國產滑差離合器及控制系統在拖船上的應用

劉亞洲

(無錫東方長風船用推進器有限公司,江蘇 無錫 214082)

0 引言

大型船舶和超大型船舶安全靠離碼頭時需要港作拖船的協助。港作拖船船型小,具有機動性強、操縱性好的特點。隨著大功率全回轉舵槳裝置的應用,港作拖船能夠輕松實現原地回轉,從而保障大型船舶快速靠離泊碼頭[1]。由于全回轉港作拖船功率需求越來越大,功能要求越來越高,因而大部分全回轉拖船配備集成式離合器裝置,即離合器集成安裝在舵槳本體上。全回轉舵槳用離合器按照動力源不同主要分為氣動式和液壓式。氣動離合器轉矩范圍廣,結構形式相對簡單,但對空氣控制系統可靠性及氣源質量要求高[2];液壓離合器占用空間小、慣量低、嚙合和松脫速度快,可以傳遞很高的扭矩,一般都有密閉的外殼,可以減少灰塵污染的影響。

有些拖船配備了消防功能。為了提高主機利用率,主機既要提供推力又要提供消防泵的動力。當消防應用時,一臺主機提供消防動力,另一臺舵槳控制船舶航行姿態,正常航行為2臺全回轉舵槳同時工作,所以單靠一臺舵槳很難控制船舶姿態。因此在拖船上應用滑差離合器可以很好地解決上述問題?；铍x合器應用多為半滑差形式。國內滑差離合器及控制系統基本為進口件,滑差系統功能復雜、后期故障率高、使用維護成本高;國外供應商售后響應速度慢。

因此,本文提出應用國產滑差離合器及控制系統,在保證可靠性的前提下,降低使用成本,減少維護時間,提高售后響應速度。

1 半滑差式離合器簡介

半滑差式離合器是主機在怠速時,其輸出轉速可調節,而主機在穩定怠速以上時,其輸出轉速與主機轉速一致。半滑差離合器工況見表1。半滑差離合器結構和全滑差離合器一樣,控制離合器的主動摩擦盤與從動摩擦盤的相對滑動。離合器片分為鋼片和摩擦片,摩擦片的外圓周圍為齒形結構,離合器兩端摩擦片只有單面有摩擦材料,中間的摩擦片兩側都覆蓋有摩擦材料。摩擦片的外齒與離合器內支撐架的內齒相嚙合。離合器的活塞置于支撐架的內側,它的內外圓周通過V形的密封圈密封。鋼片與摩擦片交替裝配,當離合器壓力油供至離合器活塞時,摩擦片與鋼片之間因摩擦力的作用而嚙合,將輸入軸的動力傳遞給輸出軸。當壓力釋放時,離合器活塞會在彈簧的作用力下重新返回到初始位置,使得離合器快速脫開。

表1 半滑差離合器輸入/輸出轉速-控制手柄角度表

2 系統原理及控制分析

離合器操作及潤滑液壓系統原理圖見圖1。

①—滑差離合器機械本體;②—液壓旋轉接頭;③—機帶泵(P1);④—管路濾器;⑤—合排控制閥;⑥—滑差控制閥;⑦—減壓閥;⑧—冷卻器;⑨—回油濾器;⑩—油箱;⑥-1—比例壓力閥;⑥-2—電磁換向閥;⑥-3—液控單向閥;A、B、K、P 、W、X—端口。

2.1 離合器液壓原理分析

P1機帶泵排出的油液經管路濾器過濾后,進入合排控制閥;駕控臺手柄在零位,離合器電磁閥未得電,油液經過液控溢流閥,此時液控溢流閥設定壓力為0;油液再經過減壓閥,壓力設定在300 kPa,給離合器潤滑,此時離合器潤滑流量需求較小,多余油液經過冷卻器和回油濾器,回到液壓油箱。

半滑差狀態時,駕控臺手柄傾斜10°時行程開關接通,離合器電磁閥得電,液控溢流閥壓力設定在2 400 kPa,油液經過電磁閥P口至K口和B口。K口油液控制液控溢流閥,B口輸出至滑差閥塊,此時滑差開始,電磁換向閥得電,油液經過比例壓力閥,輸出至離合器。

此時壓力油輸入液控單向閥X口,使得單向閥打開,B口至A口接通,離合器滑油流量加大,在半滑差狀態及接排狀態,為離合器潤滑提供大流量潤滑油液。

手柄角度在10°～45°之間變化時為滑差狀態,角度越大,電信號越大,比例壓力閥輸出壓力越大。手柄信號進入控制器,控制器輸出可變的電流信號,輸入至比例壓力閥,壓力閥輸出一定壓力的油液至離合器,實現滑差功能。對應關系見圖2。

離合器輸出壓力與槳轉速的對應關系見圖3。從圖中可見,主機怠速為430 r/min時,怠速槳的最大轉速為120 r/min;離合器壓力為0.6 MPa時,槳轉速基本達到最高轉速120 r/min。離合器壓力在0～0.6 MPa區間變化。

圖2 離合器壓力與電流對應圖

圖3 槳轉速與離合器壓力對應圖

手柄角度在45°以后,電磁換向閥和比例壓力閥失電,停止工作,壓力油經過電磁換向閥P口至A口之間進入離合器控制腔,使得離合器完全合排。

2.2 控制原理分析

離合器控制原理流程圖見圖4。中央控制器采集駕控臺手柄傾斜角度信號及實時的槳轉速信號,實現離合器滑差功能的閉環控制。

圖4 離合器控制圖

當主機處于怠速時,手柄傾斜角度10°,滑差開始,電磁換向閥與比例壓力閥得電;手柄傾斜角度在10°～45°變化,控制輸出的壓力電流信號也在變化,角度越大電流值越大,離合器壓力越大,螺旋槳轉速越高。由于螺旋槳受舵角及水流影響,槳的負載一直在變化,如果實現槳轉速穩定輸出,肯定要閉環控制,此時螺旋槳轉速信號反饋至中央控制器,實現對離合器滑差功能的閉環控制,讓客戶有一個滿意的使用體驗。

當手柄繼續傾斜,大于45°,離合器電磁閥繼續得電,此時電磁換向閥和比例壓力閥失電,離合器進入完全合排狀態。脫排時手柄復位至小于10°,所有電磁閥失電,壓力消失,離合器脫排。

3 實船應用常見故障分析

半滑差離合器在實船應用中常見的故障和處理方式見表2。整體應用實踐中,此滑差離合器液壓及控制系統發生故障的概率低,廣受用戶好評。

表2 半滑差離合器常見故障分析

4 結論

(1)本文完成了國產半滑差離合器系統的液壓及控制系統的設計。滑差離合器可以減少主機和螺旋槳之間的沖擊,實現緩沖功能。每次離合器合排過程中,都要先半滑差然后再合排,使螺旋槳轉速變化比較平緩,船體自身受到沖擊力減弱。

(2)配備半滑差離合器的全回轉港作拖船,可以在消防模式時,更好地控制船舶姿態,提高船舶操作的靈活性,另外使得拖船作業時更加節能。

(3)本文采用的滑差離合器、液壓閥組件、中央控制器均為國產品牌,采購周期及成本相對進口件大幅度降低,售后響應更及時,可以更廣泛地應用在港作拖船上。