某拖轮主拖缆失控放出故障分析
刘殿智
摘 要：本文阐述了拖缆机工作原理，对刹车原理进行详细分析，对防范各类拖缆机刹车故障具有一定借鉴和指导意义。
关键词：离合器；刹车；刹车保持；电磁阀；蓄能器
中图分类号：U676 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0067-02
随着海上石油开发以及海洋工程增加，拖轮队伍日益壯大。拖缆机作为拖轮独有设备，实现了船舶拖带及为工程船舶起抛锚功能。某拖轮双车双桨，主机功率3000KW×2，螺旋桨为可调距螺旋桨，拖缆机型号为新加坡志同公司HTW-200-200-01，单驱拖力100吨，双驱拖力200吨。
1 故障现象
某日该轮协助一艘5万吨油轮在南海海域进行提油作业，将主拖缆系于受油轮船首，受油轮靠近到储油轮一定距离后停车，拖轮主拖缆放出至正常长度后合上刹车，由拖轮保持拖力维持油轮船位，接通输油管线进入正常驳油作业。
当作业进行约1小时时，拖轮主拖缆突然自动放出，导致受油轮向储油轮移动，造成险情。该轮立即启动主液压油泵，收缆后重新进行刹车，紧急情况解除，但每过一段时间就会发生这一现象，事后该轮被停租整顿。
2 拖缆机工作原理
2.1 设备组成
该轮拖缆机为双卷筒，由四个低速大扭矩STAFFA双速马达通过两级齿轮减速驱动。马达输出轴通过一对齿轮副和空气离合器连接驱动轴，驱动轴通过液压离合器和一对齿轮副来驱动卷筒。该拖缆机具有双驱动和单驱动功能，四个马达分为两组，能同时驱动一个卷筒或分别驱动两个卷筒实现两个卷筒同时工作。拖缆机还包括棘轮（俗称硬刹）和刹车（俗称软刹）。
液压系统主油路采用4台75KW变量油泵，控制油路采用2台5.5KW伺服控制定量油泵（见下图）。
2.2 主动力液压系统
动力液压油通过滤器经三位四通比例阀进入液压马达，实现卷筒的收放和无级调速，马达具有双速功能。
2.3 液压离合器、主离合器及气动离合器
当两组马达分别通过驱动轴和液压离合器带动两个卷筒工作，为单驱；当卷筒需要较大拖力时，脱开其中一个卷筒的离合器，合上主离合器，将两段驱动轴连接起来，由两组马达共同驱动一个卷筒，为双驱。
在马达和驱动轴之间装有气动离合器，其在拖缆机正常工作期间始终是合的状态。如打开气动离合器，马达与驱动轴脱离，在刹车和棘轮脱开情况下，卷筒受力会自动放出拖缆。
2.4 刹车
刹车脱合通过相应电磁阀实现。在刹车脱合的液压管路中分别设置一个压力开关（P206和P205），用于调节设定刹车压力。在控制面板上按下刹车“脱”或“合”按钮时，PLC收到指令后使刹车控制脱或合电磁阀得电动作，液压油进入刹车油缸，进行刹车脱或合动作，当相应液压管路中油压达到压力开关设定值时，P206或P205闭合，向PLC输入信号，PLC输出一方面使刹车“脱”或“合”按钮灯亮，另一方面使“脱”或“合”电磁阀断电，刹车脱合动作完成。离合器及棘轮控制原理与刹车类似，不同之处在于二者脱合到位信号采用了接近开关。
2.5 蓄能器
控制油系统装设有蓄能器，提供预充油压（100BAR）。蓄能器具有两个用途：一是在船舶完全失去动力时，打开上下卷筒刹车装置；另一个是在刹车合状态下为刹车提供维持液压油。压力控制器PS132用于控制蓄能器充油。
2.6 刹车保持
刹车保持通过单向阀组270g、刹车保持电磁阀组S248和S249及蓄能器实现。刹车合上后，刹车合电磁阀断电，270g关闭，实现油缸油路封闭，保持刹车状态。当由于漏泄等原因造成刹车油缸油压低于压力开关P205的设定值时，S248和S249同时得电动作，蓄能器内的液压油经S248进入刹车合液压管路补油（同时刹车脱液压油路经S249泄放），待刹车压力正常，补油过程结束。
2.7 紧急释放
当情况紧急或船舶失去动力时，可靠24VDC后备电源打开液压储能器实现紧急释放。刹车和驱动部分的应急释放为联动设置。按下紧急释放按钮，PLC发出两个指令：一个使刹车应急脱开电磁阀组S208和S247同时得电动作，利用蓄能器液压油打开刹车；另一个使气动离合器脱开控制电磁阀得电脱开气动离合器，如卷筒受力缆绳会自动放出。进行应急释放前必须确认棘轮处于打开位置。
2.8 恒张力
在驾驶台控制面板上确认棘轮处于脱开位置，液压离合器处于闭合状态，打开刹车，按下缆绳张力按钮，如缆绳张力超过设定值，通过触发比例溢流阀，降低压力，使得卷筒自动放出拖缆，缆绳张力的设定可通过驾驶台控制面板上的手动调节旋钮进行调节。
3 故障原因分析
拖缆机刹车不牢可能有如下几个原因：
（1）刹车压力设置过低。如刹车压力设置过低，刹车带就不能形成有效刹车。当拖缆受力超过刹车带的受力极限时，拖缆将会放出，无法实现刹车功能。刹车压力值可通过压力开关P205设定。
（2）刹车带过度磨损或磨损不均。刹车带过度磨损或磨损不均会造成刹车带与被刹面不能形成良好贴合，导致刹车力下降。
（3）液压油缸或油缸接管泄漏。刹车机构由液压油缸驱动，刹车力最终通过液压油缸内油压实现。如油缸油封不良或油缸所接刹车油管泄漏，就会造成油缸油压降低，无法形成有效刹车。
（4）液压油温度过高。如液压油温度过高，即使刹车时压力高，但随着油温下降，油缸内的压力必然下降，从而导致刹车力下降。液压油高温是由于冷却不良或液压系统异常高压造成的。
（5）单向阀组270g磨损关闭不严。 刹车操作完成后，液压油缸中的油通过270g实现油路闭锁，如刹车方向单向阀关闭不严，就会导致油缸油压下降，造成刹车松动。
（6）液压油脏污。如液压油脏污，将导致270g密封阀面接触不良或油缸油封渗漏，造成油缸油压下降。
（7）刹车保持电磁阀组S248和S249故障。由于泄漏等原因，当液压油缸油压下降到刹车压力开关P205的设定值以下时，蓄能器中的液压油经S248进入刹车合油路保持油缸压力（S249释放刹车脱开油路油压）。如电磁阀卡死、控制继电器故障、电磁阀线圈烧坏或线路接触不良都会导致拖缆机无法进行刹车保持。
（8）蓄能器不能正常充油。刹车油缸的油压保持通过蓄压器内预充液压油实现，如蓄压器油压本身不足，也就无法向刹车油缸补油。
（9）伺服控制油泵停止。蓄能器液压油由伺服控制油泵提供，由于该型拖缆机伺服控制油泵未设置自动程序，在拖缆机使用期间至少要保持一台运行。如伺服控制油泵未开启或意外停止及刹车油缸同时有渗漏情况时，蓄能器不能充油，也就无法进行正常刹车保持。
4 故障原因排查及解决
4.1 故障原因排查
结合该轮拖缆机突然出现刹车初期可刹住，一段时间后刹不住的现象，原因应为刹车液压系统有泄漏及刹车不能保持。
检查刹车压力及刹车带正常，液压管路进回油滤器清洁，说明液压油没有脏污可能，油温及蓄能器压力也正常，伺服控制油泵一直在运转状态。
剎车后，停止伺服控制油泵，分别检查单向阀组270g及其与油缸间液压管路无漏泄，这说明漏泄部位为刹车油缸油封（内部漏泄外部不可见）。轻微松开油缸“刹车”油管，使油缸内油压下降，直到检测刹车压力开关P205处于断开状态，此时检查蓄压器油压未见下降，这说明故障最根本的原因在于刹车油缸的油压降低后蓄能器未能为油缸补油，即刹车保持电磁阀组S248和S249不能正常工作。
4.2 故障解决
开启伺服控制油泵，打开刹车重新合刹车后停泵。拆下压力开关P205的插头，同时在控制箱内检查刹车保持电磁阀组S248和S249的控制继电器都能正常通电工作，这说明PLC与刹车保持有关的输入输出正常；拆下S248和S249的电源插头，测量二者电源信号时发现24V电压都正常，但拆卸时发现S248的插头有松动现象。装复并把紧P205、S248和S249的插头后，从油缸”刹车合”油管处轻微放油，发现S248和S249同时得电动作及蓄能器油压下降，说明刹车保持电磁阀组工作正常向油缸补油。开启伺服控制油泵，进一步观察蓄能器的油压变化，发现其能正常补油。更换刹车油缸油封，故障得到彻底解决。
5 总结
液压系统污染是液压系统失效最主要的原因。轮机人员应按说明书要求，定期更换液压油、主油泵出口设置的高压滤器及液压系统低压回油滤器；工作时保持油温在30～50℃为宜。
为防止拖缆机PLC程序丢失，要及时更换其电池，每五年一次。控制箱内继电器等元件要做好清洁和降温工作，定期检查有无松动情况。拖缆机运转时振动大，其机体上电磁阀线圈及插头接线要经常检查是否牢固。
液压管路及拖缆机液压部件日常要注意泄漏情况和异常噪声，一旦发现，及时查找原因并消除。
摘 要：本文阐述了拖缆机工作原理，对刹车原理进行详细分析，对防范各类拖缆机刹车故障具有一定借鉴和指导意义。
关键词：离合器；刹车；刹车保持；电磁阀；蓄能器
中图分类号：U676 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0067-02
随着海上石油开发以及海洋工程增加，拖轮队伍日益壯大。拖缆机作为拖轮独有设备，实现了船舶拖带及为工程船舶起抛锚功能。某拖轮双车双桨，主机功率3000KW×2，螺旋桨为可调距螺旋桨，拖缆机型号为新加坡志同公司HTW-200-200-01，单驱拖力100吨，双驱拖力200吨。
1 故障现象
某日该轮协助一艘5万吨油轮在南海海域进行提油作业，将主拖缆系于受油轮船首，受油轮靠近到储油轮一定距离后停车，拖轮主拖缆放出至正常长度后合上刹车，由拖轮保持拖力维持油轮船位，接通输油管线进入正常驳油作业。
当作业进行约1小时时，拖轮主拖缆突然自动放出，导致受油轮向储油轮移动，造成险情。该轮立即启动主液压油泵，收缆后重新进行刹车，紧急情况解除，但每过一段时间就会发生这一现象，事后该轮被停租整顿。
2 拖缆机工作原理
2.1 设备组成
该轮拖缆机为双卷筒，由四个低速大扭矩STAFFA双速马达通过两级齿轮减速驱动。马达输出轴通过一对齿轮副和空气离合器连接驱动轴，驱动轴通过液压离合器和一对齿轮副来驱动卷筒。该拖缆机具有双驱动和单驱动功能，四个马达分为两组，能同时驱动一个卷筒或分别驱动两个卷筒实现两个卷筒同时工作。拖缆机还包括棘轮（俗称硬刹）和刹车（俗称软刹）。
液压系统主油路采用4台75KW变量油泵，控制油路采用2台5.5KW伺服控制定量油泵（见下图）。
2.2 主动力液压系统
动力液压油通过滤器经三位四通比例阀进入液压马达，实现卷筒的收放和无级调速，马达具有双速功能。
2.3 液压离合器、主离合器及气动离合器
当两组马达分别通过驱动轴和液压离合器带动两个卷筒工作，为单驱；当卷筒需要较大拖力时，脱开其中一个卷筒的离合器，合上主离合器，将两段驱动轴连接起来，由两组马达共同驱动一个卷筒，为双驱。
在马达和驱动轴之间装有气动离合器，其在拖缆机正常工作期间始终是合的状态。如打开气动离合器，马达与驱动轴脱离，在刹车和棘轮脱开情况下，卷筒受力会自动放出拖缆。
2.4 刹车
刹车脱合通过相应电磁阀实现。在刹车脱合的液压管路中分别设置一个压力开关（P206和P205），用于调节设定刹车压力。在控制面板上按下刹车“脱”或“合”按钮时，PLC收到指令后使刹车控制脱或合电磁阀得电动作，液压油进入刹车油缸，进行刹车脱或合动作，当相应液压管路中油压达到压力开关设定值时，P206或P205闭合，向PLC输入信号，PLC输出一方面使刹车“脱”或“合”按钮灯亮，另一方面使“脱”或“合”电磁阀断电，刹车脱合动作完成。离合器及棘轮控制原理与刹车类似，不同之处在于二者脱合到位信号采用了接近开关。
2.5 蓄能器
控制油系统装设有蓄能器，提供预充油压（100BAR）。蓄能器具有两个用途：一是在船舶完全失去动力时，打开上下卷筒刹车装置；另一个是在刹车合状态下为刹车提供维持液压油。压力控制器PS132用于控制蓄能器充油。
2.6 刹车保持
刹车保持通过单向阀组270g、刹车保持电磁阀组S248和S249及蓄能器实现。刹车合上后，刹车合电磁阀断电，270g关闭，实现油缸油路封闭，保持刹车状态。当由于漏泄等原因造成刹车油缸油压低于压力开关P205的设定值时，S248和S249同时得电动作，蓄能器内的液压油经S248进入刹车合液压管路补油（同时刹车脱液压油路经S249泄放），待刹车压力正常，补油过程结束。
2.7 紧急释放
当情况紧急或船舶失去动力时，可靠24VDC后备电源打开液压储能器实现紧急释放。刹车和驱动部分的应急释放为联动设置。按下紧急释放按钮，PLC发出两个指令：一个使刹车应急脱开电磁阀组S208和S247同时得电动作，利用蓄能器液压油打开刹车；另一个使气动离合器脱开控制电磁阀得电脱开气动离合器，如卷筒受力缆绳会自动放出。进行应急释放前必须确认棘轮处于打开位置。
2.8 恒张力
在驾驶台控制面板上确认棘轮处于脱开位置，液压离合器处于闭合状态，打开刹车，按下缆绳张力按钮，如缆绳张力超过设定值，通过触发比例溢流阀，降低压力，使得卷筒自动放出拖缆，缆绳张力的设定可通过驾驶台控制面板上的手动调节旋钮进行调节。
3 故障原因分析
拖缆机刹车不牢可能有如下几个原因：
（1）刹车压力设置过低。如刹车压力设置过低，刹车带就不能形成有效刹车。当拖缆受力超过刹车带的受力极限时，拖缆将会放出，无法实现刹车功能。刹车压力值可通过压力开关P205设定。
（2）刹车带过度磨损或磨损不均。刹车带过度磨损或磨损不均会造成刹车带与被刹面不能形成良好贴合，导致刹车力下降。
（3）液压油缸或油缸接管泄漏。刹车机构由液压油缸驱动，刹车力最终通过液压油缸内油压实现。如油缸油封不良或油缸所接刹车油管泄漏，就会造成油缸油压降低，无法形成有效刹车。
（4）液压油温度过高。如液压油温度过高，即使刹车时压力高，但随着油温下降，油缸内的压力必然下降，从而导致刹车力下降。液压油高温是由于冷却不良或液压系统异常高压造成的。
（5）单向阀组270g磨损关闭不严。 刹车操作完成后，液压油缸中的油通过270g实现油路闭锁，如刹车方向单向阀关闭不严，就会导致油缸油压下降，造成刹车松动。
（6）液压油脏污。如液压油脏污，将导致270g密封阀面接触不良或油缸油封渗漏，造成油缸油压下降。
（7）刹车保持电磁阀组S248和S249故障。由于泄漏等原因，当液压油缸油压下降到刹车压力开关P205的设定值以下时，蓄能器中的液压油经S248进入刹车合油路保持油缸压力（S249释放刹车脱开油路油压）。如电磁阀卡死、控制继电器故障、电磁阀线圈烧坏或线路接触不良都会导致拖缆机无法进行刹车保持。
（8）蓄能器不能正常充油。刹车油缸的油压保持通过蓄压器内预充液压油实现，如蓄压器油压本身不足，也就无法向刹车油缸补油。
（9）伺服控制油泵停止。蓄能器液压油由伺服控制油泵提供，由于该型拖缆机伺服控制油泵未设置自动程序，在拖缆机使用期间至少要保持一台运行。如伺服控制油泵未开启或意外停止及刹车油缸同时有渗漏情况时，蓄能器不能充油，也就无法进行正常刹车保持。
4 故障原因排查及解决
4.1 故障原因排查
结合该轮拖缆机突然出现刹车初期可刹住，一段时间后刹不住的现象，原因应为刹车液压系统有泄漏及刹车不能保持。
检查刹车压力及刹车带正常，液压管路进回油滤器清洁，说明液压油没有脏污可能，油温及蓄能器压力也正常，伺服控制油泵一直在运转状态。
剎车后，停止伺服控制油泵，分别检查单向阀组270g及其与油缸间液压管路无漏泄，这说明漏泄部位为刹车油缸油封（内部漏泄外部不可见）。轻微松开油缸“刹车”油管，使油缸内油压下降，直到检测刹车压力开关P205处于断开状态，此时检查蓄压器油压未见下降，这说明故障最根本的原因在于刹车油缸的油压降低后蓄能器未能为油缸补油，即刹车保持电磁阀组S248和S249不能正常工作。
4.2 故障解决
开启伺服控制油泵，打开刹车重新合刹车后停泵。拆下压力开关P205的插头，同时在控制箱内检查刹车保持电磁阀组S248和S249的控制继电器都能正常通电工作，这说明PLC与刹车保持有关的输入输出正常；拆下S248和S249的电源插头，测量二者电源信号时发现24V电压都正常，但拆卸时发现S248的插头有松动现象。装复并把紧P205、S248和S249的插头后，从油缸”刹车合”油管处轻微放油，发现S248和S249同时得电动作及蓄能器油压下降，说明刹车保持电磁阀组工作正常向油缸补油。开启伺服控制油泵，进一步观察蓄能器的油压变化，发现其能正常补油。更换刹车油缸油封，故障得到彻底解决。
5 总结
液压系统污染是液压系统失效最主要的原因。轮机人员应按说明书要求，定期更换液压油、主油泵出口设置的高压滤器及液压系统低压回油滤器；工作时保持油温在30～50℃为宜。
为防止拖缆机PLC程序丢失，要及时更换其电池，每五年一次。控制箱内继电器等元件要做好清洁和降温工作，定期检查有无松动情况。拖缆机运转时振动大，其机体上电磁阀线圈及插头接线要经常检查是否牢固。
液压管路及拖缆机液压部件日常要注意泄漏情况和异常噪声，一旦发现，及时查找原因并消除。
