“育鲲”轮减摇鳍装置收/放鳍电气故障实例

2022-08-06汪旭明许长青张均东

中国水运 2022年7期

汪旭明，许长青，张均东

（1.大连海事大学船舶电气工程学院，辽宁大连 116026，2.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026）

“育鲲”轮是我国自主设计的第一艘专用远洋教学实习船，是航海技术、轮机工程、船舶电子电气工程专业及陆上部分专业进行海上实习的平台，同时也执行出国访问等重要任务。船上配置了大量的教学实习和科研设备，采用了Brown Brothers Aquarius 50 系列折叶式减摇鳍，以满足船舶对安全性、适航性、舒适性的较高要求。本文介绍了“育鲲”轮减摇鳍装置电气液压控制的工作原理，基于减摇鳍装置放鳍和收鳍故障实例对其控制系统进行排查，确定电气故障并处理使其恢复正常运行。

1 减摇鳍工作原理

如图1，减摇鳍液压系统由液压动力单元和内接管构成。液压系统提供的液压动力与控制信号交互作用，用油缸来操作鳍的上升或下降以及收鳍和放鳍。主泵/电动机组由液压油泵26、电动机24 和卸载阀32 构成。卸载阀32 得电时闭合，泵的流量全部用于鳍的操作功能。卸载阀32 断电时打开，主双联泵的高流量单元在低压状态下直接回到油箱，低流量单元输出用于收鳍/放鳍操作。除了鳍上升和下降的稳定操作外，在启动、收鳍/放鳍及所有其他操作中，高流量单元都在卸载，使得电动机可以在最小负载状态下启动，收鳍/放鳍操作和鳍对中操作可以慢速进行。

图1 “育鲲”轮减摇鳍装置液压系统图

1.1 放鳍和收鳍工作原理

在放鳍（收鳍）操作中，电磁阀1 右侧放鳍（左侧收鳍）线圈得电，使得液压油通过平衡阀箱36 中的平衡阀36.1（36.2）的通道进入收鳍和放鳍油缸左侧（右侧）的环形区域，把活塞杆向右推回原位（外伸）。同时，液压油被送到对面的平衡阀36.2（36.1），目的是打开平衡阀36.2（36.1），油缸右侧（左侧）的液压油在油缸活塞作用下流回油箱。放鳍（收鳍）动作完成后，线圈断电。

1.2 鳍的上升和下降工作原理

鳍的上升和下降通过电液比例阀17 实现，比例阀由比例螺线管操纵，为流向鳍上升或下降油缸的液压油提供流量和方向控制。在鳍片的上升过程中，比较放大器输出鳍角差电流信号给比例阀17，比例阀右边的螺线管得电，线轴向左移动，移动距离与电流信号强度成正比，液压油经过比例阀供到上升和下降油缸的左端，鳍上升，上升的角度与电流信号强度成正比。在鳍的下降过程中，比例阀17 左边的螺线管得电，线轴向右移动，鳍下降。比例阀出口的两个液压油管路之间设有手动旁通阀13 和溢流阀组2，过载时溢流阀组2 使得高压可以从压力管路释放到回油管路。

当负载感应隔离阀11 得电时，负载感应启动。用来使鳍上升或下降油缸里的活塞某一侧较高的压力，通过背对背单向阀15 和补偿器箱18 传递到压力补偿器3的顶上，补偿器在整定值下打开增加旁通量，以降低高压活塞那一侧的压力。

1.3 减摇鳍应急操作

应急泵/电动机组由齿轮泵27 和电动机25 组成，把低量压力油通过单向阀8 送入分配阀箱16，在紧急情况下，收鳍/放鳍电磁阀1 和比例阀17 可以手动操作分别控制收鳍/放鳍和鳍上升或下降。此外，左右舷液压动力单元各有一个紧急停机按钮开关，用于紧急停止减摇鳍电机或靠港时锁定减摇鳍禁止启动。

2 故障现象与排查分析

2.1 故障现象

某航次由大连港至连云港航行期间，减摇鳍为驾驶台遥控，放鳍操作过程中，驾驶台和本地控制单元的触摸屏上右舷减摇鳍Extended 指示灯亮（放鳍到位），并且进入了船舶稳定的程序，鳍角正在正常摆动；此时左舷减摇鳍Extending 指示灯却一直闪烁（表明左鳍正在伸出未到位），并持续此状态。操作左右减摇鳍收鳍后再重新放鳍，故障依旧。此外，左舷减摇鳍收鳍操作过程中系统出现报警“Port fin failed to lock in time”，并且驾驶台和本地控制单元的触摸屏操作面板上的左舷减摇鳍HOUSED 指示灯不亮（收鳍未到位），经机旁检查此时左舷减摇鳍已经收回。

2.2 故障排查分析与处理

减摇鳍系统报警信息中文意思为“鳍片未能及时锁定”，表明收鳍操作叶片进入锁定位置的耗时超过了允许的时间。经过分析系统的控制原理，可以得出可能的原因有：

（1）收鳍/放鳍液压系统阻塞；

（2）收鳍/放鳍液压系统泄漏；

（3）收鳍/放鳍液压系统中有空气；

（4）主泵故障；

（5）PLC 数字量输出故障，收鳍电磁线圈故障；

（6）PLC 模拟量输入故障，收鳍/放鳍位置反馈传感器故障。

由于操作减摇鳍实际已经收鳍完成，说明液压系统工作正常，初步排除主泵故障和液压系统阻塞、泄漏或进气等故障。

船舶抛锚后，将减摇鳍转为本地离线控制，这样可以在减摇鳍间的本地控制单元进行收鳍和放鳍的操作。本地控制单元的控制器为西门子PLC，由中央处理器CPU315-2 DP、数字量输入/输出模块DI/DO、模拟量输入输出模块AI/AO 组成。通过触摸屏进行人机交互，提供手动收鳍/放鳍功能，以及提供鳍片角度、鳍片位置（收鳍、正在收鳍、放鳍、正在放鳍）的状态信息和视听警报。操作点击“EXT.AND CENTRE”进行放鳍操作，放鳍完成后点击“HOUSED”进行收鳍操作，在本地控制单元的硬件信息页比对左鳍和右鳍在收放鳍过程中对应PLC 的输入和输出，并观察和测量收鳍/放鳍电磁阀1、负荷感应隔离电磁阀11、泵卸载电磁阀32的动作情况。

收鳍操作时，左右舷减摇鳍对应电磁阀动作时序相同，排除左舷PLC 数字输出故障和收放鳍电磁阀故障。进一步排查PLC 模拟量输入和收鳍/放鳍位置反馈传感器。

放鳍操作时，左舷减摇鳍动作时序有误：检查左鳍触摸屏的硬件信息页的PLC 数字量输出DO 的相应状态为OFF，电磁阀负荷感应隔离电磁阀11、泵卸载电磁阀32 的线圈未得电。默认PLC 程序执行正常且无硬件故障，则判断PLC 输入条件不满足，即收/放鳍位置反馈传感器送给PLC 模拟量输入模块4-20 mA 的电流信号有误，放鳍操作中左鳍Extending 指示灯持续闪烁，无法进入稳定程序进行鳍上升和下降操作。

检查收/放鳍位置反馈传感器，在触摸屏硬件信息页观察比对左右舷减摇鳍收鳍/放鳍操作过程中对应输出的电流信号，记录数据如下：左舷放鳍到位时的位置反馈传感器电流信号为4.41mA，收鳍到位时的位置反馈传感器电流信号为19.05mA；右舷放鳍到位时的位置反馈传感器电流信号为4.30mA，收鳍到位时的位置反馈传感器电流信号为18.91mA。可以看出左舷减摇鳍位置反馈传感器的输出电流信号偏大0.12mA 左右，可能是导致本次故障的原因。

检查左舷减摇鳍收/放鳍位置反馈传感器的信号线1 和2 接入本地控制单元的接线排TB1 的29、30 端子处，将信号线1、2 在控制箱的接线端子处拆下，通过信号发生器在29、30 端子处通过恒流源装置接入18.91mA的电流信号，此时左舷HOUSED 指示灯亮。即确认了故障：因位置反馈传感器的信号偏差，放鳍操作时鳍片伸出已到位但是反馈电流偏大，导致控制系统识别放鳍未到位，PLC 无相应数字输出，负荷感应旁通阀电磁阀11、泵卸载电磁阀32 不得电，系统仍指示“Extending”，无法进入船舶稳定、鳍角摆动的程序；收鳍操作时，鳍片收回已到位但是反馈电流偏大，控制系统识别收鳍未到位，收鳍时间过长导致系统发出“Port fin failed to lock in time”报警，且HOUSED 指示灯不亮。

如图2所示，在左舷收鳍/放鳍位置反馈传感器的信号输出端1 和2，通过串并联的两个电阻（R1 为1.1 Ω，R2 为2.8 kΩ），使传感器输出信号分流后送至接线端子29、30 接入PLC 模拟量输入模块。如图3所示，此时电流减小至18.917mA，左舷鳍片收回状态HOUSED指示灯点亮。通电运行，收/放鳍操作试验其功能，系统恢复正常运行。