呂和生 程向東 楊海師 余業(yè)亮 杜昌烈 李 軍（重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶，402263）

目前，在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，出于可靠性、節(jié)能、降低設(shè)備成本、獲得更多空間等因素的考慮，多機(jī)單槳且具有輔佐動(dòng)力輸入/輸出（PTI/PTO）動(dòng)力系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用，對(duì)相匹配的齒輪箱提出了更高的要求，多離合器同時(shí)工作較為普遍，這在本質(zhì)上有別于常規(guī)的具有接脫排、正倒車功能的齒輪箱。為此，需要開展新型船用齒輪箱多濕式摩擦片離合器的控制系統(tǒng)研究，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 常規(guī)離合器控制系統(tǒng)

圖1給出了船用齒輪箱濕式多片摩擦離合器實(shí)體模型，主要由齒輪軸、摩擦片座、對(duì)偶片、摩擦片、離合器齒輪、活塞等組成［1］。

圖2為可逆轉(zhuǎn)齒輪箱的常規(guī)油路控制系統(tǒng)［2－4］，包括主泵、安全閥、止回閥、過濾器、操縱閥、二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥、速泄閥、正車離合器、倒車離合器等。

圖1 濕式多片摩擦離合器實(shí)體模型Fig.1 Solid model of wet multi－disc fricton clutch

圖2 常規(guī)離合器控制油路系統(tǒng)Fig.2 Oil circuit control system of conventional clutch

為傳遞較大扭矩，油路控制系統(tǒng)提供匹配的離合器工作油以滿足扭矩傳遞需要。齒輪箱工作時(shí)，先啟動(dòng)主泵，空車工況下，整個(gè)油路壓力為低壓狀態(tài)，一般不超過0.4MPa；正車離合器接排時(shí)，控制操縱閥，工作油進(jìn)入離合器油缸，同時(shí)進(jìn)入二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥增壓活塞，工作油開始增壓，逐步增加到2 MPa，以推動(dòng)離合器活塞，壓緊離合器摩擦片和對(duì)偶片，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的可靠傳遞。離合器脫排時(shí)，操縱閥切換到空車狀態(tài)，離合器不再進(jìn)工作油，此時(shí)速泄閥自動(dòng)開啟，離合器油缸內(nèi)的殘余工作油快速流回油池，實(shí)現(xiàn)離合器脫排。齒輪箱倒車時(shí)，倒車離合器接排，其原理過程與正車離合器接排過程相同。在常規(guī)離合器控制油路系統(tǒng)中，通過操縱閥，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)離合器接排工作，但無法獲得數(shù)量兩個(gè)及以上離合器同時(shí)工作工況，不能滿足如雙機(jī)并車系統(tǒng)中的主機(jī)1與主機(jī)2同時(shí)工作以及主機(jī)離合器和PTO離合器的同時(shí)工作等。

為滿足離合器平穩(wěn)接排要求，在結(jié)合初期，工作油壓力較低，上升較為緩慢，離合器光片和對(duì)偶片存在相對(duì)滑動(dòng)，以帶動(dòng)推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速上升，離合器光片和對(duì)偶片轉(zhuǎn)速一致時(shí)相對(duì)滑動(dòng)結(jié)束，離合器接排完成，為滿足傳扭高轉(zhuǎn)速下的大扭矩，接排完成后，離合器的油壓快速上升到高壓。離合器接排曲線如圖3所示。

圖3 離合器接排過程工作油壓曲線Fig.3 Working oil pressure curve of clutch in engagement

2 多離合器控制油路系統(tǒng)

為滿足多離合器同時(shí)工作，比如主傳動(dòng)離合器、軸發(fā)PTO離合器和消防水泵離合器同時(shí)工作，以常規(guī)離合器控制油路系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出多離合器控制油路系統(tǒng)，如圖4所示［4］。

圖4 多離合器控制油路系統(tǒng)Fig.4 Oil circuit control system of multi－disc clutch

圖4中，每個(gè)離合器都通過對(duì)應(yīng)的單獨(dú)油泵、二級(jí)壓力調(diào)壓閥和操縱閥進(jìn)行控制。從離合器控制上可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)離合器的同時(shí)工作，但在實(shí)際布置中，由于船舶機(jī)艙空間一般都非常緊張，齒輪箱要布置這么多的外掛件以及管系非常困難，外觀也很差。另外，對(duì)機(jī)帶油泵來講，多機(jī)帶油泵的驅(qū)動(dòng)幾乎不可能，根據(jù)可靠性需要，機(jī)艙還要布置對(duì)應(yīng)的電動(dòng)泵組，機(jī)艙布置及其控制非常困難。所以圖4所示的系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 新型多離合器控制油路系統(tǒng)Fig.5 Oil circuit control system of new type multi－disc clutch

在新型系統(tǒng)中，二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥反饋增壓油路設(shè)置在操縱閥前，即主泵啟動(dòng)之后，控制油直接進(jìn)入二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥，壓力迅速建立到2MPa，為離合器接排做好了油壓準(zhǔn)備。對(duì)于已經(jīng)是高壓的油壓系統(tǒng)，一個(gè)油路系統(tǒng)可以同時(shí)控制多個(gè)離合器的工作，相較以前一路控制油路對(duì)應(yīng)一個(gè)離合器，系統(tǒng)復(fù)雜程度大為降低。為降低離合器接排沖擊，在操作閥與離合器之間設(shè)置節(jié)流閥，實(shí)現(xiàn)離合器的軟接排［5－8］。但新結(jié)構(gòu)也存在風(fēng)險(xiǎn)：如果已經(jīng)有一個(gè)離合器完成接排，其它離合器陸續(xù)接排時(shí)，由于操縱閥后面管路以及油缸充油需要時(shí)間，接排瞬間系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生壓力降，當(dāng)?shù)诙€(gè)離合器接排時(shí)如第一個(gè)離合器油缸內(nèi)壓力下降過大，將導(dǎo)致離合器摩擦片間摩擦力不足而產(chǎn)生滑動(dòng)。接排過程中油壓下降多少、壓力的建立過程是什么樣的、壓力下降值跟哪些因素相關(guān)，這些問題需在試驗(yàn)時(shí)測(cè)試并分析。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)以可逆轉(zhuǎn)船用齒輪箱作為載體，將齒輪箱的油路及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改制，模擬兩個(gè)離合器同時(shí)工作的油路系統(tǒng)。試驗(yàn)內(nèi)容包含靜接排試驗(yàn)。動(dòng)接排試驗(yàn)以及溫度試驗(yàn)。

靜接排試驗(yàn)，用于驗(yàn)證在離合器靜止情況下，第二個(gè)離合器接排對(duì)第一個(gè)離合器缸內(nèi)壓力的影響；動(dòng)接排試驗(yàn)，用于驗(yàn)證離合器選擇后，第二個(gè)離合器接排對(duì)第一個(gè)離合器缸內(nèi)壓力的影響；溫度試驗(yàn)，用于驗(yàn)證在不同滑油溫度下：30℃、40℃、60℃，對(duì)離合器壓力降的影響。

3.1 靜接排試驗(yàn)

啟動(dòng)主泵，調(diào)整二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥，油壓穩(wěn)定后，接排第一個(gè)離合器，接排完成穩(wěn)定后，接排第二個(gè)離合器，測(cè)試該過程第一個(gè)離合器的油壓曲線。

圖6 船用齒輪箱綜合試驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Test bench of marine gearbox

圖7 試驗(yàn)齒輪箱傳動(dòng)簡圖Fig.7 Transmission sketch of testing gearbox

圖8 靜接排試驗(yàn)離合器壓力曲線Fig.8 Pressure curve of clutch in static engagement test

由圖8曲線可知，從第3.3s開始，約1s時(shí)間第一個(gè)離合器缸內(nèi)油壓從0上升至0.2MPa，保持3.5s后迅速升至2.09MPa，上升階段為1.6s，接排時(shí)間5.1s，其中3.5s平穩(wěn)段為油缸的充油段，1.6s上升段為油缸充滿后壓力快速建立過程。

從第10.7s開始，為第二個(gè)離合器接排后對(duì)第一個(gè)離合器缸內(nèi)壓力的影響，包括工作油的下降、保持、重新建立等階段，影響時(shí)間6.5s，第一個(gè)離合器工作油下降0.14MPa，下降后的工作油壓為1.95MPa。

3.2 動(dòng)接排試驗(yàn)

動(dòng)接排試驗(yàn)主要是驗(yàn)證離合器運(yùn)轉(zhuǎn)下的工作可靠性。圖9中，在第2s時(shí)候，第一個(gè)離合器油壓開始上升，從0MPa變化至0.3MPa，耗時(shí)0.2s左右，在0.3MPa保持4s最后達(dá)到2.03MPa的穩(wěn)定油壓，接排過程6s，在圖6右部分中，壓力曲線為第二個(gè)離合接排時(shí)第一個(gè)離合器產(chǎn)生的油壓波動(dòng)。顯然，第二個(gè)離合器接排時(shí)，第一個(gè)離合器有7s的油壓波動(dòng)，包括壓力的下降、平穩(wěn)、上升、平穩(wěn)，壓力下降最大值約為0.16MPa。

圖9 動(dòng)接排試驗(yàn)離合器壓力曲線圖Fig.9 Pressure curve of clutch in dynamic engagement test

3.3 溫度試驗(yàn)

溫度試驗(yàn)時(shí)，在動(dòng)接排的基礎(chǔ)上，增加對(duì)滑油溫度因素影響的測(cè)試，試驗(yàn)分別在30℃、40℃、60℃滑油溫度工況下，依次接排兩個(gè)離合器，分析在不同溫度完成前述過程所獲得的第一個(gè)離合器壓力曲線。圖10，圖11，圖12分別是在滑油溫度為30℃，40℃，60℃下動(dòng)接排第一個(gè)離合器的壓力曲線圖。

圖10 動(dòng)接排時(shí)第一個(gè)離合器壓力曲線圖（30℃）Fig.10 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（30 ℃）

如圖10所示，在30℃時(shí)，首個(gè)離合器在8s時(shí)開始接排，快速上升至0.4MPa，保持約5s然后再2s快速升至2.12MPa，整個(gè)離合器接排過程7s，在右半部分時(shí)，第二個(gè)離合器接排，從壓力下降至壓力恢復(fù)過程約8s，壓力下降0.20MPa。

圖11 動(dòng)接排時(shí)第一個(gè)離合器壓力曲線圖（40℃）Fig.11 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（40℃）

如圖11所示，40℃時(shí)，第一個(gè)離合器接排時(shí)間6.55s，油壓穩(wěn)定在2.10，第二個(gè)離合器接排影響時(shí)間為7.4s，壓力下降0.16MPa。

圖12 動(dòng)接排時(shí)第一個(gè)離合器壓力曲線圖（60℃）Fig.12 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（60℃）

如圖12所示，在60℃時(shí)，第一個(gè)離合器接排時(shí)間為5.5s，穩(wěn)定后油壓為1.89MPa，第二個(gè)離合器接排時(shí)，第一個(gè)離合器油壓波動(dòng)為6.8s，壓力下降0.16MPa。

試驗(yàn)齒輪箱經(jīng)過靜接排、動(dòng)接排、溫度試驗(yàn)等數(shù)百次測(cè)試，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：第二個(gè)離合器接排，對(duì)第一個(gè)離合器會(huì)產(chǎn)生壓力降，產(chǎn)生壓力降的大小與滑油溫度有關(guān)；接排時(shí)間的長短在一定程度上影響油壓下降值。

通常離合器設(shè)計(jì)時(shí)考慮1.5倍以上的安全裕度［2］，比如2.1MPa正常工作油壓力，只要不低于1.4MPa，離合器工作都是可靠的。該新型離合器在數(shù)百次接排試驗(yàn)中，最大壓力降為僅為0.2MPa，下降后最低壓力仍符合實(shí)際工作要求。由于有新的離合器接排，功率實(shí)際上進(jìn)行了分流，原有離合器的實(shí)際功率已經(jīng)小于原有功率，離合器實(shí)際安全裕度更高。

基于以上研究及原型試驗(yàn)，提出主離合器、PTO軸發(fā)離合器以及消防水泵離合器同時(shí)控制的油路系統(tǒng)，并進(jìn)行動(dòng)接排試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，多離合器的油路控制系統(tǒng)油壓穩(wěn)定，壓力降不大于0.2MPa，滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

圖13 三個(gè)離合器油路控制系統(tǒng)Fig.13 Oil circuit control system of three clutches

4 結(jié)論

（1）針對(duì)多離合器同時(shí)工作的離合器控制油路系統(tǒng)，可以采用一個(gè)二級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥的方式，實(shí)現(xiàn)多離合器的同時(shí)工作，控制油路系統(tǒng)大為簡化。

（2）第二個(gè)離合器接排，對(duì)第一個(gè)離合器會(huì)產(chǎn)生壓力降，產(chǎn)生壓力降的大小與滑油溫度有關(guān)。

（3）通過控制工作油的壓降，在第二個(gè)離合器接排時(shí)，原有已接排的離合器實(shí)際安全裕度仍滿足船規(guī)要求。考慮實(shí)際功率分流情況，實(shí)際安全裕度更高。

圖14 三個(gè)離合器依次接排的試驗(yàn)壓力曲線Fig.14 Testing pressure curve of sequential engaged clutches

（4）采用該控制油路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主離合器、PTO軸發(fā)離合器以及消防水泵離合器同時(shí)控制，系統(tǒng)油壓穩(wěn)定，滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

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