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

目前，在船舶動力系統(tǒng)中，出于可靠性、節(jié)能、降低設備成本、獲得更多空間等因素的考慮，多機單槳且具有輔佐動力輸入/輸出（PTI/PTO）動力系統(tǒng)獲得廣泛的應用，對相匹配的齒輪箱提出了更高的要求，多離合器同時工作較為普遍，這在本質上有別于常規(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，并進行相關的試驗驗證。

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體模型，主要由齒輪軸、摩擦片座、對偶片、摩擦片、離合器齒輪、活塞等組成［1］。

圖2為可逆轉齒輪箱的常規(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、二級壓力調節(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，先啟動主泵，空車工況下，整個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，控制操縱閥，工作油進入離合器油缸，同時進入二級壓力調節(jié)閥增壓活塞，工作油開始增壓，逐步增加到2 MPa，以推動離合器活塞，壓緊離合器摩擦片和對偶片，實現(xiàn)動力的可靠傳遞。離合器脫排時，操縱閥切換到空車狀態(tài)，離合器不再進工作油，此時速泄閥自動開啟，離合器油缸內的殘余工作油快速流回油池，實現(xiàn)離合器脫排。齒輪箱倒車時，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，可以實現(xiàn)一個離合器接排工作，但無法獲得數(shù)量兩個及以上離合器同時工作工況，不能滿足如雙機并車系統(tǒng)中的主機1與主機2同時工作以及主機離合器和PTO離合器的同時工作等。

為滿足離合器平穩(wěn)接排要求，在結合初期，工作油壓力較低，上升較為緩慢，離合器光片和對偶片存在相對滑動，以帶動推進軸系轉速上升，離合器光片和對偶片轉速一致時相對滑動結束，離合器接排完成，為滿足傳扭高轉速下的大扭矩，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工作，比如主傳動離合器、軸發(fā)PTO離合器和消防水泵離合器同時工作，以常規(guī)離合器控制油路系統(tǒng)為基礎，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，每個離合器都通過對應的單獨油泵、二級壓力調壓閥和操縱閥進行控制。從離合器控制上可以實現(xiàn)每個離合器的同時工作，但在實際布置中，由于船舶機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，對機帶油泵來講，多機帶油泵的驅動幾乎不可能，根據(jù)可靠性需要，機艙還要布置對應的電動泵組，機艙布置及其控制非常困難。所以圖4所示的系統(tǒng)需要進行優(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，二級壓力調節(jié)閥反饋增壓油路設置在操縱閥前，即主泵啟動之后，控制油直接進入二級壓力調節(jié)閥，壓力迅速建立到2MPa，為離合器接排做好了油壓準備。對于已經(jīng)是高壓的油壓系統(tǒng)，一個油路系統(tǒng)可以同時控制多個離合器的工作，相較以前一路控制油路對應一個離合器，系統(tǒng)復雜程度大為降低。為降低離合器接排沖擊，在操作閥與離合器之間設置節(jié)流閥，實現(xiàn)離合器的軟接排［5－8］。但新結構也存在風險：如果已經(jīng)有一個離合器完成接排，其它離合器陸續(xù)接排時，由于操縱閥后面管路以及油缸充油需要時間，接排瞬間系統(tǒng)會產(chǎn)生壓力降，當?shù)诙€離合器接排時如第一個離合器油缸內壓力下降過大，將導致離合器摩擦片間摩擦力不足而產(chǎn)生滑動。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，這些問題需在試驗時測試并分析。

3 試驗驗證

試驗以可逆轉船用齒輪箱作為載體，將齒輪箱的油路及內部結構進行改制，模擬兩個離合器同時工作的油路系統(tǒng)。試驗內容包含靜接排試驗。動接排試驗以及溫度試驗。

靜接排試驗，用于驗證在離合器靜止情況下，第二個離合器接排對第一個離合器缸內壓力的影響；動接排試驗，用于驗證離合器選擇后，第二個離合器接排對第一個離合器缸內壓力的影響；溫度試驗，用于驗證在不同滑油溫度下：30℃、40℃、60℃，對離合器壓力降的影響。

3.1 靜接排試驗

啟動主泵，調整二級壓力調節(jié)閥，油壓穩(wěn)定后，接排第一個離合器，接排完成穩(wěn)定后，接排第二個離合器，測試該過程第一個離合器的油壓曲線。

圖6 船用齒輪箱綜合試驗臺Fig.6 Test bench of marine gearbox

圖7 試驗齒輪箱傳動簡圖Fig.7 Transmission sketch of testing gearbox

圖8 靜接排試驗離合器壓力曲線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時間第一個離合器缸內油壓從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，為第二個離合器接排后對第一個離合器缸內壓力的影響，包括工作油的下降、保持、重新建立等階段，影響時間6.5s，第一個離合器工作油下降0.14MPa，下降后的工作油壓為1.95MPa。

3.2 動接排試驗

動接排試驗主要是驗證離合器運轉下的工作可靠性。圖9中，在第2s時候，第一個離合器油壓開始上升，從0MPa變化至0.3MPa，耗時0.2s左右，在0.3MPa保持4s最后達到2.03MPa的穩(wěn)定油壓，接排過程6s，在圖6右部分中，壓力曲線為第二個離合接排時第一個離合器產(chǎn)生的油壓波動。顯然，第二個離合器接排時，第一個離合器有7s的油壓波動，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 動接排試驗離合器壓力曲線圖Fig.9 Pressure curve of clutch in dynamic engagement test

3.3 溫度試驗

溫度試驗時，在動接排的基礎上，增加對滑油溫度因素影響的測試，試驗分別在30℃、40℃、60℃滑油溫度工況下，依次接排兩個離合器，分析在不同溫度完成前述過程所獲得的第一個離合器壓力曲線。圖10，圖11，圖12分別是在滑油溫度為30℃，40℃，60℃下動接排第一個離合器的壓力曲線圖。

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

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

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

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

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

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

試驗齒輪箱經(jīng)過靜接排、動接排、溫度試驗等數(shù)百次測試，綜合試驗數(shù)據(jù)顯示：第二個離合器接排，對第一個離合器會產(chǎn)生壓力降，產(chǎn)生壓力降的大小與滑油溫度有關；接排時間的長短在一定程度上影響油壓下降值。

通常離合器設計時考慮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)百次接排試驗中，最大壓力降為僅為0.2MPa，下降后最低壓力仍符合實際工作要求。由于有新的離合器接排，功率實際上進行了分流，原有離合器的實際功率已經(jīng)小于原有功率，離合器實際安全裕度更高。

基于以上研究及原型試驗，提出主離合器、PTO軸發(fā)離合器以及消防水泵離合器同時控制的油路系統(tǒng)，并進行動接排試驗。試驗結果表明，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，滿足船級社規(guī)范要求。

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

4 結論

（1）針對多離合器同時工作的離合器控制油路系統(tǒng)，可以采用一個二級壓力調節(jié)閥的方式，實現(xiàn)多離合器的同時工作，控制油路系統(tǒng)大為簡化。

（2）第二個離合器接排，對第一個離合器會產(chǎn)生壓力降，產(chǎn)生壓力降的大小與滑油溫度有關。

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

圖14 三個離合器依次接排的試驗壓力曲線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控制，系統(tǒng)油壓穩(wěn)定，滿足船級社規(guī)范要求。

［1］ 周明衡.離合器、制動器選用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.

［2］ 鋼質海船入級規(guī)范2012［M］.北京：中國船級社2012.

［3］ 呂和生.船用濕式多片摩擦離合器耦合分析及試驗研究［D］重慶大學，2010.

［4］ 張昭順，崔桂香.流體力學［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［5］ 呂和生，林騰蛟，張世軍，等.濕式多片摩擦離合器油路三維流場分析［J］.中國機械工程，2009，20（16）：1978－1982.

［6］ 呂和生，曹 云，向 超，等.一種雙輸入多輸出并車離合船用齒輪箱 （專利ZL200810233385.0）.

［7］ 呂和生，向 超，余業(yè)亮，等.齒輪箱壓力集成閥（專利ZL200720188287.0）.

［8］ 劉曉波，樊紹忠，呂和生，等.船用齒輪箱工作油路（專利ZL200820098497.5）