鐘琦峰

摘 要：圍繞拖輪離合器吸合過(guò)程常會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象這一問(wèn)題，本文不僅從離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理加以分析，而且從離合器控制系統(tǒng)工作原理和離合器控制邏輯時(shí)序電路進(jìn)一步予以分析，總結(jié)出引起離合器吸合過(guò)程會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象的各種原因。并對(duì)預(yù)防離合器出現(xiàn)吸合沖擊的問(wèn)題，提出了管理方面的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：離合器;沖擊;工作原理;控制邏輯

中圖分類(lèi)號(hào)：U674? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0078-04

1 引言

可回轉(zhuǎn)舵槳是全回轉(zhuǎn)港作拖輪的關(guān)鍵設(shè)備，常采用雙機(jī)雙槳的配置方式，以實(shí)現(xiàn)拖輪操縱的靈活性。可回轉(zhuǎn)舵槳通過(guò)離合器實(shí)現(xiàn)機(jī)、槳的聯(lián)結(jié)，是舵槳的重要組成部分。港作拖輪作業(yè)特點(diǎn)就是輔助大船進(jìn)出港靠離碼頭時(shí)，離合器頻繁合排。據(jù)寧波港口作業(yè)量統(tǒng)計(jì)，拖輪作業(yè)每艘次離合器合排次數(shù)在30次以上，以每年3000艘次計(jì)，離合器離合次數(shù)超過(guò)9萬(wàn)次。因此，離合器工作的可靠性是保證港作拖輪適航率的關(guān)鍵因素。

為了提高離合器工作的可靠性，管理人員就必須了解離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握離合器控制系統(tǒng)的工作原理和控制邏輯時(shí)序，才能對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位實(shí)施有針對(duì)性的管理措施。

2 離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

以“甬港消拖2號(hào)”輪為本文分析對(duì)象?！梆巯?號(hào)”輪使用的是臥式銅摩擦片-鋼圈滑擦型離合器，該離合器為內(nèi)置式，與舵槳制造成一體。離合器的控制油沒(méi)設(shè)有獨(dú)立油箱，來(lái)自于舵槳潤(rùn)滑油。離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)離合器工作時(shí)，控制離合器油從控制油進(jìn)口進(jìn)入密封腔，當(dāng)密封腔的油壓慢慢升高時(shí)，高壓油將推動(dòng)鋼圈活塞左移，從而輸出軸、摩擦片以及鋼圈結(jié)合形成摩擦連接。最終將動(dòng)力力矩傳給輸出軸，再通過(guò)齒輪將力矩傳給螺旋槳。當(dāng)離合器脫開(kāi)時(shí)，密封腔內(nèi)液壓油將通過(guò)控制油進(jìn)口回油箱，失壓離合器依靠碟簧的作用復(fù)位。

3 離合器控制系統(tǒng)

3.1 離合器控制系統(tǒng)工作原理

離合器控制系統(tǒng)工作原理，如圖2所示。Y5和Y10分別是控制離合器合排電磁閥，相互鎖。當(dāng)離合器工作時(shí)，Y5電磁閥得電，二位換向閥左位通，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)二位換向閥通向離合器的控制油進(jìn)口，從而離合器吸合。在離合器吸合的過(guò)程中，Y30電磁閥將會(huì)得電使得控制閥右位通，將緩沖器接入到控制油管路中，防止離合器吸合過(guò)程有沖擊現(xiàn)象。SP4壓力繼電器的作用是反映離合器吸排狀態(tài)，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值（15MP）時(shí)，SP4壓力繼電器觸頭閉合，表示離合器已吸合，并將狀態(tài)反饋給控制單元。當(dāng)離合器脫開(kāi)時(shí)，Y10電磁閥得電，二位換向閥右位通，離合器密封腔的壓力油經(jīng)二位閥直泄油箱，活塞鋼圈在彈簧力的作用下右移，離合器又重新恢復(fù)脫開(kāi)狀態(tài)。

3.2 離合器控制邏輯電路

控制電路邏輯圖，如圖3所示。離合器的吸排是根據(jù)駕駛?cè)藛T的控制要求來(lái)動(dòng)作的。當(dāng)駕駛臺(tái)操作離合器操作手柄要求離合器吸合時(shí)，操作手柄會(huì)發(fā)出離合器吸合請(qǐng)求信號(hào)（cl-en-rq=1），相反，操作手柄會(huì)發(fā)出離合器脫開(kāi)請(qǐng)求信號(hào)（cl-dis-rq=1）。

離合器吸合還應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速上的限制要求，該功能由轉(zhuǎn)速檢測(cè)邏輯比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)速檢測(cè)邏輯比較電路是由（pre-cl-en-h-rpm）和（pre-cl-en-l-rpm）兩個(gè)邏輯比較模塊組成的，作用是禁止離合器在主機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)或低轉(zhuǎn)速時(shí)吸合，只有主機(jī)轉(zhuǎn)速在允許離合器吸合轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才能使離合器操作手柄發(fā)訊，離合器吸合指令（cl-en=1）有效。若主機(jī)轉(zhuǎn)速不在限制范圍內(nèi)，激活booster功能，使主機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨預(yù)定義轉(zhuǎn)速，從而使轉(zhuǎn)速位于限制范圍內(nèi)。當(dāng)booster功能時(shí)間到或離合器吸合，booster將撤銷(xiāo)。

離合器的吸排過(guò)程還附加有時(shí)間延時(shí)環(huán)節(jié)。離合器吸合延時(shí)環(huán)節(jié)（cl-en-dly）和離合器脫開(kāi)延時(shí)環(huán)節(jié)（cl-dis-dly） 。該環(huán)節(jié)主要作用是消除操作手柄裝置的誤操作。

當(dāng)同時(shí)滿足上述三條件，即有操作指令、滿足離合器吸合時(shí)轉(zhuǎn)速限制和延時(shí)環(huán)節(jié)，離合器就進(jìn)入吸合時(shí)序程序。首先，在控制離合器吸合操作電磁閥Y5得電之前，Y30電磁閥通電，將緩沖器接入通向離合器控制油進(jìn)口管路。緩沖器在接入管路之前，Y30是失電狀態(tài)，二位換向閥左位通，緩沖器內(nèi)液壓油在預(yù)沖的3bar壓力空氣的作用下回油箱。其次，在控制電磁Y30通電時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)（cl-en-w-t=0），設(shè)定時(shí)間為1s，計(jì)時(shí)時(shí)間未到，控制離合器吸合操作電磁閥Y5仍保持失電狀態(tài)。最后，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)（cl-en-w-t=1），控制離合器吸合操作電磁閥Y5通電，二位換向閥左位通，控制離合器液壓油經(jīng)二位換向閥從控制油進(jìn)口進(jìn)入密封腔。由于緩沖器接入管路，控制離合器液壓油壓力將降低，加上緩沖器內(nèi)的彈性氣室作用，控制離合器液壓油的壓力升高過(guò)程是緩變得的。從而保證了離合器的吸合過(guò)程實(shí)現(xiàn)打滑目的，避免發(fā)生沖擊現(xiàn)象。

值得注意的是，Y30通電將緩沖器接入管路，使得控制離合器液壓油壓力降低過(guò)程（cl-pres-c）。該過(guò)程是由（low-pres-t）延時(shí)環(huán)節(jié)和（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)兩個(gè)部分組成。當(dāng)離合器吸合，反饋環(huán)節(jié)（cl-act=1）時(shí)，即使在延時(shí)期間內(nèi)，延時(shí)時(shí)間設(shè)定為4s（low-pres-t=1），（cl-pres-c=0）終止控制離合器液壓油壓力降低過(guò)程，即Y30斷電，切除緩沖器作用。若在延時(shí)環(huán)節(jié)計(jì)時(shí)到達(dá)時(shí)（low-pres-t=0），即使離合器狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)（cl-act=0），也同樣終止控制離合器液壓油壓力降低過(guò)程，切除緩沖器作用。該環(huán)節(jié)控制過(guò)程正確動(dòng)作不僅關(guān)系到離合器吸合過(guò)程的平穩(wěn)性，而且關(guān)系到離合器響應(yīng)的快速性。

3.3 電源部分

正是由于“消拖2號(hào)”輪的離合器與舵槳為一體，且其控制系統(tǒng)與舵槳的控制系統(tǒng)是一體，由同一電源供電。為了保證離合器可靠工作，還得對(duì)舵槳的電源部分加以分析。通常為了舵槳供電安全考慮，舵槳裝置一般都采用兩路獨(dú)立電源供電，其中一路為常用電源（380v電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓鎮(zhèn)流濾波獲得的24v直流電），另一路為備用電源（蓄電池24v電），兩路電源的切換控制由雙電源切換裝置完成。電源自動(dòng)切換裝置原理圖，如圖4所示。

雙電源自動(dòng)切換裝置由具有電源監(jiān)測(cè)和執(zhí)行元件監(jiān)控功能的控制器以及執(zhí)行元件組成，主要功能是最大限度地保證供電的連續(xù)性。該轉(zhuǎn)換裝置核心控制器就是KCU。KCU是根據(jù)電源電壓值動(dòng)作的繼電器，設(shè)定值為22v，幅差為5%。當(dāng)主電源電壓值在KCU設(shè)定的范圍值內(nèi)時(shí)，KCU繼電器動(dòng)作，其常開(kāi)觸頭閉合，繼電器KCS通電，常開(kāi)觸頭閉合，常閉觸頭斷開(kāi)，從而系統(tǒng)由主電源供電。若主電源電壓值低于KCU設(shè)定最低允許值（20.9v）時(shí)，KCU繼電器常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，KCS繼電器不通電，常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，常閉觸頭閉合，系統(tǒng)由備用電源供電。

在雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，KCS繼電器觸頭動(dòng)作會(huì)有不同時(shí)間上的延時(shí)或不同步。在此期間，電容C放電，保持系統(tǒng)不間斷供電。電容C同時(shí)也起到保證系統(tǒng)供電電壓的穩(wěn)定性。二極管Vc的作用是保證電流的單向流通性，實(shí)現(xiàn)在主電源失電時(shí)，電容C的電壓不會(huì)經(jīng)Vc向主電源電路放電而迅速下降。

4 常見(jiàn)故障分析

“消拖2號(hào)”輪常見(jiàn)的故障是離合器吸合過(guò)程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊現(xiàn)象。下面將分析導(dǎo)致離合器吸合過(guò)程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊的原因。

在前面的離合器控制邏輯電路中已經(jīng)提到過(guò)，離合器吸合一方面要滿足轉(zhuǎn)速限制條件，避免在高轉(zhuǎn)速下吸合防止發(fā)生沖擊;另一方面在離合器吸合過(guò)程中，緩沖器接入管路，控制離合器液壓油壓力有一個(gè)壓力降低過(guò)程，加上緩沖器內(nèi)的彈性氣室作用，控制離合器液壓油的壓力升高過(guò)程是緩變的，從而保證了離合器的吸合過(guò)程實(shí)現(xiàn)打滑目的，也避免發(fā)生沖擊現(xiàn)象。按照通常情況操作離合器吸合不應(yīng)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，但實(shí)際工作過(guò)程中沖擊卻頻繁出現(xiàn)。我們根據(jù)離合器控制邏輯電路的控制原理可知，離合器吸合過(guò)程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊的根本原因是在離合器吸合過(guò)程中壓力降低過(guò)程時(shí)間過(guò)短或者吸合過(guò)程中根本沒(méi)壓力降低過(guò)程。而導(dǎo)致壓力降低過(guò)程時(shí)間過(guò)短或者根本沒(méi)壓力降低過(guò)程的原因，不外乎是控制環(huán)節(jié)或執(zhí)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障。

4.1 控制環(huán)節(jié)故障

根據(jù)離合器控制邏輯電路可知，在正常操作離合器吸合時(shí)可決定離合器液壓油壓力降過(guò)程有兩個(gè)環(huán)節(jié)，即（low-pres-t）延時(shí)環(huán)節(jié)和（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)。（low-pres-t）延時(shí)環(huán)節(jié)是由控制系統(tǒng)內(nèi)的單片機(jī)（cpu）程序計(jì)數(shù)完成，若是單片機(jī)出現(xiàn)故障就不單單只是離合器吸合會(huì)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，其他的轉(zhuǎn)舵和車(chē)速控制都會(huì)出現(xiàn)故障，故排除。（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)是由SP4壓力繼電器來(lái)完成的。當(dāng)離合器控制油壓力達(dá)到設(shè)定壓力值15MP時(shí)，SP4壓力繼電器觸頭閉合，表示離合器已吸合（cl-act=1）。若是SP4壓力繼電器的設(shè)定值不正確，遠(yuǎn)低于15MP時(shí)，當(dāng)離合器控制油壓力還不到15MP，離合器其實(shí)還沒(méi)真正吸合就反饋回去（cl-act=1）。（cl-act=1）一方面切除緩沖器，另一方面使得主機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨油門(mén)手柄設(shè)定轉(zhuǎn)速而提高。正是由此，就會(huì)導(dǎo)致離合器真正吸合過(guò)程發(fā)生沖擊現(xiàn)象。另外也應(yīng)注意，即使SP4繼電器在出廠時(shí)設(shè)定正確，但因連續(xù)使用較長(zhǎng)，設(shè)定彈簧的彈性系數(shù)會(huì)變小，也會(huì)出現(xiàn)設(shè)定值下降，從而導(dǎo)致離合器吸合也發(fā)生沖擊情況。一般遇到因此原因?qū)е码x合器吸合出現(xiàn)沖擊情況時(shí)，可以調(diào)高SP4設(shè)定值予以消除。

4.2 執(zhí)行環(huán)節(jié)故障

控制離合器液壓油壓力降低過(guò)程（cl-pres-c）執(zhí)行環(huán)節(jié)就是Y30電磁換向閥。當(dāng)控制環(huán)節(jié)來(lái)信號(hào)控制Y30通電，Y30一通電就應(yīng)該將緩沖器接入到管路。若是Y30由于某些原因未能正確動(dòng)作，離合器液壓油壓力降低過(guò)程就不能夠得以實(shí)現(xiàn)，離合器在吸合時(shí)就會(huì)沖擊。能夠?qū)е码姶艙Q向閥Y30故障，有三個(gè)原因。一是電磁換向閥內(nèi)的閥芯臟污卡阻;二是電磁線圈燒毀或供電線路故障;三是電磁閥的供電電源出現(xiàn)故障。前面兩個(gè)原因都好理解，對(duì)于第三原因，應(yīng)加以注意和分析。由于舵槳裝置采用兩路獨(dú)立電源供電，其中一路為常用電源，另一路為備用電源，兩路電源的切換控制由雙電源切換裝置完成。下面我們分別從切換裝置和整流電源加以分析。

切換裝置。若是切換裝置核心控制器KCU設(shè)定值不正確，當(dāng)主電路電源輸出電壓低，不能及時(shí)切換到備用電源，在此切換期間進(jìn)行離合器操作將導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能正確動(dòng)作引起離合器吸合過(guò)程發(fā)生沖擊;同樣，若是切換裝置中的蓄能電容C容量變小或是二極管Vc反向?qū)ǎ词购诵目刂破鱇CU設(shè)定值，當(dāng)主電路電源輸出電壓低時(shí)，由于KCU和KCS兩繼電器的各個(gè)觸頭動(dòng)作存在時(shí)間誤差，就不能夠保證在雙電源自動(dòng)切換過(guò)程的供電品質(zhì)保證，也將導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能正確動(dòng)作引起離合器吸合過(guò)程發(fā)生沖擊。

整流電源。主電路電源常見(jiàn)的故障就是整流電橋中的二極管出現(xiàn)反向截止能力下降或是擊穿。電橋電路中的二極管出現(xiàn)反向截止能力下降或是擊穿，不僅會(huì)使輸出電壓下降，還使得電源的帶負(fù)載能力下降。根據(jù)前面可知在離合器吸合時(shí)序程序期間，控制單元在控制離合器吸合操作電磁閥Y5得電之前是先控制Y30電磁閥通電。若此時(shí)Y30通電即相當(dāng)于系統(tǒng)投入的負(fù)載增加，電源輸出電壓將會(huì)降低，將導(dǎo)致Y30電磁閥不能夠正確動(dòng)作，又因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的核心cpu供電電壓為5v，所以并不影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)電壓降低到KCU設(shè)定動(dòng)作值時(shí)，KCU自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用電源。由于在控制Y30通電信號(hào)下達(dá)后1s就發(fā)送控制Y5通電信號(hào)，此時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)Y5和Y30電磁閥同時(shí)供電，邏輯控制時(shí)序不正常，離合器吸合會(huì)出現(xiàn)沖擊。

查閱“消拖2號(hào)”輪自2001年建造至今舵槳的維修保養(yǎng)記錄，做一統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

可以清楚地看到，在實(shí)際工作當(dāng)中，遇到離合器吸合發(fā)生沖擊現(xiàn)象處理方法通常也就是調(diào)整或換新SP4繼電器、更換KCU和換新整流橋路二極管。這又論證了上述的分析結(jié)論。

5 管理措施

5.1加強(qiáng)對(duì)電源管理

定期對(duì)整流電路上的電橋二極管進(jìn)行測(cè)量，對(duì)反向電阻低于10 的二極管應(yīng)及時(shí)換新;同時(shí)應(yīng)對(duì)整流電路進(jìn)行除塵散熱工作，保證電路元件的工作環(huán)境適合要求。對(duì)備用電瓶也做好日常的維護(hù)保養(yǎng)。定期對(duì)自動(dòng)切換裝置進(jìn)行效用，特別是對(duì)KCU的設(shè)定值應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)。對(duì)KCU及KCS各繼電器的抽頭進(jìn)行檢查。對(duì)大電容C和二極管Vc也定期進(jìn)行檢測(cè)。定期對(duì)線路，接頭等緊固件進(jìn)行檢查。

5.2加強(qiáng)對(duì)SP4壓力繼電器的管理

定期對(duì)SP4設(shè)定值進(jìn)行校驗(yàn)。在實(shí)際具體操作可能比較困難，SP4繼電器管理難度比較大，可對(duì)其進(jìn)行改造。可由金屬應(yīng)變式壓力傳感器、MAX197A/D轉(zhuǎn)換芯片、STC89C51單片機(jī)、HD7279A接口芯片和數(shù)碼管組成的測(cè)量顯示反饋一體的控制單元同時(shí)對(duì)兩臺(tái)舵槳實(shí)施控制。金屬應(yīng)變式壓力傳感器線性好，可靠性高，使用壽命也高。不僅可以實(shí)現(xiàn)SP4繼電器國(guó)產(chǎn)化，而且保證了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)由于單片機(jī)的使用，可以方便、靈活地調(diào)整和功能校驗(yàn)，減少了管理工作。

5.3加強(qiáng)潤(rùn)滑油的管理

定期對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行化驗(yàn)，保證滑油品質(zhì)，確保設(shè)備可靠潤(rùn)滑。同時(shí)對(duì)濾器也要加強(qiáng)監(jiān)管，主要是對(duì)濾器壓差傳感器加強(qiáng)維護(hù)，保證可靠工作，對(duì)濾器工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。出現(xiàn)壓差高或過(guò)低時(shí)應(yīng)對(duì)濾器進(jìn)行檢查，出現(xiàn)臟污或破損時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，為閥件工作的可靠性提供保障。

5.4閥件的管理

主要是對(duì)控制端的電磁閥定期檢查。測(cè)量電磁閥的線圈電阻;檢查電磁閥的鐵芯磨損情況;檢查電磁閥動(dòng)作的靈活和可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

離合器吸合時(shí)發(fā)生沖擊后果是相當(dāng)嚴(yán)重的，不僅會(huì)造成離合器摩擦片磨損嚴(yán)重，減少離合器的壽命，而且由摩擦片磨損后的磨粒帶來(lái)的后果更加嚴(yán)重。磨粒一方面會(huì)加快潤(rùn)滑油臟污、氧化，對(duì)設(shè)備管理帶來(lái)難度，另一方面會(huì)臟污電磁換向閥，導(dǎo)致?lián)Q向閥芯卡阻從而影響離合器正常動(dòng)作，就可能對(duì)生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)安全隱患。更主要的是，磨粒還會(huì)造成舵槳其他機(jī)械的磨損，降低舵槳的壽命。因此，我們必須采取有效措施，避免離合器發(fā)生沖擊。

參考文獻(xiàn)：

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