对于电控系统的检查分为2部分，即实际螺距有振荡现象和实际螺距无振荡现象。如表3所示。

表3 电控故障点及排查方法

首先判断实际螺距有无振荡可从2点进行判断。

1）机械指针有无晃动，倘若机械指针有晃动，则螺距表必然也会有抖动，证明实际螺距有振荡；反之，倘若机械指针未晃动，而螺距表有强烈抖动，则证明是表3所述的后3种情况之一。

2）观察船用轴功率仪在故障发生时，有无剧烈轴功率突变。当航行工况没有改变时，主机转速恒定；如若实际螺距发生抖动，则可能引起轴功率有较大上下浮动。由此可知，实际螺距发生了抖动。

在确定实际螺距发生抖动的情况下，当检查反馈电位计时，电位计两端的输入电压为10 V。使用控制箱上的本地控制按钮进行正倒车操作，将螺距调至93%时，可发现实际螺距与理论螺距存在差异，反复试验3次～4次，均得出以上现象。此时测量反馈电位计中间抽头与两端点间电压有0.1 V～0.2 V的上下浮动量，由此判断应为反馈电位计故障。为了验证确实是电位计故障，将万用表连接在电位计中间抽头与任意端点上进行测量，且继续使用机旁控制箱本控操作正倒车，发现螺距在93%±5%时，电压有突变现象，即不像正常电位计电压变化那般顺滑。由此，确认螺距抖动是由电位计故障引起的。

电位计是安装在配油器旁螺距发讯器中的部件，是一种可调电子元件，由1个电阻体和1个转动或滑动系统组成。当在电阻体的2个固定触电之间外加1个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置。因此，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压，如图1所示。

本文使用的反馈电位计为电阻式精密电位计（如图2所示）。

图1 电气示意图（轴端俯视）

该电位计的特点是体积小，性价比高，使用寿命长（拥有100×106次运动寿命），线性优异（达±0.2%），分辨率高（优于0.01°），最高允许转速达10 000 r/min，且能无限制连续旋转。该电位计适合应用于测量、控制和仪器化的仪表。

图2 P-2500电位计（单位：mm）

在得出电位计故障的结论后，需使用调距桨装置常用的闭环控制系统，如图3所示。

图3 闭环控制系统

电位计是将机械位移转换成电信号的重要元件。在调距桨运行过程中，发出螺距指令后，PLC将通过液压系统控制双油管活塞前后运动，进而将其转换成桨毂桨叶的旋转运动。在精确控制桨叶旋转角度时，配油器上的螺距发讯器便起到了决定性的作用，因此电位计故障对调距桨装置的使用以及整个船舶都会产生极大的负面影响。

找出螺距抖动故障的原因后，更换备用电位计，本控操作测量电位计输出的电压平滑，螺距指示也再无抖动现象发生。后续又安排了一次航行试验，验证了螺距在动态航行过程中不会发生抖动，由此可见，故障消除。

电位计、螺距发讯板等都是电控系统中闭环控制中较为重要的元器件，当其发生故障或损坏时，调距桨装置将会无法再使用遥控操作。故在重要零部件投入使用前，应进行可靠性试验以验证其稳定性。安装部位振动、噪音大以及空气中水汽油对电控系统部件的损害等都应考虑在内。

5 结论

本文在故障排查过程中，基于有限的条件，从机械、液压及电控等方面分别进行讨论，梳理了可能发生的故障部位，并制定了行之有效的验证方法，最终确定螺距抖动是由电位计故障导致的。

船用调距桨装置的应用在国内已相当成熟，其设计过程也是殊途同归的。故本文对螺距抖动的排查方法也适用于其他类似船用调距桨装置，为今后排查螺距抖动提供思路。