張秦峰， 王曉東

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部，上海 200135)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)的不斷發(fā)展和自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷提高，船用摩擦片離合器在大功率柴油機(jī)雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。受摩擦片離合器帶排特性的影響，軸系帶轉(zhuǎn)、解列后主機(jī)停車(chē)緩慢和停車(chē)后離合器被燒毀等故障均有可能發(fā)生。離合器發(fā)生故障會(huì)直接導(dǎo)致軸系無(wú)法正常運(yùn)行，進(jìn)而給推進(jìn)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。目前，研究人員已針對(duì)摩擦片離合器帶排特性開(kāi)展一系列研究，但很少對(duì)雙機(jī)并車(chē)船摩擦片離合器保護(hù)策略進(jìn)行研究。因此，本文通過(guò)分析摩擦片離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，剖析離合器帶排原因。在此基礎(chǔ)上，在采用雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)船上開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合理可行的摩擦片離合器保護(hù)策略。將該策略應(yīng)用于推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)船控制軟件中，驗(yàn)證其有效性，確保摩擦片離合器在推進(jìn)系統(tǒng)中長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)概述

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)概述

本文研究的推進(jìn)系統(tǒng)為四機(jī)雙軸系、雙調(diào)距槳推進(jìn)的柴-柴聯(lián)合推進(jìn)裝置(Combined Diesel and Diesel Configuration,CODAD)，每舷的2臺(tái)柴油機(jī)的功率通過(guò)金屬簧片式高彈聯(lián)軸節(jié)和撓性桿聯(lián)軸器，經(jīng)帶有多片式摩擦片離合器的減速齒輪箱并車(chē)之后單軸輸出。圖1為推進(jìn)系統(tǒng)示意。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)示意

1.2 雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)控制系統(tǒng)概述

雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)控制、安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)報(bào)警，保證推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)操作人員的指令安全可靠運(yùn)行。該控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要有柴油機(jī)、齒輪箱和調(diào)距槳，其中:

1) 柴油機(jī)控制功能主要包括控制柴油機(jī)的啟動(dòng)、停車(chē)、加速、減速、并車(chē)和解列；

2) 齒輪箱控制功能主要包括控制摩擦片離合器的接排和脫排；

3) 調(diào)距槳控制功能主要包括控制調(diào)距槳螺距的加減。

圖2為雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)控制系統(tǒng)控制框圖。

圖2 雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)控制系統(tǒng)控制框圖

2 摩擦片離合器概述

2.1 摩擦片離合器分類(lèi)

摩擦片離合器是推進(jìn)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)傳遞扭矩的關(guān)鍵設(shè)備，其工作穩(wěn)定性、可靠性和扭矩傳遞性會(huì)影響推進(jìn)系統(tǒng)整體的安全性和經(jīng)濟(jì)性。摩擦片離合器通過(guò)對(duì)偶鋼片與摩擦片的相對(duì)分離和接合，實(shí)現(xiàn)主從部分的接合和脫開(kāi)，在接合狀態(tài)下，對(duì)偶鋼片與摩擦片之間產(chǎn)生相對(duì)摩擦，從而傳遞運(yùn)動(dòng)裝置的扭矩。

摩擦片離合器主要分為干式摩擦片離合器和濕式摩擦片離合器2種。濕式摩擦片離合器的結(jié)構(gòu)比干式摩擦片離合器復(fù)雜，受力和磨損更均勻，磨損相對(duì)較小。在使用摩擦片離合器過(guò)程中，若想改變轉(zhuǎn)矩大小，既可通過(guò)改變摩擦片的數(shù)量實(shí)現(xiàn)，又可通過(guò)改變油腔內(nèi)的壓力實(shí)現(xiàn)。由于濕式摩擦片離合器是通過(guò)潤(rùn)滑油冷卻的，因此其散熱效果優(yōu)于干式摩擦片離合器，接合時(shí)能長(zhǎng)時(shí)間傳遞更大的扭矩。

本文主要以濕式摩擦片離合器為研究對(duì)象，分析離合器帶排原因。

2.2 濕式摩擦片離合器的工作特點(diǎn)

濕式摩擦片離合器主要通過(guò)改變油腔內(nèi)潤(rùn)滑油的壓力實(shí)現(xiàn)接合和脫開(kāi)，潤(rùn)滑油同時(shí)起到冷卻摩擦片的作用。在離合器接合過(guò)程中，循環(huán)穩(wěn)定供應(yīng)潤(rùn)滑油有助于持續(xù)不斷地帶走扭矩傳遞來(lái)的熱量，控制離合器發(fā)熱功率在合理范圍內(nèi)，保證離合器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

濕式摩擦片離合器的優(yōu)點(diǎn)主要有：

1) 摩擦因數(shù)穩(wěn)定。由于濕式摩擦片離合器結(jié)構(gòu)密閉，不受外界雜質(zhì)的影響，對(duì)偶片與摩擦片之間的摩擦因數(shù)可保持相對(duì)穩(wěn)定。

2) 扭矩傳遞穩(wěn)定。在液壓油流體的作用下，離合器光片與粉片接合和分離的過(guò)程較為平穩(wěn)，扭矩傳遞穩(wěn)定。

3) 扭矩傳遞極限值較大。由于采用的摩擦片為接觸面積較大的多片式環(huán)形摩擦片，通過(guò)改變摩擦片的數(shù)量增大扭矩傳遞極限值，在體積可控的情況下扭矩傳遞極限值較大。

濕式摩擦片離合器的缺點(diǎn)主要有：

1) 離合器帶排時(shí)存在功率損失。當(dāng)濕式摩擦片離合器處于分離狀態(tài)時(shí)，摩擦片與對(duì)偶片相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，油膜的存在會(huì)形成一定的帶排扭矩，且在摩擦副較多的情況下會(huì)有較大的功率損失。

2) 潤(rùn)滑油路的可靠性要求高，若出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致摩擦片被燒壞。雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中的一組離合器接合，另一組離合器脫開(kāi)，接合的離合器工作時(shí)主從端同速，只要輸出端的傳遞扭矩不超過(guò)最大傳遞扭矩就不會(huì)出現(xiàn)主從端滑磨，但脫開(kāi)的離合器主從端存在轉(zhuǎn)速差，即使是在脫開(kāi)狀態(tài)下，由于油膜的作用，主從端會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑磨，從而產(chǎn)生熱量，當(dāng)潤(rùn)滑油冷卻油路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，熱量隨時(shí)間的累積而積聚，在長(zhǎng)時(shí)間高溫狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致摩擦片被燒壞。

本文研究的推進(jìn)系統(tǒng)選用的摩擦片離合器為濕式摩擦片離合器，針對(duì)這種形式摩擦片離合器的缺點(diǎn)優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制邏輯，提出摩擦片離合器安全保護(hù)策略，提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

注：1為齒輪軸；2為摩擦片支座；3為對(duì)偶片；

2.3 濕式摩擦片離合器工作原理

濕式摩擦片離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，齒輪軸作為輸入軸與摩擦片支座連接，摩擦片支座上均勻分布有環(huán)形對(duì)偶片。離合器齒輪作為輸出軸，內(nèi)部均勻分布有環(huán)形摩擦片。1個(gè)環(huán)形對(duì)偶片與1個(gè)環(huán)形摩擦片組成1對(duì)摩擦副。當(dāng)離合器需接合時(shí)，可通過(guò)液壓油控制活塞，使活塞壓緊摩擦片和對(duì)偶片，二者產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩之后帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)。離合器的摩擦片間隙內(nèi)封閉有大量潤(rùn)滑油，起到冷卻的作用。

3 帶排扭矩的產(chǎn)生及其影響

3.1 濕式摩擦片離合器帶排扭矩的產(chǎn)生

濕式摩擦片離合器工作時(shí)產(chǎn)生帶排轉(zhuǎn)矩的機(jī)理與黏性液體傳動(dòng)機(jī)理一樣，其工作原理是摩擦副通過(guò)黏性流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩。在黏性液體無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)中，帶排轉(zhuǎn)矩提供主要的工作動(dòng)力；在摩擦片離合器中，帶排轉(zhuǎn)矩是一種阻力，工作時(shí)會(huì)損耗能量，降低傳送效率。

影響濕式摩擦片離合器帶排轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生的主要因素有主從片之間的分離間隙(即油膜厚度)、離合器轉(zhuǎn)速差和分離間隙中潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度。濕式摩擦片離合器需不斷地向摩擦片間隙供油，潤(rùn)滑油循環(huán)通過(guò)摩擦片表面，起到冷卻和潤(rùn)滑摩擦片的作用，這樣才能保證離合器正常工作。因此，只要離合器中有油膜存在，帶排轉(zhuǎn)矩就一定存在。油膜厚度和黏度是離合器的固有特性，在設(shè)備安裝之后其狀態(tài)基本固化。離合器轉(zhuǎn)速差控制是本文安全保護(hù)策略研究的重點(diǎn)。

當(dāng)離合器摩擦副之間的轉(zhuǎn)速差超過(guò)閾值之后，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力較大，導(dǎo)致離合器脫開(kāi)完全泄放的速度緩慢。

3.2 帶排扭矩對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的影響

1) 在主機(jī)啟動(dòng)之后離合器未接排的情況下帶動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)。

主機(jī)啟動(dòng)之后，在離合器未接排的情況下，當(dāng)帶排扭矩大于軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，軸系會(huì)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶排扭矩越大，軸系的轉(zhuǎn)速越高。這種情況一般在安裝有調(diào)距槳的小噸位船上出現(xiàn)，該型船的軸系較短，在零推力位置時(shí)阻力較小。當(dāng)船舶在零推力位置時(shí)，軸系轉(zhuǎn)動(dòng)不影響其狀態(tài)，存在該現(xiàn)象的船在啟動(dòng)主機(jī)時(shí)要注意軸系附近人員的安全性。

2) 雙機(jī)并車(chē)解列之后，主機(jī)停車(chē)緩慢。

主機(jī)正常怠速運(yùn)轉(zhuǎn)之后停車(chē)的時(shí)間基本上是固定的，但在雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中，當(dāng)一臺(tái)主機(jī)解列之后停車(chē)時(shí)，其停車(chē)時(shí)間往往是變化的，當(dāng)在排主機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，解列之后主機(jī)停車(chē)緩慢。導(dǎo)致主機(jī)停車(chē)緩慢的主要原因就是帶排扭矩，帶排扭矩受轉(zhuǎn)速差的影響，轉(zhuǎn)速差越大，帶排扭矩越大，主機(jī)停車(chē)越緩慢。在停車(chē)過(guò)程中，若未完全熄火就結(jié)束停車(chē)動(dòng)作，可能導(dǎo)致主機(jī)重新啟動(dòng)。

4 雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)摩擦片離合器安全保護(hù)策略

4.1 雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)摩擦片離合器運(yùn)行狀態(tài)分析

雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)的摩擦片離合器主要有6種運(yùn)行狀態(tài)，具體見(jiàn)表1。

表1 雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)摩擦片離合器運(yùn)行狀態(tài)

1) 在序號(hào)1對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)速差會(huì)產(chǎn)出帶排扭矩，當(dāng)兩者的扭矩之和大于軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，軸系會(huì)被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

2) 在序號(hào)2和序號(hào)4對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)下，2#機(jī)受1#機(jī)轉(zhuǎn)速差的影響，1#機(jī)受2#機(jī)轉(zhuǎn)速差的影響，分別產(chǎn)生帶排扭矩。若此時(shí)離合器用油已泄放完畢，該帶排扭矩可忽略不計(jì)；若此時(shí)離合器用油未泄放完畢，則會(huì)形成一定厚度的油膜，疊加轉(zhuǎn)速差的影響之后產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)速差的變化而變化的離心力，當(dāng)該離心力超過(guò)閾值之后，本將泄放完畢的離合器用油會(huì)緩慢泄放。油膜受到剪切的作用產(chǎn)生帶排阻力，帶排損耗的功率轉(zhuǎn)化為熱量。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致摩擦片被燒傷和翹曲變形，進(jìn)一步導(dǎo)致對(duì)偶片與摩擦片空轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)黏連和碰磨現(xiàn)象，最終導(dǎo)致濕式摩擦片離合器損毀。

3) 在序號(hào)3和序號(hào)5對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)下，2#機(jī)受轉(zhuǎn)速差-的影響，1#機(jī)受轉(zhuǎn)速差-的影響，分別產(chǎn)生帶排扭矩。若怠速運(yùn)行的主機(jī)之前的狀態(tài)是解列之后變?yōu)榈∷?，則隨著該狀態(tài)的維持，離合器用油會(huì)逐漸泄放完畢，在轉(zhuǎn)速差不變的情況下，帶排扭矩隨時(shí)間的積累逐漸減小，由于怠速運(yùn)行時(shí)摩擦片離合器的輸入端與輸出端處于相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，且與靜止?fàn)顟B(tài)相比轉(zhuǎn)速差較小，油膜受剪切的作用產(chǎn)生的帶排阻力與靜止?fàn)顟B(tài)相比小很多，因此摩擦片離合器在該狀態(tài)下也可穩(wěn)定運(yùn)行。

4) 在序號(hào)6對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)下，在不存在離合器打滑的情況下，轉(zhuǎn)速差為0，此時(shí)離合器功率傳遞效率最高，摩擦片離合器在該狀態(tài)下可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。若出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，應(yīng)立即脫開(kāi)離合器，檢查并排除故障之后重新接排使用。

4.2 控制系統(tǒng)對(duì)摩擦片離合器的安全保護(hù)策略

為研究分析摩擦片離合器帶排原因，在某型采用雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)的船舶上開(kāi)展離合器帶排影響專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，通過(guò)在不同的轉(zhuǎn)速差下記錄主機(jī)停機(jī)時(shí)間，分析離合器兩端相對(duì)轉(zhuǎn)速差對(duì)帶排扭矩的影響。試驗(yàn)以1#主機(jī)為在排主機(jī)，以2#主機(jī)為解列主機(jī)，記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)表2可分析出離合器脫開(kāi)之后主機(jī)停機(jī)受帶排扭矩的影響，導(dǎo)致帶排扭矩發(fā)生變化的主要因素是離合器轉(zhuǎn)速差及其維持時(shí)間。

表2 某型船離合器帶排影響測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2.1 正常操作情況下的安全保護(hù)策略

在正常解列停車(chē)情況下，雙機(jī)并車(chē)控制系統(tǒng)采取特殊的控制策略，可規(guī)避帶排扭矩對(duì)離合器的損傷，確保離合器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。具體策略如下：

1) 當(dāng)雙機(jī)并車(chē)運(yùn)行的推進(jìn)系統(tǒng)在高工況下解列時(shí)，若在排機(jī)的轉(zhuǎn)速大于解列保護(hù)轉(zhuǎn)速(即表2中的400 r/min，可根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)特性設(shè)定)，在解列后的主機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)間未超過(guò)怠速穩(wěn)定時(shí)間(2 min，可根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)特性設(shè)定)的情況下收到正常停車(chē)命令，則在排機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)降到解列保護(hù)轉(zhuǎn)速。當(dāng)解列機(jī)正常停車(chē)之后，在排機(jī)按下復(fù)位按鈕，其轉(zhuǎn)速回到原轉(zhuǎn)速。

2) 若在排機(jī)轉(zhuǎn)速小于等于解列保護(hù)轉(zhuǎn)速，則解列機(jī)停機(jī)不影響在排機(jī)運(yùn)行。

3) 若在排機(jī)轉(zhuǎn)速大于解列保護(hù)轉(zhuǎn)速且解列機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)間超過(guò)怠速穩(wěn)定時(shí)間，則解列機(jī)停機(jī)不影響在排機(jī)運(yùn)行。

總之，該策略不影響對(duì)推進(jìn)裝置的正常操控，正常情況下主機(jī)需穩(wěn)定怠速運(yùn)行一段時(shí)間之后再停車(chē)。

4.2.2 特殊情況下的安全保護(hù)策略

在雙機(jī)并車(chē)運(yùn)行工況下，當(dāng)出現(xiàn)緊急停車(chē)和故障停車(chē)情況時(shí)，故障機(jī)停車(chē)脫排，在排機(jī)的轉(zhuǎn)速降為低負(fù)荷運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(即表2中的400 r/min)。

關(guān)于降速策略，已在實(shí)船上開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)，可按速率降速或直接降速至目標(biāo)值。若通過(guò)實(shí)船試驗(yàn)在高工況下按速率降速，則故障機(jī)停車(chē)時(shí)間會(huì)在正常停車(chē)時(shí)間的基礎(chǔ)上疊加故障降速所用時(shí)間。從保護(hù)摩擦片離合器的角度考慮，該降速策略取直接降速至目標(biāo)值。

此外，當(dāng)解列機(jī)怠速運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障停車(chē)和緊急停車(chē)情況時(shí)，也按正常操作情況下根據(jù)解列保護(hù)轉(zhuǎn)速和怠速穩(wěn)定時(shí)間決定是否執(zhí)行降速程序的方式保護(hù)離合器。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以采用摩擦片離合器作為傳動(dòng)裝置的柴油機(jī)雙機(jī)并車(chē)CODAD推進(jìn)系統(tǒng)為控制對(duì)象，根據(jù)摩擦片離合器的工作原理分析其帶排原因，并通過(guò)實(shí)船專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)得出雙機(jī)并車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)影響摩擦片離合器帶排的主要因素是摩擦片離合器兩端的相對(duì)轉(zhuǎn)速差。在此基礎(chǔ)上，以控制離合器兩端的轉(zhuǎn)速差為目標(biāo)，研究推進(jìn)系統(tǒng)離合器安全保護(hù)策略。依托推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制軟件將該策略應(yīng)用到實(shí)船上，能輔助船舶規(guī)避帶排扭矩對(duì)摩擦片離合器的損害，降低離合器出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，確保離合器在推進(jìn)系統(tǒng)中長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。