張 祥，陳克鑫，王學(xué)志，閆 澤

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

同步自動離合器，國外稱之為SSS 離合器，是一種通過齒輪元件傳遞功率的全自動型單向超越離合器，該種離合器只依賴兩端轉(zhuǎn)速的變化自動進行接合或脫開，無需任何外部控制。離合器作為理想的離合部件，它的這種特性適用于柴燃交替(CODOG)、燃燃交替(COGOG)以及燃燃聯(lián)合(COGAG)動力傳動裝置中［1－2］。

燃燃聯(lián)合(COGAG)國內(nèi)尚無2 臺同步自動離合器并車運行的使用經(jīng)驗。在理論上，由于“超越”特性，2 臺同步自動離合器在同一轉(zhuǎn)速下似乎不能并車接合，但實際上在國外已有應(yīng)用，例如印度海軍某航母采用4 臺燃氣輪機(LM2500)雙機并車COGAG 推進系統(tǒng)中使用了英國SSS 離合器。這是因為利用了燃機動力渦輪為自由渦輪的特性，在2 臺燃氣輪機需要并車輸出功率的瞬間，第2 臺燃氣輪機動力渦輪的轉(zhuǎn)速會自動“漂升”到接合所需的“超越”轉(zhuǎn)速，從而使該SSS 離合器自動地接合。

在試驗臺上，由于電機是剛性聯(lián)接，當?shù)? 臺電機升速到離合器接合所需的“超越”轉(zhuǎn)速的時候，由于2 臺電機出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速差，第1 臺電機端的離合器將會脫開，無法實現(xiàn)2 臺離合器并車。本文通過電機控制來模擬燃氣輪機，從而實現(xiàn)了2 臺同步自動離合器并車。

1 同步自動離合器工作原理

艦用燃氣輪機端同步自動離合器樣機如圖1所示。主要由四大部件構(gòu)成:即主動件、從動件、中繼滑移件和主滑移件［6］。當主動件轉(zhuǎn)速高于從動件轉(zhuǎn)速時，中繼滑移件在棘輪棘爪和副螺旋齒的作用下，產(chǎn)生軸向滑移運動，中繼齒接合。中繼齒接合后，在主滑移件上產(chǎn)生軸向推力，推動大慣量的主滑移件滑移，使主動件與從動件上的驅(qū)動齒接合，離合器處于接合狀態(tài);當主動件轉(zhuǎn)速低于從動件轉(zhuǎn)速時，由于反扭矩的作用，滑移件產(chǎn)生反向滑移，離合器處于脫開狀態(tài)。

圖1 同步自動離合器樣機Fig.1 Experiment sample of synchro-self-shifting clutches

2 試驗臺簡介

2.1 試驗臺組成

試驗臺的結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。其中2 個電機用來模擬燃氣輪機，2 臺電機為同型號電機，左側(cè)同步自動離合器和右側(cè)同步自動離合器是用來做并車試驗的離合器，二者為同類型同旋向的離合器。

2.2 試驗臺參數(shù)

試驗臺的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗臺參數(shù)Tab.1 Parameter of the test bed

3 電機控制

3.1 電機并車過程

本試驗用電機模擬燃氣輪機，因電機與燃氣輪機特性不同，所以為了實現(xiàn)2 臺離合器的并車，首先必須實現(xiàn)2 臺電機并車，本試驗臺控制系統(tǒng)的并車過程分為以下3 步:

圖2 同步自動離合器并車試驗臺結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Structure collocation of twin-synchro-self-shifting clutches incorporation test bed

1)運行在一電機一測功機模式下，2 臺電機不存在主從關(guān)系。當有并車命令，起動接入電機，接入電機端自動同步離合器處于脫開狀態(tài)。

2)工作電機轉(zhuǎn)速不變，接入電機轉(zhuǎn)速升到工作電機當前轉(zhuǎn)速，控制接入電機工作在力矩控制及轉(zhuǎn)速跟隨工作電機的模式下。

3)給定接入電機轉(zhuǎn)速比工作電機轉(zhuǎn)速高1 r/min，接入電機端同步自動離合器在當前控制模式下，會逐漸接合，并傳遞扭矩。一旦接入端離合器接合，工作電機的輸出扭矩會逐漸轉(zhuǎn)移到接入電機上，直到2 臺電機輸出載荷均衡為止，完成并車工作。此刻，工作電機工作在轉(zhuǎn)速閉環(huán)工作模式下，接入電機工作在力矩控制模式下，接入電機的轉(zhuǎn)速跟隨工作電機轉(zhuǎn)速而變化。

3.2 電機解列過程

解列是并車的逆過程:運行在2 電機并車模式下，2 臺電機工作存在主從關(guān)系，解留電機為主機，解出電機為從機，當有解列命令，設(shè)置功率轉(zhuǎn)移命令，增加解留電機輸出力矩，減少解出電機輸出力矩，直到解出電機幾乎處于空載狀態(tài);停止解出電機并解除主從關(guān)系，2 臺電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差后，解出電機端自動同步離合器脫開，完成解列。

圖3 為2 臺電機并車及解列關(guān)系曲線，其中上半部分為2 臺電機的功率－時間關(guān)系曲線，下半部分為2 臺電機的轉(zhuǎn)速－時間關(guān)系曲線。圖3 中:曲線①和⑥分別為工作電機功率及工作電機轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線②和⑦分別為接入電機功率及接入電機轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線③和⑧分別為2 臺電機并車階段功率及轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線④和⑨分別為解留電機功率及解留電機轉(zhuǎn)速變化曲線;曲線⑤和⑩分別為解出電機功率及解出電機轉(zhuǎn)速變化曲線。

圖3 2 臺電機并車及解列關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between incorporation and noncooperation of the twin-electric-motors

4 離合器并車試驗分析

試驗過程中在同步自動離合器指示環(huán)兩側(cè)安裝位移傳感器，對離合器滑移組件的滑移距離進行測量，將離合器處于完全接合狀態(tài)時的位移標定為位移零點，那么在完全脫開狀態(tài)時的位移極為位移最大點。試驗中設(shè)定電機8 為工作電機和解留電機，電機1 為接入電機和解出電機。

分別在轉(zhuǎn)速為1 231，1 827，2 424，2 731，3 270 r/min 的工況下對離合器進行并車試驗。試驗數(shù)據(jù)如表2所示，2 臺離合器滑移行程曲線如圖4所示，2 臺離合器轉(zhuǎn)速－扭矩關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 2 臺離合器滑移行程曲線Fig.4 Slippage displacement of twin-synchro-self-shifting clutches

圖5 2 臺離合器轉(zhuǎn)速－扭矩關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between rotate speed and torque of the twin-synchro-self-shifting clutches

圖4 中，在不同轉(zhuǎn)速下并車時，離合器滑移組件都能夠迅速產(chǎn)生動作并完全的接合和脫開，運行過程中滑移組件沒有出現(xiàn)往復(fù)振蕩現(xiàn)象，離合器能實現(xiàn)穩(wěn)定運行工作［3－5］。

圖5 中，上半部分為扭矩曲線，下半部分為轉(zhuǎn)速曲線。在試驗初始階段，將右側(cè)同步自動離合器轉(zhuǎn)速升到1 231 r/min，離合器接合，穩(wěn)定運行后，右側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩大概為1 100 Nm 左右，左側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩基本為0，升速左側(cè)同步自動離合器輸入端轉(zhuǎn)速至1 231 r/min，此時右側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩開始下降，左側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩上升。并車穩(wěn)定運行后，右側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩穩(wěn)定在540 Nm左右，幾乎降低為原來的一半，左側(cè)同步自動離合器輸入端扭矩穩(wěn)定在550 Nm 左右。也就是說;左側(cè)同步自動離合器接合，開始傳遞扭矩，工作電機8 的輸出扭矩會逐漸轉(zhuǎn)移到接入電機1 上，直到2臺電機輸出載荷均衡為止，完成2 臺同步自動離合器的并車工作。降速左側(cè)同步自動離合器的轉(zhuǎn)速至停機，增加解留電機8 輸出力矩，減少解出電機1輸出力矩，直到解出電機1 幾乎處于空載狀態(tài)，左側(cè)同步自動離合器脫開，完成2 臺同步自動離合器的解列過程。同樣在轉(zhuǎn)速1 827、2 424、2 731和3 270 r/min 的工況下，2 臺同步自動離合器的并車及解列過程都非常順利平穩(wěn)。

表2 試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The data of the test

5 結(jié) 語

通過對2 臺同步自動離合器的試驗研究可以看出，在不同工況下，為了模擬燃氣輪機特性，通過電機控制，成功實現(xiàn)了2 臺同步自動離合器的并車，離合器動作順暢，滑移位置準確，完成了功率在2臺同步自動離合器之間的轉(zhuǎn)移。并車運行過程中離合器工作穩(wěn)定可靠。本文的研究成果對離合器的發(fā)展及應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

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