操舵系统故障模式分析（FMEA）的设计应用

刘靖峤，刘 健，杨亚男，刘荣忠

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2.沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

操舵系统故障模式分析（FMEA）的设计应用

刘靖峤1，刘 健2，杨亚男2，刘荣忠2

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2.沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

根据操舵系统的功能和相互之间的关系，将操舵系统详细拆分为15个部件层级；通过对各个部件功能和输入输出信号的梳理，绘制操舵系统功能框图，采用各种图例标识操舵系统各个部件逻辑关系；在此基础上将故障模式分为输入和输出2大类，完成操舵系统各系统层级的故障模式分析报告；继而按故障影响严重程度提出改进措施，使之降低到较轻等级；由此总结出操舵系统设计的配置要求和设计中需考虑的系统级关键备件。

故障模式分析；严重度；功能框图；故障影响；设计应用

0 引言

故障模式分析，即潜在失效模式与后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA），是在产品/过程/服务等的策划设计阶段，对构成系统的各子系统、部件及对构成过程、服务的各个程序逐一进行分析，找出潜在的失效模式，分析其可能的后果，评估其风险，从而预先采取措施，减少失效模式的严重程度，降低其可能发生的概率，以有效地提高质量与可靠性，确保顾客满意的系统化活动[1]。FMEA有三种类型，分别是系统FMEA、设计FMEA和工艺FMEA。操舵系统是控制船舶运动方向的系统，是关系船舶安全航行、作业并使船舶具有良好操纵性的在设计中应用重要系统之一，本文采用系统FMEA的方法对操舵系统的设备组成和功能进行科学合理分类，组织开展故障模式和影响分析，分析零部件故障或损坏的一般程度的影响和较高程度的影响，依次来判断对操舵系统的总体影响，总结出船舶操舵系统的设计要求[2]。

1 操舵系统分类及定义

操舵系统系是指将舵令由驾驶室传送至操舵装置动力设备，操舵装置动力设备遵从舵令推动舵叶转动的系统。操舵系统按照功能可以分为操舵机构、控制系统、报警系统、舵角指示系统。

操舵机构通过液压泵站，将电能转换为动能从而带动舵叶转动；操舵机构由操舵执行机构、电动泵站、膨胀油箱、储存油箱和手动泵组成[3]。

控制系统是指通过马达控制箱、操舵控制屏来控制操舵机构的启动、停止和舵叶转动角度和方向；控制系统由马达控制箱、控制系统单元、控制屏、电气控制箱（舵机舱）、非随动操作屏、随动操作手轮和启动、停止和自动运行指示屏组成[4]。

报警系统通过安装在操舵系统中的各种传感器，监控操舵系统的油压、油温、电力供应状态等，及时发现异常并通过声音和灯光信号向操作人员报警；报警系统由各传感器和报警屏组成[4]；

舵角指示系统通过舵角反馈单元将机械舵角转换为电信号，传送并在驾驶室、舵机舱、主机集控室等船上需要的各部位显示。舵角指示系统由舵角反馈单元、舵角放大器、舵角指示器组成[4]。

2 操舵系统各部分功能与相互联系

操舵系统各部分功能与相互联系如下：

1）操舵执行机构

操舵执行机构是操舵系统中舵令的最终执行机构，操舵执行机构通过液压油管与电动泵站连接，接收电动泵站输出的液压能量并将其转换为机械能；通过舵柄与舵杆联接，将机械能输出到舵杆和舵叶，推动舵叶按舵令运行。操舵执行机构的基本构成与液压油缸类似，除密封装置易损坏外，其余均为钢质不易损坏。

2）电动泵站

电动泵站为操舵执行机构提供液压动力源，其通过接收马达控制箱输出的电源和控制信号，转换成液压动力输出至操舵执行机构。电动泵站主要由电动机、油泵、液压油箱、功能阀组、报警传感器等组成，如果没有特殊要求，电动泵站设有缺相、失电、低液位、滤器堵塞、液压锁定、高油温报警。

3）膨胀油箱

膨胀油箱是为操舵执行机构和电动液压泵站进行补油和回收溢油的装置，其通过液压管路与操舵执行机构和电动液压泵站连接，采用重力的方式完成补油和回收溢油。

4）储存油箱

储存油箱是为膨胀油箱补油的装置，其通过液压管路与膨胀油箱连接，采用手动泵向膨胀油箱补油。

5）马达控制箱

马达控制箱为电动泵站、电气控制箱（舵机舱）、报警单元和舵角反馈单元提供电源，同时作为电动泵站的电气控制箱，接收外部电源和液压泵站报警传感器信号并送至舵机报警单元。

6）控制系统单元

控制系统单元是随动操舵的中央处理器，接收操舵指令和实际舵角的反馈信号，自动按照操舵指令控制电动泵站和操舵执行机构，控制系统单元电源来自于电气控制箱（舵机舱），并向泵站指示屏提供电源，接收电气控制箱（舵机舱）、马达控制箱、随动操作手柄、非随动操作手柄（驾驶室）、舵角信号放大器输出的电信号，同时向马达控制箱，泵站指示屏发送电信号。

7）控制屏

控制屏可通过控制系统单元进行泵站选择、操舵方式选择，其由船舶电力系统供电。

8）随动操作手柄

随动操作手柄将操舵指令由机械信号转为电信号并传输给控制系统单元，其由控制屏供电。

9）非随动操作屏

非随动操作屏将操舵指令由机械信号转为电信号并传输给电动泵站上的电磁阀。

10）电气控制箱（舵机舱）

电气控制箱（舵机舱）为控制系统单元提供电源，将操舵指令（包括随动和非随动）由机械信号转为电信号并传输给马达控制箱。

11）泵站运行状态指示屏

泵站运行状态指示屏显示电动泵站的状态；泵站运行状态指示屏接收控制系统单元的电源信号和泵站状态电信号。

12）报警屏

报警屏接收马达控制箱发出的报警信号，并发出声光报警；报警屏由马达控制箱供电。

13）舵角反馈单元

舵角反馈单元将舵叶角度的机械信号转换为电信号并发送至舵角信号放大器，其由马达控制箱供电。

14）舵角信号放大器

舵角信号放大器由船舶电力系统供电，其接收舵角反馈单元发送的舵角电信号并将其发送到舵角指示器和控制系统单元。

15）舵角指示器

舵角指示器由船舶电力系统供电，接收舵角信号放大器电信号并转换为可视机械信号。

3 操舵系统功能框图

由上文可见，操舵系统是一个包括机械、液压、强电和弱电在内的复杂系统，现将操舵系统各部分的传输信号分为机械信号（代号 MS）、液压动力（代号HP）、液压油（代号HO）、电源（代号EP）和电信号（代号ES），以箭头的指示信号的传输方向，得到图1操舵系统功能框图。

4 操舵系统故障模式分析

根据操舵系统的功能要求，首先按照最基本的配置设计操舵系统，即操舵系统各部分采用最低配置，不考虑冗余，得到操舵系统配置如下：

操舵执行机构：1套；电动泵站：1套；膨胀油箱：1套；储存油箱：1套；马达控制箱：1套；控制系统单元：1套；控制屏：1套；随动操作手柄：1套；非随动操作屏：1套；电气控制箱（舵机舱）：1套；泵站运行状态指示屏：1套；报警屏：1套；舵角反馈单元：1套；舵角信号放大器：1套；舵角指示器：1套；船舶系统供电：1路。

故障模式和影响分析报告表如表1所示。

图1 操舵系统功能框图[5]

表1 故障模式和影响分析报告表[5]

续表1（I）

5 结论

根据操舵系统故障模式分析报告，可以在操舵系统设计中进行如下改进：

1）操舵系统中电动泵站、马达控制箱是关键部件，必须设有备用电动泵站和马达控制箱，建议每套操舵系统设有2套电动泵站和马达控制箱，正常工作时使用1套电动泵站和马达控制箱，另1套备用。

2）操舵系统中报警屏、舵角反馈单元、舵角信号放大器、舵角指示器，虽然失效后不会引起灾难性后果，但给操作带来危险和危险，而且增加人工劳力，建议每套操舵系统中上述部件至少2套。

3）此外，操舵系统的系统级备件必须有操舵执行机构密封、液压管和液压管接头。

综上所述，FMEA在船舶系统设计中的应用可以有效的提高系统的安全性和可靠性，FMEA报告也逐渐被列入各船级社设计图纸送审目录中，FMEA值得船舶设计人员在系统设计中重点借鉴和应用。

[1]Lloyd’s Register.Lloyd’s Register Rules and Regulations for the Classification of Naval Ship[S],2011.

[2]崔文彬,魏一.船舶安全评估使用 FMEA 方法的分析及改进[J].航海技术,2006(5):50-51.

[3]费千.船舶辅机[M].大连:大连海事大学出版社,2005.

[4]赵殿礼.船舶辅机电气控制系统[M].大连:大连海事大学出版社,2003.

[5]MSIS 011/Annex 4.Procedures for Failure Mode Effects Analysis[R/OL].https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/292225/msis34_annex_4_2008_itos_rev1.01.pdf.

Application of FMEA on the Steering System Design

LIU Jing-qiao1,LIU Jian2,YANG Ya-nan2,LIU Rong-zhong2
(1.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China; 2.Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)

The steering system is divided into 15 parts according to its function and relationship between each other.After analyzing the function and the input/output signal of each part,the function block diagram is drawn using different signs for describing the interface between the parts.The failure mode of steering system is then divided into input and output types based on above work.According to the degree of the influence caused by the part failure,the corrective action is introduced to reduce the degree of its influence.On basis of the above work,the conclusion of the design requirement of the steering system is drawn and the key spares which need to be considered carefully during the design work are listed.

failure mode analysis; severity class; block diagram; failure effect; design application

U672

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.014

刘靖峤（1972-），男，高级工程师，长期从事船舶舾装设计工作。