“育鲲”轮调距桨液压系统原理及管理

1、内容摘要摘要：本文首先介绍“育鲲”轮所用的可调距螺旋桨（CPP）组成和特点，进而介绍液压系统的结构原理图，对系统的各个机构和各部件的内部相互联系进行了说明。然后介绍液压伺服原理，包括每个部件在系统中所起的作用。然后根据自己所学以及与船上轮机员交流，总结出了可调距桨故障诊断的一般流程并结合说明书，提出了一些常见故障及其相应的处理措施。然后对如何选择液压油和液压油污染的危害做了分析，最后结合说明书，提出了可调距桨系统的维护保养计划。关键词：可调距螺旋桨（CPP） 液压系统 故障诊断 液压油 维护管理 ABSTRACT: Firstly，the passage simply talked about

2、 the composition and characteristic of the controllable pitch propeller（or CPP） which used in “yukun”ship，then the hydraulic system configuration is illustrated , which includes every unit and components as well as inter-connection of all components . Secondly, the hydraulic servo system is illustra

3、ted by tracing the servo oil in the system; the function of all components in the system is also involved. The general procedure of CPPs trouble shouting, which is applied to complex failure, is obtained by the knowledge I have learned and the communication with engineers. And combined with propelle

4、r instruction manual, some common failures and their cause are also involved.Then, how to choose the hydraulic oil and the detriments of contaminated hydraulic oil is analyzed .In the end, the maintenance plan of CPP is given combined with the instruction manual. KEYWORD：controllable pitch propeller

5、（or CPP） hydraulic system hydraulic oil maintain and manage目 录 HYPERLINK l _Toc263447941 前言51. 可调距螺旋桨的组成 HYPERLINK l _Toc263447941 5 HYPERLINK l _Toc263447941 5 HYPERLINK l _Toc263447941 6 HYPERLINK l _Toc263447941 6 HYPERLINK l _Toc263447941 6 HYPERLINK l _Toc263447941 7 HYPERLINK l _Toc263447940 2

6、. 可调距桨液压系统的组成与工作原理7 HYPERLINK l _Toc263447941 2.1 可调距桨液压控制单元7 HYPERLINK l _Toc263447942 2.2 可调距桨配油与反馈单元8 HYPERLINK l _Toc263447943 2.2.1 配油单元8 HYPERLINK l _Toc263447944 2.2.2 反馈单元9 HYPERLINK l _Toc263447945 2.3 可调距桨液压执行单元9 HYPERLINK l _Toc263447946 2.4 转叶机构10 HYPERLINK l _Toc263447947 3. 可调距桨液压伺服系统工

7、作原理10 HYPERLINK l _Toc263447948 3.1 调距工况10 HYPERLINK l _Toc263447949 3.2 稳距工况 PAGEREF _Toc263447949 h 11 HYPERLINK l _Toc263447954 4. 故障诊断及常见故障的处理办法12 HYPERLINK l _Toc263447955 4.1 故障诊断12 HYPERLINK l _Toc263447956 4.2 可调距桨系统常见故障及其处理13 HYPERLINK l _Toc263447954 5. 可调螺距螺旋桨液压系统油的要求及液压油污染的危害14 HYPERLINK

8、 l _Toc263447955 5.1 对液压油的要求14 HYPERLINK l _Toc263447955 液压油质量恶化的危害14 HYPERLINK l _Toc263447955 14 HYPERLINK l _Toc263447955 146. 可调螺距螺旋桨液压系统的维护管理15 HYPERLINK l _Toc263447960 6.1 震动与噪声15 HYPERLINK l _Toc263447958 6.2设备的润滑与泄露15 HYPERLINK l _Toc263447959 6.3 油液的清洁与过滤15 HYPERLINK l _Toc263447960 6.4油箱的

9、油位、设备和液压油工作温度以及工作油压16 HYPERLINK l _Toc263447960 7. 结论16 HYPERLINK l _Toc263447961 参考文献16“育鲲”轮可调距桨液压系统原理与管理前言 大连海事大学教学实习船“育鲲”轮的主机型号为MAN B &W 6S35MC,配备可调螺距螺旋桨。调距桨分为机械式和液压式，“育鲲”轮所用的调距桨采用的是液压式。调距桨伺服单元用于提供高压（具有一定压力的液压油）以驱动调距机构工作，可分别在伺服单元、集控室和驾驶台对调距桨的螺距进行调节和控制。 与一般的定距桨相比，调距桨具有十分显著地特点，它的主要优点如下：对船舶航行条件适应性强；

10、动力装置的经济性好；提高了船舶的机动性；有利于主机驱动辅助负荷；延长了发动机寿命；便于实现遥控。同时，它的主要缺点也包括以下几个方面：调距桨和轴系的结构复杂；桨毂中的转叶机构零件较多，可靠性不如定距桨；在相同的设计工况下，调距桨的比定距桨低；桨叶根部易产生空泡。1. 可调螺距螺旋桨系统的组成“育鲲”轮所用的可调螺距螺旋桨主要是由调距桨部分、传动轴部分、调距机构、伺服液压系统、操纵机构五大部分组成。图1-1可调螺距螺旋桨的组成1.1. 调距桨部分调距桨部分主要包括桨叶桨毂和桨毂内部装设的转动桨叶的转叶机构等（如图1-1所示）。桨叶可以在一定的角度内旋转，因此，当螺旋桨的调距机构动作时就可以带动桨

11、叶旋转，从而改变螺旋桨的螺距。桨毂是调距桨的主体部分，在它的外部安装桨叶的旋转机构，内部固定调距桨的变距机构。1.2. 传动轴部分“育鲲”轮调距桨的传动轴由螺旋桨轴和配油轴（如图1-1所示）两部分组成，两者用套筒联轴器相连。这种形式的传动轴和定距桨的传动轴不同，它是中空的，中空的传动轴既可将主机输出的动力传递到螺旋桨，又可以在其内部安装输油管，作为进回油的通道。1.3. 调距机构调距机构（如图1-2）包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞，分配压力油给伺服油缸的配油器，桨叶定位和桨叶位置的反馈装置及其附属设备等。它的主要作用是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。调距是短暂的，稳距是长期的。图

12、1-2 调距桨调距机构的组成图调距机构安装在桨毂内部，它是安装在桨毂末端的一个整体部分。它能够将伺服活塞的往复运动转变为转叶机构的回转运动，再由转叶机构带动与其固定在一起的桨叶旋转，从而改变调距桨的螺距。转叶机构实际就是曲柄滑块机构中的曲柄（将曲柄做成圆盘的形状），滑块安装在移动的缸体上，该机构可将十字头的往复运动转变为曲柄的回转运动。图1-3 “育鲲”轮调距桨配油器实物图1.4. 液压系统液压系统主要由液压油泵、油箱与控制阀（如图1-1所示）组成。它的作用是向系统中提供具有一定压力的液压油，使液压执行元件能够有效地工作。“育鲲”轮调距桨装置配有两台型号为E4V032L1 LRJE的液压伺服油

13、泵，排量为42 L/min，液压泵的作用是通过它的工作使系统中的液压油具有一定的动力。油箱中存储整个系统工作时所需的液压油，同时油箱上还装有透气孔、油盘泄放孔、探测孔、系统油注入孔等。控制阀有方向控制阀、压力控制阀等。方向控制阀用于控制系统中液压油的流动方向；压力控制阀用于控制系统中液压油的压力，从而满足工作需要。1.5. 操纵系统操纵系统主要由操纵台、控制手柄和指示仪表组成。它的作用是按预先确定的控制程序同时调节发动机的转速和调距桨的螺距，以获得所要求的工况。“育鲲”轮调距桨装置调节螺距采用三种操纵方式，分别为驾驶台和集控室的正常操作驾驶台的辅助操作和泵站的手动操作。此外，在“育鲲”轮调距桨

14、装置中还设有应急锁紧桨叶装置，利用它可在应急情况下（例如液压系统失灵），把桨叶固定在一定的正螺距值上，使调距桨变为定距桨。2. 可调距桨液压系统的组成与工作原理“育鲲”轮可调距桨的液压系统主要包括液压控制单元、配油与反馈单元、液压执行单元、转叶机构、螺旋桨以及相关管系和润滑密封装置。2.1. 可调距桨液压控制单元如图2-1所示，无论在任何情况下只要主机在运转过程中，必须至少启动一台伺服油泵，而另一台伺服油泵则作为“增压泵”备用。伺服油箱中的液压油经电力驱动的伺服油泵增压之后，经过压力滤器进入液压控制单元的“阀块”（比例阀，伺服油压调节阀，安全阀的组合），在“阀块”中的比例阀是一个三位四通电液控

15、制阀，具体是左位通还是右位通取决于螺距指令值与螺距实际值的大小。除此之外，两个数值的差值还决定了两台伺服油泵同时启动与否：当螺距指令值与螺距实际值的差值大于总螺距范围1520%备用泵就会自动起动，当差值回落到范围之内几分钟之后备用泵又会自动停止。液压动力油经过“阀块”之后就由A管或者B管输送到尾轴弄的配油环上方，具体是哪一个管路通压力油由双止回阀10指示。之后压力油经过配油环进入桨毂的执行机构即液压缸伺服活塞的一侧以驱动伺服活塞运动，进而驱动转叶机构运动，从而实现螺距的变化。与此同时，伺服活塞另一侧的液压油作为回油通过管路依次经过配油环、回油冷却器11、伺服油回油滤器7回到油箱。图2-1 可调

16、距桨液压控制单元1. 伺服油泵（两台） 2.应急动力油管（EP）3. 应急回油油管（ER）4. 安全阀 5. 伺服油压调节阀 6.比例阀7. 伺服油回油滤器 8. 回油阀 9. 控制面板 10. 双止回阀 图2-2 “育鲲”轮调距桨液压控制单元实物图2.2. 可调距桨配油与反馈单元图2-3配油与反馈单元2.2.1 配油单元图2-4 配油环（器）结构图1. 带锁紧螺帽的六角螺栓 2. 密封法兰 3. 密封环 4. 螺帽 5. 止动螺栓 6. 7. 密封环 8.阀活塞 9.单向阀 10. 配油环（器）本体 11. 固定衬套 12. 滑环&O形密封圈 13. 14. 阀壳 15. 止动法兰 16.

17、衬套如图2-4所示，配油环（器）中的阀其实就是一个液控单向阀，两个油孔哪一个是压力油哪一个是回油由“阀块”中比例阀工作在左位还是右位来决定。现在假设由B口进压力油，压力油进入阀体以后一方面会推动阀体右侧的单向阀，使该单向阀打开，另一方面则推动阀活塞向左移动，进而使阀体左侧的单向阀打开，从而使回油通路保持畅通。2.2.2 反馈单元 图2-5 可调距桨反馈单元结构图可调距桨反馈单元一方面通过B41指示实际螺距，另一方面通过B42把实际的螺距信号转变成电压信号反馈至螺距控制单元（ASP12）。其工作原理如下：在反馈杆的带动下，位移变送器跟位移传感器做往复运动，经过B41,B42的作用二者的运动都被转

18、变成了电压信号，从B41输出的电压信号经过螺距转换器PPC21的处理，输出实际的螺距值；从B42输出的电压信号直接进入螺距控制单元ASP12与螺距设定值进行比较，然后输出的控制信号去控制比例调节阀的动作。2.3. 可调距桨液压执行单元如图2-5所示，中空的尾轴内部的配油轴中有两条伺服油路，在图上分别标示为A和B，二者构成了伺服油进油和回油的油路。现假设A为伺服油进油油路，从配油环（器）来的伺服油沿着A 一直到达由配油轴4 的外壁，导板54， 伺服油管法兰14 以及blade flange right82所围成的环形空间。然后伺服油通过伺服油管法兰和blade flange 内部通道到达桨毂液压

19、缸中伺服活塞右侧的空间，从而推动伺服活塞在桨毂液压缸中向左移动。与此同时，桨毂液压缸中伺服活塞左侧的伺服油经过配油轴中心的油路B 流出，流经配油环（器）之后，返回可调距桨控制单元。图2-6 桨毂内部液压缸结构图 1. 带锁紧螺帽的六角螺栓 2. 桨毂液压缸 3. 防腐锌块 4. 伺服活塞 5. 螺旋桨桨毂 6. 六角螺帽 7.滑块 8. 具有尼龙锁的反旋螺栓 9.导板 10. 伺服油管法兰 11. 六角螺帽 12. 带锁紧尼龙螺帽的六角螺栓 13. 保护环 14. 法兰螺栓 15. 暗销16.带锁紧螺帽的六角螺栓 17.旋塞 18. 液压缸盖 19. 衬套 20. 滑环 21. “O”形圈 2

20、2. 导板23. 密封环24. 导板 25. 螺距控制导块 （a） （b） 图2-7曲柄滑块机构和曲柄销槽转叶机构2.4. 转叶机构可调距桨的转叶机构的作用是将伺服活塞的往复运动转变成桨叶根部的回转运动。如图2-7所示，有两种结构形式：图（a）为十字头上开槽，槽中设置滑块；而图（b）则是十字头上带销，曲柄上开槽。它们都具有结构简单紧凑，传递力矩的能力大的优点。本系统所采用的是图（a）的结构形式。3. 可调距桨液压伺服系统工作原理图3-1所示为“育鲲”轮可调距桨液压伺服系统原理图，按其工作状态可分为调距工况和稳距工况。现就这两种工况状态进行分析。3.1. 调距工况 当操纵台发出调距指令时，螺距指

21、令作用在比例微分调节器PD上，然后传给比例调节阀7。使电磁阀左位通电，比例调节阀7工作在左位，此时P口与口、A口与T口分别接通。液压油柜14中的液压油经滤器29由伺服油泵28加压后，经止回阀13和压力滤器20、比例调节阀7的左位PB口后，分两路：一路经双止回阀22的右端P2进入，经A口输出并进入到伺服压力调节阀8的外控油口端Y，伺服油压力调节阀8的入口处与其外控油口Y的压力差在该阀弹簧的设定压力范围内，故伺服油压力调节阀不动作。另一路压力油经管路B、配油环中的液压锁23，再经配油轴34中的油道进入伺服活塞9的左侧。伺服活塞右侧的油在活塞的推压下，经配油轴6中的另一油道、管路A、比例调节阀7的左

22、位AT口，液压冷却器15，滤器12回至液压油柜。伺服活塞在两侧压差的作用下向右移动，同时通过十字头滑块和曲柄机构驱动桨叶回转。伺服活塞移动的同时，还通过活塞杆5和位置变送器3、将桨转叶的动作传给伺服遥控箱2，当达到要求的角度后，调距指令自动取消，电磁阀失电，比例电磁阀7回中位，液压锁23关闭。这一调节过程结束后另一个位置变送器4将活塞杆5的位置传至操纵台的桨叶角指示器，即螺距指示器，以显示螺距的大小。图3-1“育鲲”轮CPP液压伺服系统原理图1. 止回阀 2. 伺服遥控箱 3. 位置传感器 4. 位置变送器 5. 活塞杆 6. 配油轴 7. 比例调节阀 8. 伺服油压调节阀 9. 伺服活塞11

23、. 伺服油缸 12.回油滤器 13. 单向阀 14. 伺服油柜 15. 伺服油冷却器 20. 压力滤器 21. 安全阀 22. 双止回阀 23. 液压锁 24. 配油环（器）泄油管26.液压油动力单元 27. 液压油驳运泵 28. 伺服油泵 29. 伺服油泵吸油滤器 30. 泄油舱3.2. 稳距工况锁闭阀关闭后，伺服活塞两侧的油都被锁闭阀中的止回阀封闭在伺服油缸中，靠油液的不可压缩性将桨叶固定在所要求的位置上。这种稳距方式是静态稳距。伺服油压调节阀8的作用是调节系统的工作油压，当操纵台不进行螺距改变操作时，伺服油压调节阀8将比例调节阀7前的压力控制在2MPa，当进行前进或倒退操作而需要改变螺距

24、时，无论比例调节阀7将工作在左位还是右位，双止回阀22都会有油输出到伺服油压调节阀8的压力控制端，使该阀的设定压力随止回阀22输出端的压力升高而升高，设置该阀的目的是在系统不进行操作时将系统的工作油压控制在一个较低的值上，而在系统进行操作时系统的工作油压将会随着负荷增加而增加，这样做的优点是可以节省能量。4. 故障诊断及常见故障的处理办法可调距螺旋桨由于其设备和装置较多，所以，其故障分析比较复杂，这就要求我们对整个系统非常的熟悉，包括工作原理，结构特点和系统内部各种元件的相互作用。然后才能对故障进行分析并提出相应的处理方法。液压系统故障分析液压系统原理图列出一份可能发生故障的元件清单确定检查的

25、次序和程序确定故障元件维修或是更换故障元件反思整个过程有无疏漏？故障被排除维修记录有无是否初检成功？用专用工具进一步重点检查重新起动是否正常?图4-1 液压系统故障分析4.1. 故障诊断液压系统的故障原因主要有两方面，一方面是液压油的原因，另一方面是系统内部某一元件发生故障。是否是液压油的原因只要取油样进行化验即可，若是内部元件发生故障，则故障诊断的核心任务就是将故障元件找出来。在查找故障元件之前，轮机人员应该先确定一个故障排查方案，具体流程如图4-1。由图4-1可见，可调距桨液压系统故障分析的基础就是对液压系统原理图（图 3-1）的分析，以便配合接下来的工作。轮机人员要熟悉各主要部件，另外还

26、要仔细查阅之前与可调距桨系统有关的修理记录以及维修保养记录。应该列出要重点检查的部件。接下来就是轮机人员来到机舱现场进行初检。轮机人员应充分利用人体感觉器官，采用看听摸闻四种方法相结合的方式，看主要是指观察具体的故障现象，观察液压油是否被污染，油柜液位是否正常，观察液压管系的各接头，法兰结合处，伺服油泵轴端是否有渗漏滴漏现象；听是指倾听系统在工作时伺服油泵的声音是否过大，比例调节阀，油压控制阀的动作声音是否正常；摸是指用手去摸伺服油泵，伺服油柜以及比例调节阀和油压控制阀的外表面，若是在很短的时间内就感到烫手，则应该先把温升过快的原因查找出来，用手摸动力液压油管系的振动情况，若有高频振动应该查明

27、原因；闻是指对取出的液压油油样闻一下，以初步辨别其是否变质。一般情况下，初检就可以查找出故障原因，如果不能的话，则需要专业维修人员借助相关专用工具做进一步的检查。发现故障元件后，要对其进行维修或是更换。最后在重新起动系统之前轮机员应该认真考虑一下整个的过程有无疏漏的地方，还有没有其他部件故障的可能性。在拆检维修后的装配过程中是否有污物进入液压系统，所牵涉到的液压管路和电路的连接是否正确，所有维修人员都同意重新起动的情况下才可以重新起动系统。4.2. 可调距桨系统常见故障及其处理下面将简要介绍几种可调距桨系统的常见故障及其可能的故障原因和相应的处理方法。对于突发性故障可以按上一节故障诊断的方法进

28、行处理。（1）尾轴管油柜溢流：该故障的原因有桨毂伺服系统的高压密封装置磨损或被损坏。常见的处理方法是打开位于尾轴管油柜和泄放舱之间的三位旁通阀，下次进干船坞时，更换桨毂的高压密封装置。（2）配油环（器）处漏油：该故障可能的原因有配油环（器）的白合金轴承被损坏，位于轴和旋转的甩油环之间的“O”形圈被损坏。其处理方法有更换配油环（器），更换“O”形圈。（3）对变距指令反应缓慢或是没有反应：该故障是比较常见的故障之一，导致该故障的主要原因有电气故障，伺服油泵没有运行，阀件里有污物，伺服油温升高，配油环（器）被损坏，伺服油泵故障。其处理方法包括起动伺服油泵，拆解并清洗阀体内部，检查滤器，检查冷却系统，

29、更换配油环，通过手推比例阀设定螺距。（4）螺旋桨的振动/噪声突然增大：该故障的常见原因有由于搁浅或是缠上异物而造成的桨叶损坏。解决方案是在干船坞或是让潜水员检查螺旋桨情况。（5）尾轴管油液被海水污染：该故障主要是由于尾轴管或是桨叶密封被损坏导致的。一般通过更换尾轴管油解决，并检查原因。在液压装置中，液压油不仅用来传递液压能，也能其润滑、散热和防锈作用。其性能对液压装置的工作性能和使用寿命有重要的影响。首先，适宜的黏度和良好的粘温性：粘度时选择应考虑的首要因素，若粘度太高，则各部件的运动阻力和管路流动阻力增大，液压泵排出压力会增高，使装置的机械效率下降；而且使泵的自吸能力降低，启动时会吸空。若粘

30、度太低，则漏泄量增加，装置的容积效率下降，油更容易发热，执行元件的运动速度也会降低；而且粘度过低则油膜承载能力下降，会导致磨损增加。其次，质地纯净，水分和机械杂质含量极微。第三，有良好的润滑性和较高的油膜强度，以减少液压元件的磨损，可加入添加剂增加其性能。第四，安定性好：不易因氧化、受热、水解而变质，因节流而反复受剪切时粘度变化小。第五，防锈性好，不锈蚀金属。第六，抗乳化和抗泡沫性好。混入水分不易乳化，混入空气后泡沫消散快。第七，与橡胶材料相容性好，不会是密封件、软管变形、变质。第八，闪点高，开口闪点至少要高于135，要能满足防火要求；倾点（在试验条件下能流动的最低温度，比凝固点高23）至少要

31、比最低油温低78。5.2. 液压油质量恶化的危害氧化和污染是液压油质量恶化的最主要原因，导致液压油的性能下降，严重影响设备的使用寿命，甚至导致设备损坏。液压油氧化会产生有机酸和污渣沉淀物，使油的粘度增加，润滑性和抗蚀性变差；氧化产物可能造成通道堵塞和阀件卡阻，还会对氧化起催化作用。5.2.2. 液压油污染的危害液压油污染主要包括水污染、固体杂质污染和空气污染。产生的危害：使金属元件锈蚀；使油乳化，润滑能力降低，元件磨损加快；与添加剂作用产生粘性胶质，对滤芯产生粘滞和堵塞滤芯，还会促进油液氧化；低压时会产生“气穴现象”。（2）固体杂质污染的主要危害：使阀件卡紧或孔口淤塞，发生故障；使泵和液压缸、

32、马达运动副和密封件磨损、擦伤，漏泄增加，性能下降；堵塞滤器，使压力损失增加，吸入滤器塞还会发生“气穴现象”；会加快油液氧化。（3）当液压油中溶解的空气过多时产生的危害：游离态气体会在油中形成直径很小的气泡，使工作介质可压缩性增大，执行机构动作迟滞，功率损失增大；在系统低压处压力低于“空气分离压”时，大量气泡逸出会导致汽蚀，并产生噪声和振动，使油压不稳，压力表指针抖动；气体压缩容易发热，会加快油液氧化速度。6. 可调螺距螺旋桨液压系统的维护管理正常的日常维护管理对调距桨液压系统工作可靠性和延长调距桨的使用寿命至关重要，必须依照说明书的要求严格执行，不可因其工作正常而放松对其的维护管理。除了进行定

33、期的维护外，日常管理中要注意以下事项：6.1. 震动与噪声系统工作时，出现异常震动与噪音往往是某些故障的征兆，应及时查明原因予以排除。噪声分为液体噪声和机械噪声，主要由以下原因引起：系统进入空气，或油中析出气体，产生“气穴现象”；泵、电动机的磨损或损坏，漏泄严重也会产生噪声；管路、设备固定不牢等。6.2. 设备的润滑与泄漏油缸活塞的接触部分要进行良好的润滑,以减少伺服油缸和伺服活塞接触部分的磨损。同时，其它具有相对运动的部件间也要进行良好的润滑。针对于“育鲲”轮的调距桨装置，由于长期使用，机械螺距指示器（如图6-1）的滚轮处没有进行良好的润滑致使其在工作过程中产生噪音，经注油润滑后噪音消失。因此，要