减摇鳍装置的工作原理与常见故障分析

减摇鳍装置的工作原理与常见故障分析
作者：王双华
来源：《中国科技博览》2016年第07期
[摘要]本文介绍了减摇鳍装置的工作原理，在此基础上分析了收放式泵控型减摇鳍装置常见故障及解决方法。

[关键词]减摇鳍工作原理故障分析与解决
中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0016-02
1 前言
众所周知，船舶在海上航行时，受到风、流、浪的作用，会产生横摇、纵摇、艏摇和横荡、纵荡、垂荡六个自由度的运动。

其中，尤以横摇最为剧烈，对船舶航行安全和船上工作人员及设备影响最大。

减摇鳍装置就是以减小船舶在波浪海面上航行时的横摇角为目的而装备的一种特种设备，用以提高船舶的适航性，防止船上设备因剧烈摇摆而损坏，改善船员的工作、生活条件，特别为直升机在风浪中从船上起降创造了条件，是减摇效果最好的主动式减摇装置。

减摇鳍按执行机构分为非收放式和收放式两种形式，按控制原理分为阀控型系统和泵控型系统。

目前装船的减摇鳍中，非收放式减摇鳍以阀控为主，收放式减摇鳍以泵控为主，本文重点介绍收放式泵控型减摇鳍装置。

2 减摇鳍装置的工作原理
减摇鳍装置就是在一定航速下，控制两舷鳍的转角产生升力从而产生减摇力矩的装置。

如图1所示，减摇鳍装置中的鳍类似于鱼的侧鳍，成对地安装在船的“腹部”两侧，船舶在风浪中航行时，减摇鳍装置中横摇角信号传感器（本装置为角速度陀螺）检测出船舶横摇角速度电信号，经过一系列处理、放大、电液转换，驱动鳍转动一个相应的角度α，在水中运动的鳍和飞机机翼一样，在水流的作用下产生“升力”Py，两个鳍的转角大小基本相等、方向相反，形成一个与波浪力矩方向相反的稳定力矩Mst，从而减小船舶的横摇角。

根据分析研究，稳定力矩Mst=CyρSV2R，式中Cy为升力系数（与鳍转角α有关），ρ为海水密度，S为鳍面积，V为船舶航速，R为横摇力臂。

由此可知，稳定力矩与鳍转角α、鳍面积S、航速V2、横摇力臂R成正比。

对某一条船来说，设计制造后鳍面积S、横摇力臂R 不变，在一定航速下航行时，V基本上是一个常数，故控制鳍转角α也就控制了稳定力矩。

由
稳定力矩计算可知，减摇鳍减摇效果会受到船舶航速的影响，在低航速下减摇效果大大减小，甚至失去作用，因此也有将航速作控制量参与控制的，
3 减摇鳍装置的组成、功能及工作原理
该装置主要由执行机构、控制系统和液压系统等三部分组成。

3.1 执行机构
在减摇鳍系统中，执行机构的主要功能是收放鳍和转鳍，按照控制系统指令通过液压系统驱动鳍转到工作角度，将鳍上产生的升力传到船体上，形成减摇力矩。

如图2所示，执行机构左右舷各一台，包括执行元件和反馈装置，起承上启下作用。

执行元件包括转鳍油缸、鳍轴等部件，根据控制系统的指令由液压机组驱动，带动鳍转动；鳍转角信号由执行机构上的鳍角反馈装置反馈给控制系统，形成完整的闭环控制系统。

3.2 控制系统
控制系统的功能是按照程序设定的功能启动并运行减摇装置，按照控制信号的指令转动鳍以实现减摇或生摇的效果。

减摇鳍控制系统原理框图如图3所示。

当波浪力矩MB作用在船上时，船将产生横摇角φ，减摇鳍装置中的角速度陀螺仪测得横摇角速度Uφ，经处理形成转鳍指令信号Uα，同时船的航速信号也被引入减摇鳍装置控制系统中，经航速处理后鳍角指令为UαV，伺服放大器、电液伺服阀、柱塞变量泵（泵控型）、转鳍油缸和油泵反馈装置（（泵控型）、鳍角发送器一起构成转鳍伺服系统，鳍角α随鳍角指令UαV转动，在水流的作用下，鳍上产生的升力形成一个与波浪力矩相抗衡的稳定力矩Mst，从而减小船舶的横摇角。

3.3 液压系统
液压系统是一套液压伺服系统，其功能是功率放大和驱动，即将控制信号放大后驱动执行机构按照控制信号的指令转鳍，在减摇鳍装置中起着承上启下的作用。

其工作原理如下：经控制系统处理后的转鳍指令信号送入控制变量油缸的伺服阀，泵斜盘位移传感器（装在变量泵上，检测变量泵的斜盘角位移）、变量泵及转鳍油缸组成的容积式调速系统根据送入到伺服阀信号的大小，驱动鳍按照指令信号转动。

液压系统原理图如图4所示，液压系统回路按照各自实现功能的不同，可分为主油路和辅助油路，主油路由轴向柱塞变量泵（9）、转鳍电液换向阀（33）、电磁溢流阀（30）和转鳍油缸等组成，油路压力由转鳍溢流阀（30）调节，转鳍时电液换向阀（33）处于通电状态，主
油路工作压力可由转鳍压力表（18.2）读出。

主油路的功能是对伺服阀接收到的信号做出响应，根据负载要求，控制鳍的转角。

辅助油路有五个：补油油路、收放油路、复零油路、锁紧油路和伺服油路。

补油油路油源由双联叶片泵（11）中的收放、复零补油泵提供，经单向阀（15）、供油电磁阀（28）、滤油器（20.2），向主油路中的低压油路（通过两个背对的单向阀判别）中补油，油路压力由补油溢流阀（29）调节，工作压力由压力表（24）读出。

收放油路油源由双联叶片泵（11）中的收放、复零补油泵提供，经单向阀（15）、供油电磁阀（28）、收放鳍电磁换向阀（31.2）进入收放油缸，用以收放减摇鳍，油路压力由收放溢流阀（23.2）控制，工作压力由压力表（32）读出。

收放鳍时应首先接通电磁换向阀（27），解除收放机构锁紧状态，接通复零电磁换向阀（31.1）使鳍回复至±3°范围内，再通过操控电磁换向阀（31.2）进行收鳍或放鳍，同时电液换向阀（33）处于断开状态。

锁紧油路由双联叶片泵（11）中的收放、复零补油泵、单向阀（15）、供油电磁阀（27通电开锁，断电上锁）和锁紧油缸组成，其功能是将鳍锁在零位或锁在鳍箱中，而在系统开启时自动开锁。

复零油路由双联叶片泵（11）中的收放、复零补油泵、单向阀（15）、供油电磁阀（28）、复零电磁换向阀（31.1）和转鳍油缸组成，其功能是在必要时（如收鳍、放鳍时）将压力油充进转鳍油缸，将鳍推至零位。

伺服油路由双联叶片泵（11）中的伺服阀供油泵、伺服阀（14）及变量油缸组成，其功能是按照控制信号的控制规律，根据负载要求控制主泵（9）的变量油缸，从而控制主泵斜盘角度进而控制泵的排量，油路压力由伺服溢流阀（23.1）调节，工作压力由压力表（18.1）读出。

为保证安全，系统还设置了一个应急收放鳍回路和手动回路。

应急收放备用泵（13）通过单向阀（16）接入系统，当主系统出现故障或主电源失电导致鳍停在舷外而不能自动收进鳍箱时，可通过应急电源和应急系统将鳍转至零位，收进鳍箱。

手动回路由手摇泵（17）通过单向阀和截止阀（26.2）接入系统，当主系统出现故障导致鳍停在舷外而不能自动收进鳍箱时，可通过人工操作将鳍转至零位，收进鳍箱。

4 减摇鳍装置的常见故障分析及解决方法
4.1 按“启动”开关后装置不放（收）鳍
故障常见原因及解决方法：原因一：解锁电磁阀（27）未通电或存在故障，锁紧装置未解锁。

解决方法：检查并排除相关线路故障，拆检或更换该阀。

原因二：鳍角发送器内±3°微动
开关故障或断线， PLC没有收到解锁信号。

解决方法：检查并排除相关线路故障，调整或更换微动开关。

原因三：补油电磁阀（28）未通电或存在故障，导致系统自锁。

解决方法：检查并排除相关线路故障，拆检或更换补油电磁阀。

原因四：收放电磁阀（31.2）未通电或存在故障，导致收放电磁阀“罢工”，无法放鳍。

解决方法：检查并排除相关线路故障，拆检或更换此阀。

原因五：收放溢流阀（23.2）调定过低，放鳍压力过小，无法放鳍。

解决方法：检修此阀，调节收放压力。

4.2 鳍放到位后不能自动进入减摇工况
故障常见原因及解决方法：原因一：角速度陀螺仪损坏或线路故障，系统无法发出转鳍指令信号。

解决方法：检查更换角速度陀螺仪或检查相关线路。

原因二：鳍已放到位但没有碰到“鳍放出”行程开关或该信号没有传送到PLC。

解决方法：调整行程开关位置，检查该行程开关是否损坏及相关线路是否断路。

原因三：解锁阀或锁紧装置故障，锁紧装置未上锁。

解决方法：清洗或更换解锁阀，检查锁紧油缸。

原因四：转鳍换向阀（33）未通电或因故障处于卡死状态，导致无法转鳍。

解决方法：检查并排除相关线路故障，拆检或更换此阀。

原因五：转鳍溢流阀（30）调定过低，转鳍压力过低。

解决方法：检修此阀，调节转鳍压力。

4.3 鳍放出进入减摇工况后鳍即迅速转向一边，鳍角超限报警
故障常见原因及解决方法：原因一：鳍角发送器内的电位器损坏或其线路故障。

解决方法：更换电位器，检查相关线路。

原因二：油泵反馈装置内的电位器损坏或其线路故障。

解决方法：检修或更换电位器，检查相关线路是否断路。

原因三：伺服放大模块故障或运算放大器故障。

解决方法：更换伺服放大模块或运算放大器。

原因四：伺服阀故障或其接线故障。

解决方法：拆检或更换伺服阀，检修相关线路。

原因五：伺服压力或转鳍压力太小。

解决方法：重新设定伺服压力或转鳍压力；清洗或更换伺服溢流阀或转鳍溢流阀。

4.4 正常停机或故障报警停机时鳍不能自动恢复到±3°以内
故障常见原因及解决方法：原因一：复零电磁阀（31.1）故障或复零信号线路故障。

解决方法：检修或更换此阀，检查相关线路。

原因二：供油电磁阀（28）故障或其线路故障。

解决方法：检修或更换此阀，检查相关线路。

原因三：鳍角发送器内±3°微动开关损坏，线路故障无法正常传输信号。

解决方法：更换±3°微动开关，排除线路故障。

4.5 进入减摇工况后，在风浪大时易发生超限报警
故障原因通常是工作信号过大，控制信号超调。

解决方法为调小伺服放大板的“输入”放大器或调大“反馈”电位器。

4.6 减摇鳍在运行过程失去控制，飘忽不定
故障常见原因及解决方法：原因一：伺服阀（14）故障。

解决方法：检修或更换此阀。

原因二：鳍角发送器内的电位器电阻有跳变。

解决方法：更换该电位器。

原因三：工作信号有问题。

解决方法：检查电路板。

原因四：转鳍压力调节溢流阀（30）压力调定值变小或溢流阀失效。

解决方法：调整溢流阀或修理更换此阀。

4.7 液压系统压力建立不起来
故障常见原因及解决方法：原因一：油路里有空气。

解决方法：点动几次“启动”按钮进行排气或在相关管路上放气。

原因二：油泵出口溢流阀设定值过低或溢流阀损坏。

解决方法：调整溢流阀设定压力或更换该阀。

原因三：液压系统溢流阀设定值过低或溢流阀损坏。

解决方法：调整溢流阀设定压力或更换该阀。

5 结束语
通过分析减摇鳍装置的工作原理，探讨了收放式泵控型减摇鳍装置常见故障的产生原因与排除方法。

减摇鳍装置是一种比较复杂的控制系统，只有深入地理解其工作原理，才能在其出现故障时，准确、迅速地排除故障。

在加深对设备工作原理了解的基础上，正确使用并做好必要的保养，能有效提高设备的可靠性、降低设备改造率。

参考文献
[1] 胡彬、杨万富、曾启盛、陶林等.减摇鳍技术培训教材（第三版）.中船重工第七0四研究所.
[2] 张乾.减摇鳍常见故障分析[J].机电设备，2009（06）：6-8.
[3] 王威.船舶减摇装置[J].世界海运，2012，35（5）：54-56.。