同步自动离合器并车试验研究

张 祥，陈克鑫，王学志，闫 泽

(中国船舶重工集团公司 第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨150078)

0 引 言

同步自动离合器，国外称之为SSS 离合器，是一种通过齿轮元件传递功率的全自动型单向超越离合器，该种离合器只依赖两端转速的变化自动进行接合或脱开，无需任何外部控制。离合器作为理想的离合部件，它的这种特性适用于柴燃交替(CODOG)、燃燃交替(COGOG)以及燃燃联合(COGAG)动力传动装置中［1－2］。

燃燃联合(COGAG)国内尚无2 台同步自动离合器并车运行的使用经验。在理论上，由于“超越”特性，2 台同步自动离合器在同一转速下似乎不能并车接合，但实际上在国外已有应用，例如印度海军某航母采用4 台燃气轮机(LM2500)双机并车COGAG 推进系统中使用了英国SSS 离合器。这是因为利用了燃机动力涡轮为自由涡轮的特性，在2 台燃气轮机需要并车输出功率的瞬间，第2 台燃气轮机动力涡轮的转速会自动“漂升”到接合所需的“超越”转速，从而使该SSS 离合器自动地接合。

在试验台上，由于电机是刚性联接，当第2 台电机升速到离合器接合所需的“超越”转速的时候，由于2 台电机出现了转速差，第1 台电机端的离合器将会脱开，无法实现2 台离合器并车。本文通过电机控制来模拟燃气轮机，从而实现了2 台同步自动离合器并车。

1 同步自动离合器工作原理

舰用燃气轮机端同步自动离合器样机如图1所示。主要由四大部件构成:即主动件、从动件、中继滑移件和主滑移件［6］。当主动件转速高于从动件转速时，中继滑移件在棘轮棘爪和副螺旋齿的作用下，产生轴向滑移运动，中继齿接合。中继齿接合后，在主滑移件上产生轴向推力，推动大惯量的主滑移件滑移，使主动件与从动件上的驱动齿接合，离合器处于接合状态;当主动件转速低于从动件转速时，由于反扭矩的作用，滑移件产生反向滑移，离合器处于脱开状态。

图1 同步自动离合器样机Fig.1 Experiment sample of synchro-self-shifting clutches

2 试验台简介

2.1 试验台组成

试验台的结构布置图如图2所示。其中2 个电机用来模拟燃气轮机，2 台电机为同型号电机，左侧同步自动离合器和右侧同步自动离合器是用来做并车试验的离合器，二者为同类型同旋向的离合器。

2.2 试验台参数

试验台的主要参数如表1所示。

表1 试验台参数Tab.1 Parameter of the test bed

3 电机控制

3.1 电机并车过程

本试验用电机模拟燃气轮机，因电机与燃气轮机特性不同，所以为了实现2 台离合器的并车，首先必须实现2 台电机并车，本试验台控制系统的并车过程分为以下3 步:

图2 同步自动离合器并车试验台结构布置图Fig.2 Structure collocation of twin-synchro-self-shifting clutches incorporation test bed

1)运行在一电机一测功机模式下，2 台电机不存在主从关系。当有并车命令，起动接入电机，接入电机端自动同步离合器处于脱开状态。

2)工作电机转速不变，接入电机转速升到工作电机当前转速，控制接入电机工作在力矩控制及转速跟随工作电机的模式下。

3)给定接入电机转速比工作电机转速高1 r/min，接入电机端同步自动离合器在当前控制模式下，会逐渐接合，并传递扭矩。一旦接入端离合器接合，工作电机的输出扭矩会逐渐转移到接入电机上，直到2 台电机输出载荷均衡为止，完成并车工作。此刻，工作电机工作在转速闭环工作模式下，接入电机工作在力矩控制模式下，接入电机的转速跟随工作电机转速而变化。

3.2 电机解列过程

解列是并车的逆过程:运行在2 电机并车模式下，2 台电机工作存在主从关系，解留电机为主机，解出电机为从机，当有解列命令，设置功率转移命令，增加解留电机输出力矩，减少解出电机输出力矩，直到解出电机几乎处于空载状态;停止解出电机并解除主从关系，2 台电机产生转速差后，解出电机端自动同步离合器脱开，完成解列。

图3 为2 台电机并车及解列关系曲线，其中上半部分为2 台电机的功率－时间关系曲线，下半部分为2 台电机的转速－时间关系曲线。图3 中:曲线①和⑥分别为工作电机功率及工作电机转速变化曲线;曲线②和⑦分别为接入电机功率及接入电机转速变化曲线;曲线③和⑧分别为2 台电机并车阶段功率及转速变化曲线;曲线④和⑨分别为解留电机功率及解留电机转速变化曲线;曲线⑤和⑩分别为解出电机功率及解出电机转速变化曲线。

图3 2 台电机并车及解列关系曲线Fig.3 Relation curve between incorporation and noncooperation of the twin-electric-motors

4 离合器并车试验分析

试验过程中在同步自动离合器指示环两侧安装位移传感器，对离合器滑移组件的滑移距离进行测量，将离合器处于完全接合状态时的位移标定为位移零点，那么在完全脱开状态时的位移极为位移最大点。试验中设定电机8 为工作电机和解留电机，电机1 为接入电机和解出电机。

分别在转速为1 231，1 827，2 424，2 731，3 270 r/min 的工况下对离合器进行并车试验。试验数据如表2所示，2 台离合器滑移行程曲线如图4所示，2 台离合器转速－扭矩关系曲线如图5所示。

图4 2 台离合器滑移行程曲线Fig.4 Slippage displacement of twin-synchro-self-shifting clutches

图5 2 台离合器转速－扭矩关系曲线Fig.5 Relation curve between rotate speed and torque of the twin-synchro-self-shifting clutches

图4 中，在不同转速下并车时，离合器滑移组件都能够迅速产生动作并完全的接合和脱开，运行过程中滑移组件没有出现往复振荡现象，离合器能实现稳定运行工作［3－5］。

图5 中，上半部分为扭矩曲线，下半部分为转速曲线。在试验初始阶段，将右侧同步自动离合器转速升到1 231 r/min，离合器接合，稳定运行后，右侧同步自动离合器输入端扭矩大概为1 100 Nm 左右，左侧同步自动离合器输入端扭矩基本为0，升速左侧同步自动离合器输入端转速至1 231 r/min，此时右侧同步自动离合器输入端扭矩开始下降，左侧同步自动离合器输入端扭矩上升。并车稳定运行后，右侧同步自动离合器输入端扭矩稳定在540 Nm左右，几乎降低为原来的一半，左侧同步自动离合器输入端扭矩稳定在550 Nm 左右。也就是说;左侧同步自动离合器接合，开始传递扭矩，工作电机8 的输出扭矩会逐渐转移到接入电机1 上，直到2台电机输出载荷均衡为止，完成2 台同步自动离合器的并车工作。降速左侧同步自动离合器的转速至停机，增加解留电机8 输出力矩，减少解出电机1输出力矩，直到解出电机1 几乎处于空载状态，左侧同步自动离合器脱开，完成2 台同步自动离合器的解列过程。同样在转速1 827、2 424、2 731和3 270 r/min 的工况下，2 台同步自动离合器的并车及解列过程都非常顺利平稳。

表2 试验数据Tab.2 The data of the test

5 结 语

通过对2 台同步自动离合器的试验研究可以看出，在不同工况下，为了模拟燃气轮机特性，通过电机控制，成功实现了2 台同步自动离合器的并车，离合器动作顺畅，滑移位置准确，完成了功率在2台同步自动离合器之间的转移。并车运行过程中离合器工作稳定可靠。本文的研究成果对离合器的发展及应用有重要的指导意义。

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