国产滑差离合器及控制系统在拖船上的应用

刘亚洲

(无锡东方长风船用推进器有限公司,江苏 无锡 214082)

0 引言

大型船舶和超大型船舶安全靠离码头时需要港作拖船的协助。港作拖船船型小,具有机动性强、操纵性好的特点。随着大功率全回转舵桨装置的应用,港作拖船能够轻松实现原地回转,从而保障大型船舶快速靠离泊码头[1]。由于全回转港作拖船功率需求越来越大,功能要求越来越高,因而大部分全回转拖船配备集成式离合器装置,即离合器集成安装在舵桨本体上。全回转舵桨用离合器按照动力源不同主要分为气动式和液压式。气动离合器转矩范围广,结构形式相对简单,但对空气控制系统可靠性及气源质量要求高[2];液压离合器占用空间小、惯量低、啮合和松脱速度快,可以传递很高的扭矩,一般都有密闭的外壳,可以减少灰尘污染的影响。

有些拖船配备了消防功能。为了提高主机利用率,主机既要提供推力又要提供消防泵的动力。当消防应用时,一台主机提供消防动力,另一台舵桨控制船舶航行姿态,正常航行为2台全回转舵桨同时工作,所以单靠一台舵桨很难控制船舶姿态。因此在拖船上应用滑差离合器可以很好地解决上述问题。滑差离合器应用多为半滑差形式。国内滑差离合器及控制系统基本为进口件,滑差系统功能复杂、后期故障率高、使用维护成本高;国外供应商售后响应速度慢。

因此,本文提出应用国产滑差离合器及控制系统,在保证可靠性的前提下,降低使用成本,减少维护时间,提高售后响应速度。

1 半滑差式离合器简介

半滑差式离合器是主机在怠速时,其输出转速可调节,而主机在稳定怠速以上时,其输出转速与主机转速一致。半滑差离合器工况见表1。半滑差离合器结构和全滑差离合器一样,控制离合器的主动摩擦盘与从动摩擦盘的相对滑动。离合器片分为钢片和摩擦片,摩擦片的外圆周围为齿形结构,离合器两端摩擦片只有单面有摩擦材料,中间的摩擦片两侧都覆盖有摩擦材料。摩擦片的外齿与离合器内支撑架的内齿相啮合。离合器的活塞置于支撑架的内侧,它的内外圆周通过V形的密封圈密封。钢片与摩擦片交替装配,当离合器压力油供至离合器活塞时,摩擦片与钢片之间因摩擦力的作用而啮合,将输入轴的动力传递给输出轴。当压力释放时,离合器活塞会在弹簧的作用力下重新返回到初始位置,使得离合器快速脱开。

表1 半滑差离合器输入/输出转速-控制手柄角度表

2 系统原理及控制分析

离合器操作及润滑液压系统原理图见图1。

①—滑差离合器机械本体;②—液压旋转接头;③—机带泵(P1);④—管路滤器;⑤—合排控制阀;⑥—滑差控制阀;⑦—减压阀;⑧—冷却器;⑨—回油滤器;⑩—油箱;⑥-1—比例压力阀;⑥-2—电磁换向阀;⑥-3—液控单向阀;A、B、K、P 、W、X—端口。

2.1 离合器液压原理分析

P1机带泵排出的油液经管路滤器过滤后,进入合排控制阀;驾控台手柄在零位,离合器电磁阀未得电,油液经过液控溢流阀,此时液控溢流阀设定压力为0;油液再经过减压阀,压力设定在300 kPa,给离合器润滑,此时离合器润滑流量需求较小,多余油液经过冷却器和回油滤器,回到液压油箱。

半滑差状态时,驾控台手柄倾斜10°时行程开关接通,离合器电磁阀得电,液控溢流阀压力设定在2 400 kPa,油液经过电磁阀P口至K口和B口。K口油液控制液控溢流阀,B口输出至滑差阀块,此时滑差开始,电磁换向阀得电,油液经过比例压力阀,输出至离合器。

此时压力油输入液控单向阀X口,使得单向阀打开,B口至A口接通,离合器滑油流量加大,在半滑差状态及接排状态,为离合器润滑提供大流量润滑油液。

手柄角度在10°～45°之间变化时为滑差状态,角度越大,电信号越大,比例压力阀输出压力越大。手柄信号进入控制器,控制器输出可变的电流信号,输入至比例压力阀,压力阀输出一定压力的油液至离合器,实现滑差功能。对应关系见图2。

离合器输出压力与桨转速的对应关系见图3。从图中可见,主机怠速为430 r/min时,怠速桨的最大转速为120 r/min;离合器压力为0.6 MPa时,桨转速基本达到最高转速120 r/min。离合器压力在0～0.6 MPa区间变化。

图2 离合器压力与电流对应图

图3 桨转速与离合器压力对应图

手柄角度在45°以后,电磁换向阀和比例压力阀失电,停止工作,压力油经过电磁换向阀P口至A口之间进入离合器控制腔,使得离合器完全合排。

2.2 控制原理分析

离合器控制原理流程图见图4。中央控制器采集驾控台手柄倾斜角度信号及实时的桨转速信号,实现离合器滑差功能的闭环控制。

图4 离合器控制图

当主机处于怠速时,手柄倾斜角度10°,滑差开始,电磁换向阀与比例压力阀得电;手柄倾斜角度在10°～45°变化,控制输出的压力电流信号也在变化,角度越大电流值越大,离合器压力越大,螺旋桨转速越高。由于螺旋桨受舵角及水流影响,桨的负载一直在变化,如果实现桨转速稳定输出,肯定要闭环控制,此时螺旋桨转速信号反馈至中央控制器,实现对离合器滑差功能的闭环控制,让客户有一个满意的使用体验。

当手柄继续倾斜,大于45°,离合器电磁阀继续得电,此时电磁换向阀和比例压力阀失电,离合器进入完全合排状态。脱排时手柄复位至小于10°,所有电磁阀失电,压力消失,离合器脱排。

3 实船应用常见故障分析

半滑差离合器在实船应用中常见的故障和处理方式见表2。整体应用实践中,此滑差离合器液压及控制系统发生故障的概率低,广受用户好评。

表2 半滑差离合器常见故障分析

4 结论

(1)本文完成了国产半滑差离合器系统的液压及控制系统的设计。滑差离合器可以减少主机和螺旋桨之间的冲击,实现缓冲功能。每次离合器合排过程中,都要先半滑差然后再合排,使螺旋桨转速变化比较平缓,船体自身受到冲击力减弱。

(2)配备半滑差离合器的全回转港作拖船,可以在消防模式时,更好地控制船舶姿态,提高船舶操作的灵活性,另外使得拖船作业时更加节能。

(3)本文采用的滑差离合器、液压阀组件、中央控制器均为国产品牌,采购周期及成本相对进口件大幅度降低,售后响应更及时,可以更广泛地应用在港作拖船上。