8000KW救助船舶濕式多片摩擦離合器過熱分析

張尚耀 李輝

摘 要：船用濕式多片摩擦離合器（圖1）的摩擦片在較高速度時容易發生滑摩或油膜剪切發熱問題。這與潤滑油油路結構、摩擦片油槽結構及離合器使用條件、摩擦片內部溫度場、位移場有關，還與潤滑及冷卻介質的流場有關。本文著重對我局8000KW系列救助船舶所采用的濕式多片摩擦離合器在操作、維護和管理方面可能會引起多片摩擦離合器過熱這個問題進行分析。

關鍵詞：離合器 過熱

8000KW系列遠洋救助船舶采用齒輪箱為瓦錫蘭公司配套提供，標配產品。垂直偏心布置，偏心距850mm。型號SCV85-PC69/P72，額定輸入功率4500KW，額定輸入轉速750rpm，輸出轉速（螺旋槳轉速）192.1rpm。軸帶發電機輸出轉速1513rpm，輸出功率1800KW。軸帶消防泵輸出轉速1791rpm，輸出功率1050KW。軸帶齒輪油泵組為同軸雙聯泵，其高壓泵排量106升/分鐘，低壓泵排量190升/分鐘。每臺齒輪箱配置1臺獨立的電動滑油、控制油備用泵，為同軸雙聯電動齒輪泵。低壓泵提供齒輪箱的相關部件潤滑、冷卻用油，高壓泵為離合器和變距槳提供液壓控制用油[1]。齒輪箱主離合器和消防泵離合器均采用液壓驅動的多片式摩擦片離合器，以減輕離合器合排時的扭力沖擊振動對離合器及齒輪箱部件造成損害。

1.離合器摩擦片過熱的主要成因

實際工作狀態下，離合器摩擦接觸面的壓力分布往往是不均勻的，這就造成了接觸壓力高的區域產生了較高的溫度場，有較高溫度場的區域又會形成較高的熱膨脹，從而導致更高的接觸壓力的形成。這種正反饋作用在相對滑動速度超過一個臨界值的情況下將變得很不穩定，加劇摩擦表面接觸壓力和溫度場的不均勻性，導致摩擦系統的不穩定，這種現象稱為熱彈性不穩定現象。熱彈性不穩定將導致摩擦面上產生局部高溫點，從而導致材料破壞、熱裂紋生成和摩擦振動的引起（如圖2）。

研究發現，過熱的兩大主要原因是離合器合排打滑和嚴重帶排。離合器合排打滑引起的發熱主要是離合器合排過程中因超載、摩擦系數降低、摩擦片磨損嚴重等原因導致的摩擦片和偶合片相對滑動，產生很大的滑摩功，并轉化為熱量。離合器嚴重帶排引起的發熱主要是離合器空轉時，摩擦片相對線速度較高，若摩擦片和偶合片之間間隙過小，由于油膜剪切產生的帶排力矩大于負載力矩，帶動負載在較高轉速下跟轉，出現潤滑油溫快速超過許用值。船用濕式多片摩擦離合器使用潤滑油進行分片，如果摩擦片與偶合片分離不徹底，摩擦片或偶合片有翹曲，可能出現碰摩或者滑摩，帶排現象更嚴重，發熱量更大。因此針對這兩方面的研究成為解決離合器過熱問題的主要措施。

2.離合器合排工作原理分析

2.1 自動合排操作原理分析（圖3）

為了便于分析起見，使用8000kw齒輪箱液壓控制原理圖進行分析。主離合器閥組在原理圖上分解成如下幾個單獨的閥件，29.1（離合器主閥模塊），21.1（軟離合二位四通閥），23b1（6bar減壓閥），23a1（25bar減壓閥）。PTO離合器閥組為29.2，21.2，23a2，23b2。

正常情況下合排步驟：遙控按下合排按鈕，29.1閥件右側與21.1軟離合閥件同時通電，29.1閥件閥芯向右側移動，液壓油走右側通道至離壓器壓縮油缸，21.1軟離合閥件下位通，阻斷油流通往23a1，此時油流只能通過23b1經單向閥流向29.1右側通道進離合器油缸，經13秒后，6bar壓力油推動離合器壓縮活塞并將摩擦片和偶合片初步貼合，此過程就是所謂的軟離合。13秒過后21.1閥件斷電，該閥油路跳轉上位通道，高壓油流經21.1閥件上位通道流向23a1減壓閥，此時23b1（6bar減壓閥）及23a1（25bar減壓閥）閥體都與油泵來的油流聯通，因23b1（6bar減壓閥）及23a1（25bar減壓閥）閥體間安裝了單向止回閥，故而油泵至離合器油腔的液壓油只能走23a1（25bar減壓閥）閥體通道，至此25bar壓力油作用在壓縮活塞上，壓縮離合器摩擦片和偶合片，完成了離合器平順合排動作，壓力傳感器檢測到25bar壓力表示合排成功。

2.2.手動合排操作原理分析（圖3）

離合器控制電磁閥29.1是一個具有自鎖固定位置的控制閥，從機能圖看，是一個三位三通、不具有彈簧回中的電控滑閥，實際控制動作時，中位僅是一個過渡過程。從自動合脫排機理可以看出，軟合排動作是29.1及21.1電磁閥同時通電后油路的走向決定的，因此在執行手動合排操作時，閥件29.1初始位置處在左側位，亦即脫排位，當要進行手動合排操作時，正確的操作方法應是手動頂壓21.1電磁閥（13秒計時不是從頂開此閥時刻開始），此時油流走23b1（6bar減壓閥）經單向止回閥至29.1（離合器主閥模塊）左側端，為離合器軟合排做準備，接著再手動向左頂動29.1離合器主控制閥，6bar液壓油經29.1右側通道進入離合器油缸，推動離合器活塞壓縮，使摩擦片和偶合片貼合。手動合排時保持13秒或以上通油計時是從頂動29.1離合器主控制閥開始的，13秒通油計時，用意是保證6bar壓力液壓油在13秒的時間內保證充滿離合器內壓縮腔室，因為液體的不可壓縮性，在后續引入25bar壓力油時不會對離合器摩擦片和偶合片造成沖擊。

2.3.合排引起過熱原因分析

8000kw系列救助船舶離合器采用軟合排，合排動作初期，作用在離合器驅動活塞上的液壓驅動力較小，離合器摩擦片和偶合片間的結合度較低，存在著打滑，輸出軸從靜止狀態緩慢啟動回轉，當離合器活塞上的液壓驅動力再次升高時，離合器片間的結合度增加，打滑現象消失，輸出軸以固定轉速回轉。

在遙控或手動操作中，軟合排設定時間為13秒，油壓為6bar。但如果軟合排控制電磁閥21.1出現故障，沒有通電或卡死在打開位置，離合器將直接硬合排，導致動力輸出系統轉動慣量很大，沖擊負荷也大，船體振動明顯，摩擦片磨損嚴重，部分出現裂痕，運行時過熱明顯甚至冒煙。惡性循環最終導致離合器功能失效，船舶失去動力。機旁手動合排時，操作方法以及時間的把控也是很重要，如果不了解合排原理，手動頂壓21.1電磁閥13s后再頂壓29.1（離合器主閥模塊）右側端，就會旁通軟合排環節，形成事實上的硬合排，產生很大的沖擊負荷和異常振動。操作時軟合排時間過短，動力輸出系統轉動慣量還很大，也會出現異常振動、粗暴響聲等現象，損壞摩擦片引起過熱最終導致離合器失效。在日常的使用中，如果發現離合器異常振動或過熱，應該馬上停止使用，檢查原因，及時排除故障。

3.故障帶排引起過熱原因分析

而齒輪箱的故障帶排是指齒輪箱脫排以后輸出軸仍然轉動。該現象是由剛性故障或軟性故障造成的：剛性故障帶排通常是由于裝配問題造成，如摩擦片總間隙偏小、活塞不靈活、返回彈簧損壞、摩擦片毛刺等，造成摩擦片半合半脫狀態，摩擦片和偶合片長期相對滑動導致發熱；軟性故障帶排通常由于操縱閥泄漏，空車位置有少量工作油進入離合器活塞油缸內，導致摩擦片呈半接半脫狀態而發熱。如果產生故障帶排現象，說明摩擦片已經出現問題或操縱閥出現泄漏，必須馬上解決，以防止故障擴大化，危及船舶安全。在日常檢查中，特別是主機未啟動前經常盤車檢查是否有帶排現象，以便及時處理。另外，根據帶排嚴重情況可考慮安裝手動剎車裝置。

4.其他原因引起的過熱

4.1.負荷過大引起離合器過熱

離合器合排過程中，摩擦片和偶合片之間相對滑動產生的滑摩功轉化為熱量，致使摩擦片溫度升高，合排完成后摩擦片在潤滑油的作用下冷卻。救助船舶主離合器和對外消防炮離合器都會在合排時對負荷條件做限制，如離合器合排時螺旋槳葉角必須在±3%以內，對外消防泵離合器合排時進口閥打開、出口閥關閉等，這些措施都是為了保證離合器在合排過程中盡量低負荷。救助船舶經常進行大風浪救助任務，海況對負荷影響很大，輪機人員應加強管理，實現負荷有效控制。

4.2潤滑、冷卻失效導致過熱

離合器結合過程是在活塞推力作用下，摩擦片與從偶合片漸靠近，摩擦形式由流體摩擦變為邊界摩擦，最后摩擦片與從偶合片直接接觸形成干摩擦[6]，結合完成后摩擦片在潤滑油的作用下冷卻。離合器正常工作時的潤滑油經過循環至滑油冷卻器，溫度是通過控制冷卻器的進水量來調節。如果冷卻效果變差 導致產生的熱量不能被及時帶走會使滑油溫度急劇升高，當溫度不合適時會影響到摩擦片的工況。

輪機人員應加強潤滑、冷卻系統的管理，定期檢查滑油壓力，清洗濾器，要定期對壓力繼電器和溫控閥進行試驗，確保其效用。

4.3.滑油污染也會引起過熱

滑油污染是指滑油中存在相當數量的雜質。這些雜質有內部零件磨損、老化以及化學作用產生的金屬屑、於渣和氧化物，也有從外部進入的沙粒、水分等。這些雜質影響潤滑和散熱效果、加速摩擦片磨損，縮短摩擦片壽命，還有可能阻塞油孔，使摩擦片缺油燒蝕?；椭械乃謺鹉Σ疗砻驿P蝕，加速滑油氧化分解，生成沉淀物，惡化潤滑性能。

8000kw系列救助船舶使用的齒輪箱滑油為GEAR600XP100。齒輪箱設計有高壓、低壓滑油濾器，低壓滑油濾器為雙聯濾器，安裝濾器過濾度為14um[8]，在日常工作中，保證齒輪箱滑油在其可用理化范圍內是輪機人員的工作重心，日常拆檢過濾器，檢查磨粒數量和大小，在壓差超過許用值時，要更換濾芯保證過濾正常。定期取滑油油樣進行化驗也是保證滑油質量的重要途徑，對于滑油質量，一定要做到心中有數。

5.離合器過熱處理措施

在8000KW系列船舶的實際使用過程中，離合器開始出現高溫導致失效的案例，應該引起我們重視。前面我們分析了離合器過熱的原因，對于處理措施，我們認為重在預防，結合船舶的日常維護保養，重點做好以下工作：

熟知離合器結構和合脫排工作原理，熟練進行手動合排；

發現離合器合排時出現船體振動強烈，噪音較大時馬上及時查找原因，排除故障；

避免短時間內頻繁操作離合器離合排；

發現帶排現象及時查找原因，排除隱患；

避免過載或者控制油壓太低導致的離合器偶合片與磨擦片滑動；

運行期間，輪機人員對油位、溫度、壓力和液壓管路及其附件做常規檢查；

定期化驗齒輪箱油樣，必要時全部更換齒輪箱油；

定期檢查濾器，發現銅質鐵質顆粒物數量異常增多，則必須查明原因，防止機損；

定期打開離合器觀察導門，檢查離合碟片的潤滑情況和磨損情況，如有必要，可使用專用測量工具測量離合片的磨損量，以判斷離合片的實際狀況，對照說明書的要求，若過度磨損，則需更換；

6.結束語

齒輪箱在船舶設備中居于重要位置，離合器又是齒輪箱的重要組成，此次對船用濕式多片摩擦離合器過熱的分析主要從理論和實踐角度進行闡述，并列舉了管理中需要注意的要點，僅供各位同行參考，不正之處歡迎指正。

參考文獻：

[1]8000KW 海洋救助船主要設備及系統功能、特點簡介及使用操作建議

[2]Hartsock D L，Dinwiddie R B， Fash J W，etal.Development of a high speed system for temperature mapping of a rotating target[C].Proceedings of SPIE， 2000，4020：2-9.

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[8]WARTSILA.WARTSILA齒輪箱使用說明書. [S]