调距桨工作原理和事故分析很全面.docx
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调距桨工作原理和事故分析很全面
调距桨工作原理和事故分析很全面
浅析调距桨操作规程与常见故障应对
内容摘要
摘要：
本文首先介绍了“育鲲”教学实习船可调螺距螺旋桨（CPP）的结构组成，进而从整个
系统以及部分重要组件的角度详细分析了调距桨液压伺服系统工作原理，随后总结归纳了调
距桨在各种工作状况下的操作规程，最后结合调距桨可能出现的故障提出了针对性的检查修
理措施，力图对船舶现实运营管理有一定的裨益。
关键词：
调距桨、结构组成、液压伺服系统、操作规程、故障检修
ABSTRUCT:
Firstly,thisthesisintroducedtheconstructionoftheControllablePitchPropeller
ofDMUinternship“Yukun”,thenmadeaconclusionoftheoperatingproceduresin
variousworkingconditionafteradetailedanalysisofthehydraulicservosystemfrom
theviewofthewholesystemandsomeimportantcomponents,atlastbroughtout
checkandmaintenancemeasuresagainstvariousCPPmalfunctionssothatitcanhave
someeffectsforthepracticaloperationandmanagement.
KEYWORDS:
CPP;construction;hydraulicservosystem;operatingprocedure;
malfunction
i
前言........................................................................1
1.VBS980调距桨系统的组成....................................................1
1.1VBS980调距桨的调距桨部分............................................2
1.2VBS980调距桨的轴系部分..............................................3
1.3VBS980调距桨的调距机构..............................................3
1.4VBS980调距桨的伺服液压系统..........................................4
1.5VBS980调距桨的遥控系统..............................................4
2.VBS980调距桨工作原理......................................................5
2.1调距桨液压伺服系统工作原理...........................................5
2.2调距桨配油器工作原理.................................................7
2.3调距桨比例调节阀工作原理.............................................8
2.4调距桨伺服油压调节阀的工作原理.......................................8
3．“育鲲”轮调距桨（CPP）操作规程...........................................9
3.1驾驶台或集控室的正常操作.............................................9
3.2驾驶台的辅助操作....................................................10
3.3CPP在泵站的现场手动操作............................................10
3.4CPP螺距应急设定的操作要点..........................................10
4.调距桨常见故障分析.......................................................11
4.1螺距控制故障........................................................11
4.1.1不能进行螺距调整..............................................11
4.1.2螺距只能单向调节..............................................12
4.1.3螺距不稳定....................................................12
4.1.4螺距调整指令反应缓慢..........................................12
4.1.5螺距有误差....................................................13
4.2液压系统构造性故障..................................................13
4.2.1水分渗入液压油中..............................................13
4.2.2液压油向外溢流................................................13
4.2.3重力油柜溢油..................................................13
4.2.4配油环漏油....................................................13
4.3异常噪声及振动......................................................14
总结.......................................................................14
1
浅析调距桨操作规程与常见故障应对
前言
自第一台调距桨（ControllablePitchPropeller，简称CPP）在加拿大问世以来，调距桨随着机
械制造业、液压技术、电子技术的发展而日臻完善，并在今天的航运市场上得到了广泛应用。
我校校船“育鲲”轮是我国第一艘自行设计和建造的专用航海教学实习船，为了满足航海类专业学生的教学实习以及进行交通运输工程、航海技术和轮机工程等学科的科学研究和实船试验的需求，“育鲲”轮安装了丹麦MAN公司生产的VBS980型可调螺距螺旋桨（下简称VBS980调距桨），为四叶式桨、直径3800mm、螺旋桨设计工况点功率3996kW，对应转速170rpm。
可调螺距螺旋桨即是桨叶螺旋面与桨毂可作相对转动的一种螺旋桨。
它借助一套转叶机转动桨叶以达到改变螺旋桨螺距H的目的。
对于桨径D一定的螺旋桨，则等于换了一个新的螺距比H/D，其性能也就发生了变化。
与一般的定距桨相比，调距桨具有十分显著的特点，它的优缺点如下：
优点：
（1）对航行条件适应性强：
在航行条件改变的情况下，可以通过调节螺旋桨的螺距比H/D，就可使主机保持发出最大功率的能力，因此船舶可获得较高的航速并获得较大的推力。
（2）动力装置的经济性好：
相较于定距桨唯一的效率线，调距桨有一条最佳n—H/D匹配曲线，可以兼顾螺旋桨效率和主机燃油消耗率，获得较好的经济性。
（3）提高了船舶的机动性；除了靠改变主机转速调节船舶航速，还可以借助于螺旋桨叶片角度的改变,实现正车、倒车、停车以及航速变化，并且换向时间短、反向推力大、可实现船舶的无级调速。
（4）有利于驱动辅助负载：
主机以恒定的转速运转，对使用轴带发电机或使用轴带设备的船舶非常有利。
（5）延长了发动机寿命：
由于调距桨的变螺距功能,减少了主机起、停及改变转速的次数，以此减少了运动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏,大大延长主机的寿命,减少主机的维修时间和
维修费用。
（6）便于实现遥控：
遥控系统功能强大、操作方便，驾驶员可以在驾驶台直接操纵控制手柄进
行调距桨螺距的调节。
缺点：
（1）调距桨及轴系由于要安装螺距调节机构及遥控系统，因此构造复杂，造价比定距桨高；
（2）由于桨毂中的转叶机构零件尤其是运动部件多，可靠性不及定距桨；
（3）在相同情况下，调距桨由于桨毂部结构较定距桨复杂，使得其毂径比（d/D）较大。
在相同的设计工况时，其效率要比定距桨低1%～3%。
1.VBS980调距桨系统的组成“育鲲”轮所用的VBS980调距桨系统主要是由调距桨部分、轴系部分、调距机构、伺服液压系统、操纵系统五大部分组成。
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1.1VBS980调距桨的调距桨部分
图-1调距桨部分的结构图2-桨毂缸；3-保护锌块；5-伺服活塞；7-桨毂；8-活塞螺栓；11-滑块；14-伺服管法兰；15-伺服活塞螺栓；16-桨叶螺栓；17-密封环；18-滑动环；19-伺服机构盖螺栓；21-法兰端盖；22-轴毂螺栓；23-轴向销轴；24-端盖螺栓；26-尾端轴封螺栓；35-密封法兰螺栓；39-桨毂螺栓；40-伺服机构盖；50-衬套；54-导块；57-导块螺栓；80-螺旋桨叶片；81-叶片法兰；82-螺距控制头；90-螺旋桨轴；91-输油管。
调距桨包括桨叶80和桨毂7，如图-1所示，安装有四个桨叶80的桨毂7用螺栓22连接在螺旋桨轴90后端整段法兰上，在法兰和桨榖7的圆周上还装配有轴向销轴23，用以将螺旋桨轴90的扭矩传至螺旋桨。
并用带有密封圈和注入了矿物油脂的法兰端盖21来保护螺栓22和销轴23。
3
桨毂油缸伺服活塞5通过曲柄滑块机构（82，11，75）与桨叶80相连，当活塞5移动，螺距相应变化。
轴系内的螺旋桨轴90和输油管91构成通往桨毂7的两条同心油道，液压油就通过这两条同心油道流进和流出伺服油缸。
输油管91与油缸伺服活塞6相连作为实际螺距的反馈机构。
桨毂本体7位于一个大的轴承座圈内以吸收桨叶和曲柄滑块机构（82，11，75）施加的负荷。
每个桨叶80都用螺栓16、销轴61连接到它的叶片法兰81上，并用装在螺栓头下的O型圈17给以密封。
轴向移动伺服活塞5通过曲柄滑块机构（82，11，75）可以旋转叶片法兰81和桨叶80。
桨毂后部的高压腔与调距机构以及桨叶法兰分开，确保桨叶密封上仅有重力油箱的油压作用，在达到防止海水渗入的前提下有效地避免了漏油。
1.2VBS980调距桨的轴系部分桨毂被螺栓22和销轴23连接到螺旋桨轴法兰上，桨轴的前端通过联结法兰与中间轴相联。
传动轴部分由螺旋桨轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器相连。
中空的传动轴既可以将主机输出的动力传递到螺旋桨又可以作为进回油通道。
配油轴可以将液压油供应到两个通道（输油管内部的通道和螺旋桨轴和输油管之间的环形通道），继而液压油分别进入到伺服活塞艉部或艏部的液压油腔。
此外，输油管还通过反馈杆连接伺服活塞和配油器旁的反馈机构，它用来传递伺服活塞和桨叶的位置信号。
在配油轴间的液压单向阀的作用：
从配油轴来的压力油通过配油轴上的小孔进入锁止阀,然后进入内、外油管,在不进行调距的情况下锁止阀是关闭（锁死）的,可以起到锁紧桨叶的作用；调距时,进入油腔的压力油打开回油腔的锁止阀才能形成回路。
1.3VBS980调距桨的调距机构调距机构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，桨叶位置反馈装置及其附属设备等。
它的主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。
VBS980调距桨的调距机构为一曲柄-滑块机构，螺距控制头（滑块）与桨毂油缸内做直线运动的活塞刚性连接，它在滑槽内运动带动叶片法兰旋转，叶片法兰与叶根用螺栓连接，从而使桨叶转动以达到调节桨叶螺距的目的。
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图-2调距桨反馈机构结构图
20-位移发送器；21-位移传感器；23-内六角螺钉；B41-螺距指示发送器；B42-螺距反馈发送器；16-固定块；50-滚轮。
反馈机构用于稳距和指示桨角。
反馈机构的作用过程如下：
伺服活塞的位移由输油管及反馈杆传递，带动反馈环和位移传动装置做往返运动。
螺距指示发送器B41和螺距反馈发送器B42是两个完全相同的装有电桥的变送器，位移传动装置移动能改变电桥上滑动变阻器的电阻，从而产生电压信号，该电压信号传到控制单元用于指示螺距和反馈控制。
其中，用于提供螺距反馈控制信号的变送器拥有更高的优先权。
通过改变接线柱连接，可以让用于螺距指示的变送器代替出现故障的螺距反馈变送器。
当调距桨转动时，反馈环随轴转动同时带动滚轮转动，这样能减少滚轮和反馈环在传动过程中造成的损伤。
1.4VBS980调距桨的伺服液压系统
VBS980调距桨的伺服液压系统主要由伺服油箱、两台液压油泵、管件、控制阀组、滤器、冷却器和保护元件组成。
液压系统的主要功能是按遥控系统的螺距指令,驱动桨毂调距机构工作,将桨叶转动至指令要求的螺距位置,实现船舶的正、倒车航行,满足船舶各种工况时要求的航速或推力,并可以使船舶在最大正车至最大倒车之间无级调速,也可以通过调距桨倒车使船紧急制动,提高船舶的机动性能。
当调距系统出现故障后,应急系统可将桨叶固定于正车螺距位置,使之能按
定距桨状态工作.
1.5VBS980调距桨的遥控系统
调距桨遥控系统主要由以下几个部分组成:
主驾驶台的操纵面板（包括中心和两侧翼共三个面板）、集控室的操纵面板、包含主控制计算机的主控制箱、螺旋桨伺服电子装置（闭环放大和螺旋桨指示电子装置）。
通过对控制手柄的动作，可以使调距桨的螺距发生所需要的改变，并将螺5旋桨实际的螺距值显示在相应的仪表上。
2.VBS980调距桨工作原理
下面从可调螺距螺旋桨、配油器、比例调节阀和伺服油压调节阀的角度来简要介绍调距桨
的工作机理。
2.1调距桨液压伺服系统工作原理
图-3调距桨液压伺服系统工作原理图
1-止回阀；2-伺服遥控箱；3-位置变送器；4-位置传感器；5-活塞杆；6-配油轴；7-比例调节阀；8-伺服油压力调节阀；9-伺服活塞；10、12、29-滤器；13-止回阀；15-液压冷却器；20-压力滤器；21-安全阀（设定压力70bar）；22-双止回阀；23-液压锁；24-配油环泄放管；25-柔性接头；26-液压单元；27-输送泵；28-电动伺服油泵；30-泄放油柜（置于配油环下）；31-6滤器（名义精度60mym）；32-阀EP／ER用于紧急运行；A-伺服油后退；B-伺服油前进；C1-冷却水进口；C2-冷却水出口；S1-泄油柜透气；S2-输送泵进动力单元；S3-泄放口；S5-油盘泄放；S6-系统油进入／透气；S7-备用接口；S8-透气；S9-探测；EP-应急动力油；ER-应急回油；TI54-温度计0—120℃；PI55-压力表0-100bar；LAL49-液位报警；LSL52-液位低位开关；LSH52-液位高位开关；LAH52-液位高位报警；PSL57-压力低开关；PAH53-压力高报警；PAL55-压力低报警；PAL59压力低报警；TAH54-温度高报警。
电动伺服油泵28启动后，液压油经止回阀13、压力滤器20到达比例调节阀7的进油口P和伺服油压调节阀8的进口Ａ。
在不进行螺距调节即稳距工况时，比例调节阀7位于中位，这时由于伺服油压力调节阀8的入口处Ａ与其外控油口Y的压力差大于该阀弹簧的设定压力，伺服油压力调节阀8被打开，这样液压油经伺服油压力调节阀8和冷却器15、单向阀13和滤器12回油至油箱。
此时配油环中的液压锁23以及锁闭阀会将伺服活塞两端的液压油封闭在伺服油缸中，靠油液的不可压缩性将桨叶固定在所要求的位置上。
当驾驶台给出“前进”的电信号时，该信号作用在比例微分调节器PD上，该调节器将电信号放大后作用在比例调节阀7左端的电磁线圈上，从而使比例调节阀7的阀芯右移。
在这种情况下，比例调节阀7的左位接通，P口与Ｂ口、A口与T口分别接通，压力油经过PB进入该阀面的管路。
液压油经过比例调节阀7的PB口后，一路通到双止回阀22的右端P2口，使该阀的阀芯向左移动，液压油经P2口进入，经A口输出并进入到伺服压力调节阀8的外控油口端，使伺服压力调节阀8关紧，无法打开；另一路液压油在通过液压锁23的同时，也将伺服油缸回油管路上的单向阀打开，然后液压油进入配油环24，并经过中空的螺旋桨轴内的输油管进入伺服油缸左侧，推动伺服活塞向右移动。
同时伺服活塞右侧的液压油经中空的螺旋桨轴与输油管之间的环形通道回油，并经过液压锁23、比例调节阀7的AT口、液压冷却器15、单向阀13和滤器12回油至油箱。
当调距桨的伺服活塞移动时，通过曲柄滑块机构，螺旋桨的桨叶也随之移动。
在螺旋桨桨叶转动的同时，中空的螺旋桨轴内部的输油管及传动杆也随之移动，同时输油管会带动位于尾轴旁的机械指针移动，机械指针指示出螺旋桨的螺距。
传动杆的一端有两个位置变送器，其中一个位置变送器把位移信号转换成电信号，反馈到伺服遥控箱内，该信号再和螺距指令信号相比较，进行比例微分调节；另一个位置变送器把位移信号转换成电信号，该信号用于螺距指示。
当可调螺距螺旋桨转到规定的螺距时，螺距指令的电信号就会取消，比例调节阀7回到中位，即进入稳距工况。
当驾驶台发出“后退”的电信号时，也是同理，只是相关阀件及液压油的动作恰好相反。
CPP液压伺服系统中，单向阀13可以防止系统中液压油倒流。
阀21为安全阀，它可以防7止系统中油压过高，其调定压力决定伺服油缸活塞最大输出力的大小。
2.2调距桨配油器工作原理
配油器的结构图如下图所示：
图-4调距桨配油器结构图33-密封法兰；34-杆密封；35-端盖螺钉；36-滑动片；46-配合衬套；48-反馈法兰；49-螺塞；32、71、74、99-密封环；73-截止法兰；78-轴套；84-单向阀；85-杆导环；86-滑环；87-O型圈；88-阀门活塞；89-阀套；92-拉杆螺栓；93-阀箱；94-盖螺母。
配油器中使用了布置在同一阀体中的双联液控单向阀，亦称液压锁。
如图-4所示，当某侧油路有压力油通入时，可以实现两个效果：
一是将该侧单向阀阀芯顶出，油从阀芯的孔路中流过进入本侧油腔；二是可借阀门活塞88先顶出另一侧的卸荷阀芯，此时压力油可以经由阀芯的孔路流回另一侧主油路。
当系统停止工作，即比例调节阀7回中时，两侧皆无压力油进入，两侧单向阀在弹簧的作用下皆关闭，可使油路闭锁。
由于它的密封性远远好于换向阀，可以防止桨叶传来的反力使伺服活塞移动。
在配油环的底部还有一根直通泄油柜的泄放管，一旦配油环中液压油过多时，多余的液压油可以通过这根管路流到泄放柜。
泄放柜除了可以存放从配油环来的液压油外，还可以通过两台互为备用的液压泵27向动力单元的油柜补油；同时，“育鲲”轮上的泄油柜还设有液位高低位开关LSH52和LSL52以及液位高位报警装置LAH52。
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2.3调距桨比例调节阀工作原理
图-5调距桨比例调节阀的原理图
比例调节阀7是伺服系统中的关键部件，它能够控制系统中液压油的流动方向与流量。
比例调节阀的基本组成部分有：
阀体，两个具有相近位移-电流特性的比例电磁铁，控制阀芯，应急推杆，还有两个复位弹簧。
电磁铁不通电时，控制阀芯由复位弹簧保持在中位。
本阀中位机能为Y型,即A、B口与T口带阻尼接通。
如左侧电磁铁通电，比例电磁铁直接驱动阀芯右移，则P与B，A与T分别连通。
来自控制器的控制信号值越高，控制阀芯向右的位移也越大。
这样，阀芯行程就与电信号成正比。
阀芯行程越大，阀口通流面积和通过的流量也越大。
位置变送器3会检测出桨叶的实际位置，并把与之成正比的电压信号，反馈至伺服遥控箱X41中的PD控制器。
PD控制器会一直输出一定的控制信号直至螺距反馈值与螺距设定值一致。
当在泵站现场手动进行螺距设定时，通过手推阀上的推杆，也可以使阀左位或右位通，达到改变螺距的目的。
2.4调距桨伺服油压调节阀的工作原理
图-6调距桨油压调节阀的原理图
伺服油压调节阀8的作用是调节系统中的工作油压，在系统不进行螺距调节工作时使系统9中的工作油压控制在一个较低的值上（设定压力值一般为20bar），而在系统进行调距操作时使系统工作油压随着负荷增加而增加，从而实现减少发热、节省能量的目的。
它的工作原理是：
当不进行螺距调节即比例调节阀7工作在中位时，该阀的液压油出口A、B泄荷，从而使与双止回阀22的出口的伺服油压力调节阀8的外控油口Y处油压较低，当伺服油压力调节阀8的入口处Ａ与其外控油口Y的压力差大于该阀弹簧的设定压力时，伺服油压力调节阀8打开，这样液压油经伺服油压力调节阀8和冷却器15、单向阀13和滤器12回油至油箱；当进行前进或后退操作而需要进行螺距调节时，比例调节阀7工作在左位或右位，与双止回阀22的出口的伺服油压力调节阀8的外控油口Y处油压较高，当伺服油压力调节阀8的入口处Ａ与其外控油口Y的压力相平衡时，伺服油压力调节阀8会在该阀弹簧的作用下锁闭，则该阀的开阀压力会随负荷增加而增加，同时系统的工作油压也会增加。
3．“育鲲”轮调距桨（CPP）操作规程
下面按照调距桨螺距设定的优先级顺序，介绍在不同工作状况下相应的操作规程：
3.1驾驶台或集控室的正常操作
在驾驶台或集控室的控制面板上可以实现三种控制模式的选择:
组合控制模式、定速控制模式和独立控制模式。
在组合控制模式下，控制台上的操纵杆既控制柴油机的转速同时也控制螺旋桨的螺距，这种控制模式下操纵手柄在不同位置时柴油机转速设定值和螺距（百分比）的设定值
由组合控制曲线给出。
在定速控制模式下，柴油机的转速设定值是不改变的，即柴油机在某一转速下稳定运行，此时控制台（驾驶台或者集控室）的操纵手柄仅仅控制螺旋桨的螺距，转速设给
定值设定在保证轴带发电机正常运转的转速上，该转速值可以通过对控制台上的参数设定按钮操作进行设定。
独立控制模式是实现柴油机转速或螺距分别独立控制，操纵手柄主要控制螺距，
而柴油机的转速的设定是通过控制面板进行的。
这种控制模式与定速控制模式的区别是柴油机
的转速给定值可以任意改变。
此时的操作要点为：
（1）检查CPP油柜的油位；
（2）检查冷却水的供给状况；
（3）起动CPP油泵，确认其油压正常；
（4）操纵驾驶台或集控室内的螺距控制手柄，即可获得需要的螺距。
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3.2驾驶台的辅助操作
在
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