船用離合器氣胎充氣時間計算及試驗分析

張金國,王雋,王剛偉,何濤

(1.華中科技大學，武漢 430074；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

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船用離合器氣胎充氣時間計算及試驗分析

張金國1,2,王雋2,王剛偉2,何濤2

(1.華中科技大學，武漢 430074；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

針對船用離合器充氣時間計算問題，鑒于國內(nèi)閥件空氣流阻、等效流通面積等基礎性數(shù)據(jù)欠缺的具體情況，提出“半工程，半計算”的計算分析模式，即基于實船或陸上模擬試驗臺架充氣時間，核算新研氣胎充氣時間。在上述計算分析基礎上，建立陸上試驗臺架，試驗結(jié)果表明，陸上試驗臺架充氣時間與實船充氣時間較為接近，偏差小且滿足標準規(guī)定要求。

離合器氣胎；充氣時間；試驗臺架；船舶

CB/T3860-2011《船用氣胎離合器》規(guī)定離合器氣胎的接合時間應不超過15 s，脫開時間應不超過10 s[1]。為此，船舶需設置必要的空氣系統(tǒng)為離合器進行充放氣。空氣系統(tǒng)設計時，一方面，為保證充放氣時間，需在一定流通面積條件下，降低系統(tǒng)管路中閥件流阻；另一方面，要盡量提高壓縮空氣的氣源品質(zhì)，降低氣源品質(zhì)對橡膠氣胎的影響，在空氣系統(tǒng)中需設置必要的過濾凈化設施，該設施會增加系統(tǒng)流阻[2]。因此，在進行空氣系統(tǒng)設計時需對系統(tǒng)流阻、氣胎充放氣時間進行計算分析。由于目前國內(nèi)閥件空氣流阻、等效流通面積等基礎性計算輸入欠缺，給計算分析帶來了較大困難。為此，提出“半工程，半計算”的計算分析模式，即基于實船或陸上模擬試驗臺架充氣時間，核算新研氣胎充氣時間可否滿足設計要求；同時通過陸上臺架試驗對計算分析結(jié)果進行試驗驗證。

1 離合器氣胎充氣時間理論分析

1.1 離合器氣胎充氣時間計算模型

離合器氣胎充氣過程可以簡化為圖1所示模型。由于氣胎充氣過程時間短暫，充氣過程中氣胎對外界傳遞的熱量和做功可以忽略，充氣過程為絕熱過程，滿足如下控制方程[3]。

圖1 氣胎充氣過程簡化模型示意

(1)

將氣胎充氣過程視為絕熱過程，其音速[4]為

(2)

1)從氣胎初始壓力pt0到臨界壓力pc階段，充氣過程為音速充氣階段(氣胎充氣口進氣速度為音速)，氣胎進氣速度為恒定值。

2)從臨界壓力pc開始到氣胎終止壓力pt階段，該階段中充氣過程為亞音速階段(氣胎充氣進氣口速度為亞音速)，隨著氣胎內(nèi)氣量的增加，充氣速度逐漸降低，全過程進氣速率小于音速。

(1)音速充氣階段(從氣胎初始壓力pt0到臨界壓力pc階段)，本階段中進氣速度為常量(音速)，氣胎壓力與充氣時間成線性關系，可以推導出本階段中充氣時間

(3)

式中：V為氣胎容積；Qc為對應的充氣速度。

根據(jù)氣體控制方程、連續(xù)方程和音速速度公式推導出充氣速率。

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)得出音速充氣階段所需的充氣時間為

(5)

(2)亞音速充氣階段(從臨界壓力pc開始到氣胎終止壓力pt階段)，本階段中進氣速度隨著充氣過程的進行逐漸減小，充氣時間如下。

(6)

對式(6)在pc到pt范圍進行積分，得到亞音速充氣過程的充氣時間為

(7)

式中：S為有效截面積。

離合器氣胎充氣過程，均經(jīng)歷音速充氣過程和亞音速充氣過程，整個階段充氣時間t=t1+t2。

一節(jié)流孔有效截面積示意于圖2，若干個元件串聯(lián)的有效截面積按照式(8)計算[5]。

圖2 有效截面積示意

(8)

1.2 氣胎充氣時間計算

由于空氣系統(tǒng)中各個元件的有效截面積無法獲得，同時隨著系統(tǒng)管路走向的不同，S取值也有所不同[6]，因此，系統(tǒng)管路的等效截面積S只能根據(jù)已有系統(tǒng)試驗過程中充氣時間進行估算，進而計算出等效截面對應的氣胎充氣時間。

氣胎充氣參數(shù)見表1，基于上述給出的氣胎充氣時間計算公式，根據(jù)母型氣胎試驗數(shù)據(jù)反算出等效有效截面積S，進而估算出氣胎充氣時間，結(jié)果見表2。

表1 氣胎充氣參數(shù)對比

表2 氣胎充氣時間估算 s

氣胎壓力隨著充氣時間的變化見圖3。

圖3 氣胎壓力隨充氣時間變化

由圖3可見，在初始音速進氣階段(氣胎壓力0～1.272 8 MPa)充氣速率恒定；在亞音速階段氣胎進氣速率逐漸降低。在整個過程中，充氣過程可以近似為定速充氣過程(線性過程)。對比充氣時間可以發(fā)現(xiàn)，相同管路布置下需計算氣胎充氣時間均小于母型氣胎充氣時間，主要是氣胎容積減小的緣故。

2 離合器氣胎充氣時間臺架試驗

在沒有母型氣胎充氣時間情況下，可通過陸上臺架試驗，對氣胎充氣時間進行測試。氣胎模擬充氣時間試驗臺架原理見圖4。試驗結(jié)果見表3。

表3 氣胎充氣時間測試試驗結(jié)果 s

圖4 氣胎充氣時間測試試驗臺架原理

上述試驗臺架搭建時采用了實船閥件、濾器、管路系統(tǒng)等，僅氣胎采用了鋼瓶代替[7]。試驗結(jié)果表明，上述陸上試驗臺架充氣時間與實船充氣時間較為接近，能夠滿足充氣時間小于15 s的標準規(guī)定要求。同時陸上臺架試驗表明：空氣系統(tǒng)中所采用的減壓閥、濾器等附件對于系統(tǒng)的流通能力至關重要，對其選型時應充分考慮其空氣流量及余量，確保離合器充氣時間。

3 結(jié)論

1)由于空氣的可壓縮特性，同時鑒于國內(nèi)閥件空氣流阻、等效流通面積等基礎性數(shù)據(jù)的欠缺，按照標準規(guī)范對氣胎充氣時間進行計算時，存在因設計輸入不明導致計算分析無法開展的問題。故提出“半工程，半計算”的計算模式用于解決上述問題，即基于實船或陸上模擬試驗臺架充氣時間，核算新研氣胎充氣時間。

2)氣胎模擬充氣陸上臺架試驗對理論計算分析結(jié)果進行試驗驗證工作表明：理論計算及陸上試驗臺架結(jié)果與實船試驗結(jié)果偏差5.6%，精度高，且滿足標準規(guī)范要求。

3)氣胎充氣陸上模擬臺架試驗進一步表明：空氣系統(tǒng)中設置的減壓閥、濾器等附件對系統(tǒng)的流通能力至關重要，對其選型時應充分考慮其空氣流量及其余量，確保離合器充氣時間。

4)目前國內(nèi)在船用離合器充氣時間計算分析及臺架試驗方面的研究較少。本文在理論分析及實船試驗、陸上模擬試驗等試驗數(shù)據(jù)基礎上，梳理氣胎充氣時間及空氣系統(tǒng)的設計方法，可為新研氣胎充氣時間及空氣系統(tǒng)的設計提供參考。

[1] 中華人民共和國工業(yè)與信息化部．船用氣胎離合器：CB/T3860-2011[S].北京:中國標準出版社,2011.

[2] 王旭峰．船舶壓縮空氣系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學，2009.

[3] 蘇睿，何文，鐘志華.汽車安全氣囊結(jié)構(gòu)改進充氣試驗系統(tǒng)[J].機械與電子，2006(4)：21-23.

[4] 陳紹綱.輪機工程手冊：上冊[M].北京：人民交通出版社，1992.

[5] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[6] 王旭.船舶壓縮空氣系統(tǒng)動態(tài)建模與仿真[D].大連：大連海事大學，2013.

[7] 蘇睿.安全氣囊試驗系統(tǒng)設計及復合管式安全氣囊研究[D].長沙：湖南大學，2006.

A Numerical and Experimental Research on Inflating Time of a Marine Clutch

ZHANG Jin-guo1，2, WANG Jun2, WANG Gang-wei2, HE Tao2

(1.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

A analysis model combining project with calculation for inflating time of a marine clutch was given out. Due to lack of the basic datum of the valve, a new simulation model was established to correct the inflating time based on the experimental data from the test rig. The experimental results showed that the inflating time given by the test rig is very closed to the real time needed in the real ship.

the clutch; inflating time; test rig; ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.030

2016-10-28

國家部委基金資助項目

張金國(1978—)，男，碩士，高工

研究方向：艦船動力裝置設計

U664.1

A

1671-7953(2017)04-0134-03

修回日期：2016-11-29