船用燃氣輪機傳動系統中3S離合器工作原理與模型

葛仁超

● （海軍裝備部 沈陽軍事代表局，遼寧沈陽 110031）

船用燃氣輪機傳動系統中3S離合器工作原理與模型

葛仁超

● （海軍裝備部 沈陽軍事代表局，遼寧沈陽 110031）

3S（Synchro-Self-Shifting）離合器作為柴—燃聯合動力裝置（CODOG）中的關鍵部件，其性能直接影響著推進系統的整體性能，進而影響艦船的總體性能。闡述了 3S離合器的原理與結構以及數學模型，這研究CODOG動力裝置切換過程有重要意義。

燃氣輪機；傳動；離合器；模型

0 引言

燃氣輪機[1]與螺旋槳之間需用恰當的傳動設備來實現功率的傳遞。首先是兩者轉速相差很大，例如大型艦船的螺旋槳轉速僅每分鐘數百轉，而燃氣輪機輸出轉速每分鐘數千轉，必須通過大減速比的齒輪箱來傳動給螺旋槳。而聯合動力裝置，齒輪箱還兼有將兩臺機組實現交替傳動或并車傳動的功能，即在齒輪箱中要加裝離合器。離合器是傳動系統中的重要部件，現用的有3S離合器和液力偶合器，其中3S離合器在運行中能自動實現嚙合與分離，工作平穩，無傳動損失，得到了廣泛的應用。

1 3S離合器結構與工作原理

3S離合器為自動同步離合器(Synchro-Self-Shifting Clutch)，在主動件與從動件之間轉速同步時，離合器能實現自動嚙合與分離來滿足運行的需要。圖1為3S離合器簡圖，它在主動件與從動件之間有一滑動件，并有棘輪和棘爪。滑動件與從動件之間以螺旋花鍵傳遞扭矩，并靠傳扭方向的變化使滑動件左移或右移，實現離合器的分離和嚙合。棘爪在滑動件上，棘輪在從動件上。

圖1 3S離合器

動力裝置在靜止時，離合器處于圖1中上半位置。當主動件開始旋轉時，棘輪對棘齒產生作用力，使滑動件相對于主動件旋轉，受螺旋花鍵的導向作用，滑動件向右側移動，變為圖中下半部所示的離合器齒嚙合的狀態，主動件帶動從動件一起旋轉。這就是動力裝置處于靜止狀態機組開始起動投運的工況。

動力裝置運行時，處于主動件端的機組若要停機，而從動件端仍要繼續工作時，隨著主動件端轉速下降，螺旋花鍵傳遞的力矩反向，使滑動件向左側移動，離合器齒就分離，變為圖1的上半部位置，于是主動件端機組停機。這相當于動力裝置中一臺機組需繼續運行而另一臺機組要脫開而停機的工況。

當從動件端在工作，而主動件端由靜止狀態投運時，主動件端機組開始起動加速到轉速同步并略為超過從動件的轉速，棘輪就會對棘齒產生作用力，使滑動件右移，離合器齒嚙合，機組的功率由主動件傳給從動件。這相當于動力裝置中原有一臺機組工作時，另一臺機組起動投運實現兩臺機組并車轉動螺旋槳的工況。

因此，3S離合器可在運行中自動實現離合，良好地滿足聯合動力裝置工作的需求。

2 3S離合器模型

考慮到3S離合器的工作原理，建立如圖2所示的3S離合器模型[2]。圖2中3S離合器的輸入為主動軸和從動軸的轉速以及主動軸的扭矩，輸出則為發動機轉速和 3S離合器狀態信號。當主動軸和從動軸之間的轉速差大于一定值時，3S離合器嚙合；反之，3S離合器脫開。模型中對離合器的完全嚙合或脫開需要一個時間延遲，同時，模型中對離合器所能傳遞的最大和最小扭矩作了限制，這里認為所能傳遞的最大扭矩為110%，最小扭矩為10%，這兩個數值也是可調的。

圖2 3S離合器模型

2.1 嚙合過程

處于脫開狀態的3S離合器，主動件靜止或低于從動件的轉速旋轉，棘輪和棘爪處于脫離狀態，此時若主動件加速超過從動件的速度，3S離合器即發生嚙合。

主動件的受力情況如圖3所示。主動件上有主動力距M1；螺旋齒上的阻力距Mz；與Mz相應的軸向力Fa；軸承反力Fb；結合面A、B、C(C’)、D 和E處的摩擦力總和Ff’；與之相應的力矩Mf’；齒面摩擦力Ff和與之相應的摩擦力矩Mf。

圖3 3S離合器模型

對Ff和Mf，選定一個經驗摩擦系數f，把摩擦力當作一個常數來處理，令摩擦角θ=tan-1(f /cosα)，系數Cβ=Dt/(2tanβ)，則摩擦力及摩擦力矩為：

式中：Ffa為Ff的軸向分力；Fa為與Mz相應的軸向分力；Dt為螺旋齒分度圓直徑；β為螺旋角；α為螺旋齒法面壓力角。從流體潤滑的角度分析，摩擦力Ff’即為克服油膜粘性的剪切應力。考慮其工作狀態與滑動軸承的工作狀態極其相似，按短軸承的相關計算理論計算摩擦力：F=(2π ·η · ν · R · L · C-1)/(1-ε2)-1/2。

式中：η為動力粘度；ν為相對速度；R為軸頸半徑；L為軸承寬度（結合面的軸向寬度）；C為結合面概率上的半徑差。以下給出結合面的基本尺寸及公差（單位：㎜）：

與Ff’相應的摩擦力矩：

1）對主動件有力矩方程：

式中：J1、ω1分別為主動件的轉動慣量和角加速度。

2）中間件相對主動件有相對運動，設中間件相對主動件在圓周方向轉角 φr，軸向移動 Lr，有幾何關系：tanβ=(-Dt/2)φr/Lr，可得 Lr=-Cβ·φr，則：d2Lr/dt2=-Cβ·(d2φr/dt2)。

式中：Dt為螺旋齒分度圓直徑；β為螺旋角。即：

式中：Vz為中間件軸向速度；ωz、εz分別為中間件的相對角速度和角加速度。中間件的行程為：

式中：a、b分別為仿真開始及結束時間（位移始點和終點對應的時間）。

圖4 中間件的受力分析

3）中間件的受力分析如圖4所示，對中間件來說，Mz、Mf、Mf’是主動力矩，Mr是從動件給中間件的阻力矩，Fr、Mr’是在軸向位移經過2mm后齒面嚙合產生的摩擦力及力矩。

由于從動件的角速度ω2和角加速度ε2分別等于中間件的絕對角速度和角加速度，即：ω2=ω1+ωz，ε2=ε1+εz，則 ωz=-(ω1-ω2)，εz=-(ε1-ε2)。

式中：FR為駐退阻尼力（在我們的實驗臺上，駐退阻尼力主要發生在嚙合的后5mm，而前10mm阻尼力很小，這樣才能使離合器順利脫開）；J為考慮了摩擦力的中間當量轉動慣量；mz為中間件的質量；Jz為中間件的轉動慣量。

摩擦力：Fr’=Mr· f /(Ds/2)

式中：Ds為G處齒輪分度圓直徑(Ds=0.17m)。

力矩方程：

4）從動件的受力分析如圖5所示，從動件的受力較為簡單：中間件施加的動力距Mr，阻力距Mr＇，負載M2。

力矩方程：

式中：J2、ε2分別為從動件的轉動慣量和角加速度。

圖5 從動件的受力分析

2.2 脫開過程

嚙合狀態的3S離合器，若主動件減速，或從動件加速，或兩者兼而有之，離合器發生脫開，當離合器一端是正扭矩，一端是反扭矩，并且反扭矩的作用大時，離合器也能脫開。其計算過程只要在上述嚙合的基礎上，改變一些量的方向即可。其計算過程只要在上述嚙合的基礎上，改變一些量的方向即可。

根據式（1）～（19）用Matlab/Simulink圖形化流程圖式編程語言可建立起3S離合器的仿真模塊，將這些模塊連接起來形成如圖6所示的3S離合器模型。

圖6 3S離合器模型

3S離合器主動件、中間件和從動件模型分別如圖7～9所示。

圖7 3S離合器主動件模型

圖8 3S離合器中間件模型

圖9 3S離合器中間件模型

3 應用及結果

3S離合器模型是組成柴—燃聯合動力裝置實驗臺模型的一部分，與柴油機模型、燃氣輪機模型等配合，可進行CODOG系統各種工作過程的動態仿真，還可進行其它多種方案下切換控制模式的仿真，甚至可以進行一些可能發生破壞性結果而在物理實驗臺上無法進行的工作的仿真。

[1]姜 偉. 燃氣輪機原理、結構與應用[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[2]勞爾（美）. 仿真建模與分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2009.

Principle and Model of 3S Clutch in Marine Gas Turbine Drivetrain System

GE Ren-chao(Naval Armaments Department, Bureau of Shenyang Military Representative, Shenyang 110031, China)

3S (Synchro-Self-Shifting) clutch is a critical component of CODOG (Combined Diesel on Gas Turbine) power plant. Its performance directly affects the overall performance of the propulsion system, thus affects the overall performance of the ship. The principle, structure and mathematical model of 3S clutch are described, which is significant to study the CODOG power device switching process.

gas turbine; drive train; clutch; model

U664.131

A

葛仁超（1981-），男，工程師。主要從事蒸汽、燃氣動力裝置建造和質量監督工作。