导读
本文针对齿轮箱在二级合排( 简称“硬合排”)过程中出现合排失败故障现象，结合齿轮箱的三大系统合排环节( 反馈、控制和执行) 及工作原理，展开分析讨论，并利用排除法和短接法对老旧船舶的相关故障提供便捷的解决思路，以供同行参考。
一、齿轮箱工作原理简介
某船舶为救助船舶建于2004年，是我国首艘6000kW 双动力海上救助船舶，该船配备双机双桨，主机型号MAN B＆W 7L32 /40。
每台主机装配1台 GMCK750 齿轮箱( 生产厂家为 FLENDER，生产日期为 2003年3月) ，额定输入转速 750r/min，额定输入扭矩 42781N·m，减速比 4.091∶ 1。
齿轮箱离合器正常操作是在驾驶台或集控室通过主机推进控制系统 Alphatronic 2000 在其控制面板输入指令，通过与齿轮箱执行机构设置的一套综合的逻辑与控制回路实现远距离操纵离合器的啮合与脱开; 机旁控制箱设有操纵部位转换钥匙( S10) 即“手动”位和“自动”位，在正常情况下转换钥匙在“自动”位允许驾驶台或集控室遥控，当这两处遥控系统均出现故障的应急情况下，轮机员必须在机旁将转换钥匙扳到“手动”位来完成离合器的啮合与脱开控制。
如果齿轮箱( 离合器) 控制系统出现故障则可以通过电磁阀的手动操作实现离合器的紧急啮合。
该型齿轮箱装备有主离合器( K1) ，为多片摩擦液压离合器，该离合器的合排程序分为两个过程，第一过程为软合排，由 2 号油路控制; 第二个程序为硬合排，由 1 号油路控制( 见图1) 。
图1 齿轮箱液压控制原理
当齿轮箱在“自动”位且满足合排条件，输入合排指令，合排程序开始执行软合排，通过减压阀作用后的 2 号油路的油压为，在液压阀 Y676 通电作用下，液压油经过该阀的右侧，再经过液压阀 Y677 的左侧注入到离合器片上，顶着离合器片进行软合排。
当压力开关传感器 S920 检测油压高于 0.4MPa 时把信号传递给控制箱的 PLC 和延时继电器，经过一段延时后，液压阀 Y676 失电，1 号油路 2.5 MPa高压油通过液压阀的左侧注入到离合器片上，促使离合器片完成硬合排动作。
图2 齿轮箱液压控制时序
在这2个过程中 (见图2) ，只有当离合器在注油时间(T1) 充满油且压力建立起来，当压力达到 0.4 MPa 以上，压力开关S920 动作，在标定注油时间(T2) 内油压升到 0.6MPa 导向油压，软合排完成。
当软合排保持时间(T3) 结束时，2.5 MPa 的压力油直接进入主离合器，使得离合器的啮合更可靠，当压力超过 2.2 MPa时，压力开关 S906 动作，并把压力信号传递给相关的控制继电器和 PLC，如果在执行合排过程中出现油压低压时，液压阀 Y677 右侧得电，离合器卸油并实行自动脱排动作。
二、 故障现象
2019年08月17日0900 时备车离开南海救助局阳江基地靠“华西 5000”驳船送备件，当时海况一般，风力 4 级，轻浪。
在备车过程中，按下右主机合排操作指令后，大约 30 s 离合器自动脱开，主机控制面板发出合排失败警报，检查右齿轮箱备用油泵出口油压和润滑压力及先导油压均正常，报警复位后主管人员先后在集控室和机旁进行合排操作均失败。
为保证工作任务采取以下应急措施:
检查螺旋桨螺距在零位，发动机转速在离合器啮合的允许范围内，齿轮箱各油压正常。
首先用顶针强制推动齿轮箱上部方向控制阀 676 阀芯( 软合排) 然后压合排/脱排电磁阀( 677) 阀芯合排 15～20 s 后释放676阀芯完成合排操作，并检查齿轮箱各项参数，均在正常范围内。
三、故障分析
根据上面工作的原理分析可知，故障主要存在以下 3 个环节:
反馈环节、控制环节和执行环节。
反馈环节主要存在于压力开关传感器及其线路，控制环节主要存在于延时继电器和中间继电器以及 PLC输入输出端，执行环节主要存在于电磁液压阀及相关线路。
1、压力开关传感器损坏及其线路虚接
根据前面的原理分析可知，压力开关传感器( S920、S915、S906) 作为反馈信号输入到 PLC 控制系统，如果反馈信号出问题，必然会导致合排失败。
反馈信号主要是由压力传感器产生开关量信号，再通过信号线传给控制箱的相关控制单元。
该船舶年限已久，线路已出现老化现象，其次齿轮箱振动较为严重，这些压力开关传感器都在齿轮箱本体上，齿轮箱的控制箱和推进控制系统箱都安装在集控室，因此到齿轮箱的线路距离较远，很有可能出现线路虚接或者信号线受到干扰，影响控制系统的信号接收;
压力开关传感器本身存在故障，根据压力传感器的工作原理，当被测压力超过额定值时，弹性元件的自由端产生位移，直接或经过比较后推动开关元件，改变开关元件的通断状态，达到控制被测压力的目的。
因此如果压力开关传感器的检测机构出问题或者输出电路故障，也会影响传感器的信号输出。
2、电磁液压阀损坏或与其相连的中间延时继电器故障
图3 电磁液压阀控制电气图
图4 齿轮箱局部控制系统
根据系统工作过程( 见图 3、4) 可知，每个电磁液压阀额定工作电压为 24 VDC，都是通过中间继电器直接控制的。
如果这 2 个部分的其中一个出问题必然会导致硬合排的高压油无法到达离合器片，影响离合器的硬合排。
当离合器软合排完成后，时间继电器 K550 延时动作完成，K676a 失电; K676 电磁阀在弹簧力作用下归位，Y677a 得电，676 阀通道AP 联通，2.5MPa的压力油由主油路直接进入主离合器。
当压力达到2.2MPa 以上时，压力开关 S906动作，K515 和 K515 /1 得电; K515 的辅助触头确保电磁阀Y676a失电，K515 /1 的辅助触点输入 PLC，表示离合器硬合拍完成。
如果中间继电器或者时间继电器出现故障，必然会影响电磁阀得电。
四、故障排查及解决
1、故障排查
(1) 排除电磁液压阀故障的可能。
为了避免故障范围的扩大，在停机状态下，启动齿轮箱备用泵改成手动操作模式进行合排动作( 根据合排顺序强制对电磁液压通电)。
如果手动合排成功可以排除终端元件( 电磁液压阀) 故障的可能，可以节省一系列的测量和更换电磁液压阀时间。
通过手动合排以后，发现主离合器偶尔会出现自动脱排的异象。
用万用表测量发现负责离合器脱排的中间继电器K676b 处于得电状态，由此可以排除电磁液压阀故障的可能。
(2) 排除用于控制电磁液压阀动作的相关继电器故障的可能。
中间继电器属于插拔式，方便更换，根据图纸更换相关的中间继电器和时间继电器，并按要求调整动作时间。
与此同时对相关线路进行紧固以后，重复上面手动操作，并测量合排动作过程中各继电器动作情况。
观察以上继电器均处于正常工作状态，可依然会出现自动脱排现象，由此可以排除相关继电器故障的可能。
(3) 排除压力开关传感器线路故障的可能。根据图纸可知，S906传感器检测压力为 2.2 MPa，负责硬合排后的压力监测，用于脱排; S915 传感器的检测压力为0.6 MPa，负责即将硬合排的压力监测;S920 传感器的检测压力为 0.4 MPa，用于负责软合排后的低压脱排监测( 见图5) 。
图5 齿轮箱压力开关传感器实物
在停车状态，开启齿轮箱滑油备用泵，在手动模式下分别给离合器进行软合排后，用万用表在控制箱端测量各元件的开关信号状态，都处于正常状态，说明压力开关传感器的信号传输正常，排除压力开关传感器线路故障的可能。
2、故障定位及解决
排除上述可能的故障，大致定位故障为压力开关传感器本体。
为方便起见，在停车状态开启齿轮箱滑油备用泵，在手动模式下分别给离合器进行合排操作后，通过用万用表测量上诉 3 个传感器开关信号，发现3个传感器在离合器软、硬合排过程都是处于正常的状态。
以上的测量现象迷惑了修理人员对故障的判断，然而根据经验可推测，因为主机没有在运行，船舶在抛锚状态，齿轮箱也未受航行过程振动的影响，现在船舶处于平静状态，传感器可能就不会受振动干扰。
为了确定这一推测，决定从传感器端进行短接，模拟传感器的正常输出信号，然后观察在离合器合排后是否会出现自动脱排现象。
根据故障现象可知，当合排完成以后，齿轮箱直接全部脱开，并非只脱开硬合排阶段，保留软合排阶段，初步判断 S920传感器故障。
如果该传感器在合排后，其开关信号处于闭合状态，当某一时刻受船舶振动影响，其闭合状态突然脱开，齿轮箱随之立刻全部脱开。
当开关信号恢复闭合状态，齿轮箱又自动开始合排动作。
于是对 S920 传感器进行短接，并进行反复手动或集控室自动合排操作，在操作过程中未出现自动脱排现象。
为更加明确是受船舶振动影响，决定备车测试，备好主机后，在短接的情况下采取集控室的自动合排操作，齿轮箱顺利完成合排动作，期间未出现脱排现象，观察各参数正常。
由此确定该传感器内部弹簧机构老化，船舶振动导致触点脱开。
因为船舶无此备件，无法及时更换，暂时对该传感器进行短接处理。
等备件上来后更换新的压力开关传感器，并调整动作压力，经过几个月的使用观察，未发现异常脱排现象。
五、总 结
齿轮箱作为船舶安全航行的动力保障，其结构精密复杂，需要管理人员具有一定的技术能力和故障应急的处理能力，例如在船舶没有备件的情况下，采用短接的形式促使齿轮箱正常运行，不耽误船舶海上的工程作业。
在维修过程中，做到先易后难，并结合船舶的自身状况，采用传统和高效工作经验相结合的处理方法，例如该船舶出现缺少备件的情况下，无法采用替代法来解决故障，这就需要管理人员变换思维，采用高效的短接方法来排除故障原因。
对于简单易更换备件的情况，可以直接更换备件，如此船在排除控制箱电气的故障时，快速排除问题。
最后，在利用传统的测量排除故障法时，要注意船舶的环境对器件的影响，如该船舶在抛锚过程中振动相对减少，并利用传统的测量方法无法判断故障，此时要结合个人经验充分考虑船舶的振动影响因素，采用短接的方法间接排除此故障。
对于年限较久的船舶，可优先考虑元器件老化和线路老化的问题，一般程序性的控制模块是不容易出问题的，这样可以大大减小故障的排除范围，为故障分析处理提供便捷的通道，为高效快速解决问题提供保障。
本文原创作者系：
交通运输部北海救助局 汤广彦
联系客服
