陳 利 陳嬌紅 馬 駿 安海陽

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

SSS離合器動力學特性簡介

陳 利 陳嬌紅 馬 駿 安海陽

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章詳細介紹了 SSS 離合器的基本結構及其工作原理， 介紹了傳統(tǒng)上對帶齒輪聯(lián)軸器的耦合軸系進行動力學分析時采用的兩種方法——單軸分析法與整體分析法， 同時分析了兩種傳統(tǒng)方法的不足， 并從工程實用的角度出發(fā)， 將 SSS離合器內嚙合齒輪簡化等效為六個剛度和阻尼系數(shù)， 最后根據(jù) SSS 離合器的工作原理提出將其應用到熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組上具有極大的優(yōu)越性。

SSS 離合器； 齒輪聯(lián)軸器； 動力學特性； 熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組

0 引言

同步自換檔 （synchro-self-shifting) 離合器簡稱 SSS 離合器， 是由英國人發(fā)明的， 最早應用于海軍軍艦上，以解決在正常航行和戰(zhàn)斗時需要切換航速的問題，現(xiàn)在則廣泛應用于工業(yè)汽輪機、燃氣輪機等動力裝置中。在汽輪機行業(yè)，自動同步離合器多用于燃氣輪機發(fā)電裝置中作調相離合器使用， 國際上知名的 SSS 離合器生產(chǎn)企業(yè)有英國 SSS 離合器公司、 瑞士 MAAG、 德國 RENK 等公司。

SSS 離合器是一種依靠自身機構的作用， 無需借助人工或其它輔助動力設備完全自動地實現(xiàn)嚙合或脫離嚙合，從而使動力輸入設備與輸出設備連接起來或分離開來的設備，由于它的結構簡單，不帶輔助設備并且工作可靠，被廣泛地用于旋轉機械的連接中。

1 SSS離合器的工作原理

SSS 離合器是純機械的裝置， 其所實現(xiàn)的功能概括起來就是：當輸入軸的轉速傾向超過輸出軸時，離合器嚙合，輸出軸被驅動；當輸入軸轉速傾向相對于輸出軸減少時，產(chǎn)生反向力矩，離合器脫開。東方與三菱合作生產(chǎn)的某燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中使用了 SSS 離合器 （如圖1 所示），根據(jù)需要它將蒸汽輪機組的低壓轉子與高中壓轉子相連接或斷開。 當離合器輸入側 （汽輪機低壓轉子） 轉速傾向超過離合器輸出側 （汽輪機高中壓轉子）轉速時，離合器將自動嚙合，以連接汽輪機低壓轉子與高中壓轉子；當離合器輸入側轉速相對于輸出側變慢時，離合器將自動分離，以斷開汽輪機低壓轉子。

圖1 SSS 離合器實物圖

SSS 離合器嚙合狀態(tài)下就是一齒輪聯(lián)軸器， 作為旋轉軸系的重要組成部分，不僅起到連接兩根旋轉轉子，傳遞扭矩的作用，而且還可以補償轉子間的徑向位移、轉角位移和軸向位移，與其它類型聯(lián)軸器相比，具有體積小、傳遞扭矩大等特點。 SSS 離合器由四個主要子組件組成： 一個輸入組件，一個繼動螺旋滑動組件，一個主螺旋滑動組件，一個輸出組件，如圖2所示。

圖2 SSS 離合器的子組件與主要零部件

SSS 離合器的嚙合過程如圖3～圖5 所示。 在SSS 離合器中螺旋滑動部件是核心零部件， 其工作原理與旋在螺栓上的螺母相似，而輸入軸則與螺栓的作用大致相同。輸入軸上具有與螺栓螺紋相似的螺旋鍵槽，而螺旋滑動部件則具有與螺母螺紋相似的螺旋鍵槽，滑動部件一端具有外部離合器齒， 另一端具有外部棘輪齒 （見圖3）。 當輸入軸旋轉時，在摩擦力的作用下螺旋滑動部件隨輸入軸一起旋轉，直至棘輪齒觸及輸出離合器環(huán)上的棘爪，當輸入軸的轉速大于輸出離合器環(huán)的轉速時，在棘輪與棘爪的嚙合作用力下，螺旋滑動部件與輸出離合器相對靜止，而與輸入軸相對旋轉，同時將離合器驅動齒和從動齒對中。當輸入軸繼續(xù)旋轉時，滑動部件將相對于輸入軸軸向移動，從而將離合器驅動齒和從動齒平穩(wěn)帶到嚙合（如圖4 所示）。

圖3 已分離的離合器

圖4 離合器嚙合行程（棘爪已卸載）

圖5 離合器嚙合及對中

在離合器嚙合與脫開過程中，棘爪承受的唯一載荷就是沿螺旋鍵槽旋轉重量輕的滑動部件所需要的作用力。嚙合過程中當滑動部件沿輸入軸軸向移動時，離合器的驅動齒與從動齒相嚙合后棘爪脫離與棘輪的接觸，由離合器齒推動滑動部件旋轉 （如圖4 所示）， 只有當滑動部件在接觸到輸入軸上的終端制動器 （離合器齒完全嚙合且棘爪已卸載）而完成其行程后，才會傳遞來自輸入軸的驅動轉矩 （如圖5 所示）。 與螺母擰到螺栓頭底部時不會產(chǎn)生外部推力一樣， SSS 離合器的滑動部件到達終端制動器后離合器傳遞驅動轉矩時，螺旋鍵槽也不會產(chǎn)生軸向推力載荷。

當輸入軸的轉速相對于輸出軸降低時，離合器齒上的作用力將反向，螺旋滑動部件將沿輸入軸反向旋轉恢復到離合器的分離位置。

2 齒輪聯(lián)軸器的動力學特性介紹

在通過 SSS 離合器連接的轉子軸系中， 兩根轉子通過離合器中的內嚙合齒輪緊密地連接在一起，某一轉子—軸承系統(tǒng)動力學性能的改變，通過齒輪的耦合作用，必將影響另一轉子—軸承系統(tǒng)的動力學性能，因此這種軸系既保留了單個轉子—軸承系統(tǒng)的某些動力學特性，又具有齒輪傳動所引起的一些新特征。傳統(tǒng)上對軸承—轉子—齒輪聯(lián)軸器的耦合軸系進行動力學分析和計算時一般采取兩種方法。

（1） 單軸分析法： 在齒輪聯(lián)軸器處將轉子軸系斷開，對兩邊軸系分別進行分析、計算。這種方法在聯(lián)軸器斷開時與實際工況比較一致，但在聯(lián)軸器嚙合工況下使用單軸分析法一方面會使得軸系的動力學計算結果產(chǎn)生偏差，另一方面可能會丟失許多重要的軸系模態(tài)信息。如果按單軸分析法計算，則聯(lián)軸器兩側轉子各為一外伸端轉子結構，此時完全忽略了聯(lián)軸器對兩側軸系的耦合作用，用單個轉子的失穩(wěn)轉速來代替整體軸系的失穩(wěn)轉速，計算結果偏于保守。原因有以下三點：

a） 兩個單轉子—軸承系統(tǒng)通過齒輪耦合后，其動力學特性將產(chǎn)生較大變化，例如一個轉子的不平衡質量將在兩根轉子上同時激起不平衡響應。

b） 齒輪耦合將使軸系產(chǎn)生新的臨界轉速， 耦合軸系的臨界轉速數(shù)量大于各個單轉子—軸承系統(tǒng)臨界轉速數(shù)量之和，所以耦合軸系的臨界轉速比較密集，只有合理地選擇軸系參數(shù)，才能使軸系的臨界轉速避開工作轉速。

c） 齒輪耦合將產(chǎn)生新的固有頻率， 耦合軸系一方面保留了非耦合軸系的某些特征，另一方面也將派生出新的固有振動特性。

（2） 整體分析法： 將由齒輪聯(lián)軸器連接后的整個系統(tǒng)看成一個多跨的多圓盤軸系，將其中的齒輪聯(lián)軸器用一等效的軸段 （即等效軸法） 來代替，而對其在整個軸系中的耦合作用給予忽略。文獻 ［1］ 通過理論計算得到某軸系使用整體分析法時其失穩(wěn)轉速出現(xiàn)了高達 12%以上的偏差， 其原因是因為軸系的失穩(wěn)轉速主要受軸承的阻尼和剛度的影響，等效軸法在處理齒輪聯(lián)軸器時將其看成一個剛性的結點，這樣處理使得軸承的負荷分配發(fā)生了變化，從而影響了軸承的動態(tài)特性，進而導致軸系失穩(wěn)轉速的偏差。

在上述兩種分析方法中，單軸分析法完全忽略了齒輪聯(lián)軸器相互耦合的影響，而整體分析法則相當于給軸系增加了一個約束，兩種方法都不能準確地描述齒輪聯(lián)軸器耦合狀態(tài)下的動力學特性，因此合理地建立耦合齒輪聯(lián)軸器的動力學等效模型，是進行軸承—轉子—齒輪聯(lián)軸器動力學模態(tài)分析的關鍵所在。

3 齒輪聯(lián)軸器的力學模型

為了揭示帶 SSS 離合器軸系的動力學行為，就必須建立一個符合實際軸系的動力學模型，離合器兩端轉子的動力學模型簡化在現(xiàn)階段的工程計算中已非常成熟，只有離合器本身由于受各種因素的限制，動力學模型不可能與實際系統(tǒng)完全一致。本節(jié)從工程實用的角度出發(fā)，在以下假設成立的情況下分析了離合器的力學模型。

（1） 將離合器簡化為一內嚙合齒輪聯(lián)軸器，每個齒面接觸且不脫開，不計齒形及齒節(jié)等誤差。

（2） 每個輪齒的載荷力相同。

（3） 小擾動工況下半齒輪聯(lián)軸器的剛度系數(shù)在穩(wěn)態(tài)下為線性。

（4） 阻尼用等效粘性系數(shù)來模化。

內嚙合齒輪上的受力是比較復雜的，對于外齒輪而言，除了與聯(lián)軸器連接的軸段對其的作用力外，還有內齒套對外齒輪的作用力。轉子系統(tǒng)在運動過程中，內外齒輪之間要發(fā)生相對運動，由于齒面間存在變形和摩擦，因此在外齒輪的齒面上會產(chǎn)生與齒面垂直的正壓力 Ni和與齒面相切的摩擦力 Fi（如圖6 所示）。 如果將各齒面上的作用力分別向外齒輪的中心O簡化可以得到作用于O點的一個力和一個力偶，并將該力和力偶分別分解到三個軸上， 得到三個分力 Fζ、 Fη、 FZ， 三個力偶矩 Mζ、 Mη、 MZ， 如圖6 所示。

圖6 齒輪聯(lián)軸器外齒上的受力分析

對于直齒聯(lián)軸器， 由于沿 Z方向的軸向力 FZ較小，故將其忽略，將上述的力和力偶矩分別在穩(wěn)態(tài)下進行線性化，則可得：

其中， Fζ0， Fη0， Mζ0， Mη0， MZ0分別為在穩(wěn)態(tài)下內齒輪作用在外齒輪上的作用力和力偶； △Fζ，△Fη， △Mζ， △Mη， △MZ分別為相應的動態(tài)力和動態(tài)力偶矩。在理想狀態(tài)下：

式中，T為聯(lián)軸器所傳遞的扭矩。

根據(jù)前面的假設，將內外齒輪間的動態(tài)力和動態(tài)力偶用半齒輪聯(lián)軸器的等效剛度和阻尼系數(shù)來表示，則可得：

式中， kζ， kη分別為齒輪聯(lián)軸器沿 ζ， η 軸的橫向剛度系數(shù)； kε， kδ分別為齒輪聯(lián)軸器繞 ζ， η軸的轉角剛度系數(shù)； kt為齒輪聯(lián)軸器繞 Z 軸的扭轉剛度系數(shù)； cζ， cη分別為齒輪聯(lián)軸器沿 ζ， η 軸的橫向阻尼系數(shù)； cε， cδ分別為齒輪聯(lián)軸器繞 ζ， η軸的轉角阻尼系數(shù)； ct為齒輪聯(lián)軸器繞 Z 軸的扭轉阻尼系數(shù)； △ζ， △η， △ε， △?， △θ分別為齒輪聯(lián)軸器內外齒輪中心處的相對橫向位移、轉角位移和扭轉角位移；分別為齒輪聯(lián)軸器內外齒輪中心處的相對橫向速度、角速度和扭轉角速度。

在上述的剛度和阻尼系數(shù)中，如果齒輪聯(lián)軸器對中良好， 沿ζ， η兩個方向的力學行為基本相同，則齒輪聯(lián)軸器的剛度和阻尼可簡化為六個系數(shù)， 并用 k1， ka統(tǒng)一表示為橫向剛度系數(shù)和轉角剛度系數(shù)； c1， ca則分別表示為橫向阻尼系數(shù)和轉角阻尼系數(shù)。

SSS 離合器作為整個軸系的一部分， 工作狀態(tài)下由一對齒數(shù)相等內外齒相嚙合的齒輪以及相應的軸段組成，在軸系動力學計算過程中，將整個軸系劃分成n個軸段和 n個結點， 在第j個結點處存在一個齒輪聯(lián)軸器系統(tǒng)，如圖7所示。聯(lián)軸器嚙合狀態(tài)下將外齒輪和內齒輪看作一個當量圓盤，將內外齒輪的質量和轉動慣量分別等效到相應的結點上，齒輪嚙合處的力學模型由六個剛度和阻尼系數(shù)給出。在滿足小擾動假設并且不計軸向運動的情況下， 圓盤的運動可用其中心的位移 （xj，yj） 和相應的偏轉角 （φj， ψj， θj） 來表示， 其中三個偏轉角的意義如圖8所示。

圖7 轉子—齒輪聯(lián)軸器簡化模型

圖8 坐標變換值

文獻 ［2］ 中將 CL 型半齒輪聯(lián)軸器等效為一當量圓盤，并根據(jù)圓盤中心的位移參數(shù)與偏轉角參數(shù)列出了整個軸系的運動方程，然后解方程得到了整個軸系的模態(tài)參數(shù)理論計算值。本文由于SSS 離合器嚙合齒輪參數(shù)的缺失不推導帶離合器軸系的運動方程。

4 SSS離合器的應用

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組以其能源的高利用率得到了長足的發(fā)展，東方現(xiàn)在已經(jīng)為用戶提供了 135MW、 200MW、 300MW、600MW 功率等級的一系列供熱汽輪機組。

供熱汽輪機組在抽氣量達到最大時，低壓缸的進氣量減小到最小，部分機組的低壓葉片將進入到鼓風狀態(tài)，鼓風工況不僅會導致葉片振動甚至損壞，而且鼓風工況下汽輪機葉片將做負功，負功使得蒸汽焓值升高，焓值的升高導致汽流溫度上升，進而引起壓力升高，蒸汽容積流量隨之減少，進一步加劇了低壓葉片的鼓風工況，從而引起低壓缸部件和低壓葉片的溫度急劇上升，甚至過熱。小容積流量還會在葉片和汽缸流道內形成渦流，引起葉片振動，這些都會影響機組的安全運行。

傳統(tǒng)供熱機組為了防止低壓缸部件和低壓葉片產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，機組在抽汽供熱的同時低壓通流部分必須保證有一定的冷卻蒸汽流量通過，即最小冷卻流量， 其通常為設計工況流量的 10%左右，該部分蒸汽并未參加做功或供熱，熱量完全損失掉了。 如能將 SSS 離合器應用于熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組，在機組供熱的工況下將低壓轉子從旋轉軸系中脫離開來，由高中壓轉子帶動發(fā)電機組，中壓排汽全部供熱，則能夠有效地提高蒸汽熱量的利用率。

5 結論

（1） 本文首先詳細介紹了 SSS 離合器的基本結構及其工作原理， 指出 SSS 離合器工作狀態(tài)下就是一內嚙合齒輪聯(lián)軸器。

（2） 介紹了傳統(tǒng)上對軸承—轉子—齒輪聯(lián)軸器耦合軸系進行動力學分析和計算時采用的兩種方法——單軸分析法與整體分析法，指出了兩種傳統(tǒng)分析計算方法的不足。

（3） 從工程實用的角度出發(fā)， 在一系列假設的前提下分析了直齒聯(lián)軸器嚙合狀態(tài)下輪齒的受力情況，將嚙合齒輪的力學模型簡化等效為六個剛度和阻尼系數(shù)。

（4） 分析了將 SSS 離合器應用到熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組上的優(yōu)越性。如在熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機組的中低壓轉子間使用 SSS 離合器， 則在機組供熱時可有效地提高能源的利用率。

[1] 李明,虞烈,沈潤杰.齒輪聯(lián)軸器對軸承-轉子系統(tǒng)失穩(wěn)轉速的影響[J]. 發(fā)電設備,2000(3):26-28

[2] 李明. 軸承-轉子-齒輪聯(lián)軸器耦合系統(tǒng)的動力學研究[D].西安:西安交通大學,1999

[3] 劉景呈.SSS 離合器使用說明書.2011.6

SSS Clutch Dynam ic Characteristics Introduction

Chen Li， Chen Jiaohong， Ma Jun， An Haiyang
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduces the basic structure and working principle of the SSS clutch.It introduces two traditionalmethodssingle axis analysis and the overall analysis.The twomethods are used to analyze dynamic characteristics on the shaft coupling with a gear coupling analysis.It also analyzes the deficiencies of two traditionalmethods.From the practical engineering point of view, the SSS clutch inner mesh gear is simp lified and equivalent to six stiffness and damping coefficients.According to the working principle of SSS clutch,it is great superiority to apply it to cogeneration steam turbine unit.

SSS clutch,gear coupling,dynamic characteristics,cogeneration steam turbine unit

陳利 （1983-）， 男， 湖北當陽人， 畢業(yè)于西安交通大學機械設計專業(yè)， 現(xiàn)主要從事汽輪機轉子軸承設計工作。