船用齿轮箱多离合器油路控制系统研究与试验＊

吕和生 程向东 杨海师 余业亮 杜昌烈 李 军（重庆齿轮箱有限责任公司，重庆，402263）

目前，在船舶动力系统中，出于可靠性、节能、降低设备成本、获得更多空间等因素的考虑，多机单桨且具有辅佐动力输入/输出（PTI/PTO）动力系统获得广泛的应用，对相匹配的齿轮箱提出了更高的要求，多离合器同时工作较为普遍，这在本质上有别于常规的具有接脱排、正倒车功能的齿轮箱。为此，需要开展新型船用齿轮箱多湿式摩擦片离合器的控制系统研究，并进行相关的试验验证。

1 常规离合器控制系统

图1给出了船用齿轮箱湿式多片摩擦离合器实体模型，主要由齿轮轴、摩擦片座、对偶片、摩擦片、离合器齿轮、活塞等组成［1］。

图2为可逆转齿轮箱的常规油路控制系统［2－4］，包括主泵、安全阀、止回阀、过滤器、操纵阀、二级压力调节阀、速泄阀、正车离合器、倒车离合器等。

图1 湿式多片摩擦离合器实体模型Fig.1 Solid model of wet multi－disc fricton clutch

图2 常规离合器控制油路系统Fig.2 Oil circuit control system of conventional clutch

为传递较大扭矩，油路控制系统提供匹配的离合器工作油以满足扭矩传递需要。齿轮箱工作时，先启动主泵，空车工况下，整个油路压力为低压状态，一般不超过0.4MPa；正车离合器接排时，控制操纵阀，工作油进入离合器油缸，同时进入二级压力调节阀增压活塞，工作油开始增压，逐步增加到2 MPa，以推动离合器活塞，压紧离合器摩擦片和对偶片，实现动力的可靠传递。离合器脱排时，操纵阀切换到空车状态，离合器不再进工作油，此时速泄阀自动开启，离合器油缸内的残余工作油快速流回油池，实现离合器脱排。齿轮箱倒车时，倒车离合器接排，其原理过程与正车离合器接排过程相同。在常规离合器控制油路系统中，通过操纵阀，可以实现一个离合器接排工作，但无法获得数量两个及以上离合器同时工作工况，不能满足如双机并车系统中的主机1与主机2同时工作以及主机离合器和PTO离合器的同时工作等。

为满足离合器平稳接排要求，在结合初期，工作油压力较低，上升较为缓慢，离合器光片和对偶片存在相对滑动，以带动推进轴系转速上升，离合器光片和对偶片转速一致时相对滑动结束，离合器接排完成，为满足传扭高转速下的大扭矩，接排完成后，离合器的油压快速上升到高压。离合器接排曲线如图3所示。

图3 离合器接排过程工作油压曲线Fig.3 Working oil pressure curve of clutch in engagement

2 多离合器控制油路系统

为满足多离合器同时工作，比如主传动离合器、轴发PTO离合器和消防水泵离合器同时工作，以常规离合器控制油路系统为基础，提出多离合器控制油路系统，如图4所示［4］。

图4 多离合器控制油路系统Fig.4 Oil circuit control system of multi－disc clutch

图4中，每个离合器都通过对应的单独油泵、二级压力调压阀和操纵阀进行控制。从离合器控制上可以实现每个离合器的同时工作，但在实际布置中，由于船舶机舱空间一般都非常紧张，齿轮箱要布置这么多的外挂件以及管系非常困难，外观也很差。另外，对机带油泵来讲，多机带油泵的驱动几乎不可能，根据可靠性需要，机舱还要布置对应的电动泵组，机舱布置及其控制非常困难。所以图4所示的系统需要进行优化。

图5 新型多离合器控制油路系统Fig.5 Oil circuit control system of new type multi－disc clutch

在新型系统中，二级压力调节阀反馈增压油路设置在操纵阀前，即主泵启动之后，控制油直接进入二级压力调节阀，压力迅速建立到2MPa，为离合器接排做好了油压准备。对于已经是高压的油压系统，一个油路系统可以同时控制多个离合器的工作，相较以前一路控制油路对应一个离合器，系统复杂程度大为降低。为降低离合器接排冲击，在操作阀与离合器之间设置节流阀，实现离合器的软接排［5－8］。但新结构也存在风险：如果已经有一个离合器完成接排，其它离合器陆续接排时，由于操纵阀后面管路以及油缸充油需要时间，接排瞬间系统会产生压力降，当第二个离合器接排时如第一个离合器油缸内压力下降过大，将导致离合器摩擦片间摩擦力不足而产生滑动。接排过程中油压下降多少、压力的建立过程是什么样的、压力下降值跟哪些因素相关，这些问题需在试验时测试并分析。

3 试验验证

试验以可逆转船用齿轮箱作为载体，将齿轮箱的油路及内部结构进行改制，模拟两个离合器同时工作的油路系统。试验内容包含静接排试验。动接排试验以及温度试验。

静接排试验，用于验证在离合器静止情况下，第二个离合器接排对第一个离合器缸内压力的影响；动接排试验，用于验证离合器选择后，第二个离合器接排对第一个离合器缸内压力的影响；温度试验，用于验证在不同滑油温度下：30℃、40℃、60℃，对离合器压力降的影响。

3.1 静接排试验

启动主泵，调整二级压力调节阀，油压稳定后，接排第一个离合器，接排完成稳定后，接排第二个离合器，测试该过程第一个离合器的油压曲线。

图6 船用齿轮箱综合试验台Fig.6 Test bench of marine gearbox

图7 试验齿轮箱传动简图Fig.7 Transmission sketch of testing gearbox

图8 静接排试验离合器压力曲线Fig.8 Pressure curve of clutch in static engagement test

由图8曲线可知，从第3.3s开始，约1s时间第一个离合器缸内油压从0上升至0.2MPa，保持3.5s后迅速升至2.09MPa，上升阶段为1.6s，接排时间5.1s，其中3.5s平稳段为油缸的充油段，1.6s上升段为油缸充满后压力快速建立过程。

从第10.7s开始，为第二个离合器接排后对第一个离合器缸内压力的影响，包括工作油的下降、保持、重新建立等阶段，影响时间6.5s，第一个离合器工作油下降0.14MPa，下降后的工作油压为1.95MPa。

3.2 动接排试验

动接排试验主要是验证离合器运转下的工作可靠性。图9中，在第2s时候，第一个离合器油压开始上升，从0MPa变化至0.3MPa，耗时0.2s左右，在0.3MPa保持4s最后达到2.03MPa的稳定油压，接排过程6s，在图6右部分中，压力曲线为第二个离合接排时第一个离合器产生的油压波动。显然，第二个离合器接排时，第一个离合器有7s的油压波动，包括压力的下降、平稳、上升、平稳，压力下降最大值约为0.16MPa。

图9 动接排试验离合器压力曲线图Fig.9 Pressure curve of clutch in dynamic engagement test

3.3 温度试验

温度试验时，在动接排的基础上，增加对滑油温度因素影响的测试，试验分别在30℃、40℃、60℃滑油温度工况下，依次接排两个离合器，分析在不同温度完成前述过程所获得的第一个离合器压力曲线。图10，图11，图12分别是在滑油温度为30℃，40℃，60℃下动接排第一个离合器的压力曲线图。

图10 动接排时第一个离合器压力曲线图（30℃）Fig.10 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（30 ℃）

如图10所示，在30℃时，首个离合器在8s时开始接排，快速上升至0.4MPa，保持约5s然后再2s快速升至2.12MPa，整个离合器接排过程7s，在右半部分时，第二个离合器接排，从压力下降至压力恢复过程约8s，压力下降0.20MPa。

图11 动接排时第一个离合器压力曲线图（40℃）Fig.11 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（40℃）

如图11所示，40℃时，第一个离合器接排时间6.55s，油压稳定在2.10，第二个离合器接排影响时间为7.4s，压力下降0.16MPa。

图12 动接排时第一个离合器压力曲线图（60℃）Fig.12 Pressure curve of 1st clutch in dynamic engagement test（60℃）

如图12所示，在60℃时，第一个离合器接排时间为5.5s，稳定后油压为1.89MPa，第二个离合器接排时，第一个离合器油压波动为6.8s，压力下降0.16MPa。

试验齿轮箱经过静接排、动接排、温度试验等数百次测试，综合试验数据显示：第二个离合器接排，对第一个离合器会产生压力降，产生压力降的大小与滑油温度有关；接排时间的长短在一定程度上影响油压下降值。

通常离合器设计时考虑1.5倍以上的安全裕度［2］，比如2.1MPa正常工作油压力，只要不低于1.4MPa，离合器工作都是可靠的。该新型离合器在数百次接排试验中，最大压力降为仅为0.2MPa，下降后最低压力仍符合实际工作要求。由于有新的离合器接排，功率实际上进行了分流，原有离合器的实际功率已经小于原有功率，离合器实际安全裕度更高。

基于以上研究及原型试验，提出主离合器、PTO轴发离合器以及消防水泵离合器同时控制的油路系统，并进行动接排试验。试验结果表明，多离合器的油路控制系统油压稳定，压力降不大于0.2MPa，满足船级社规范要求。

图13 三个离合器油路控制系统Fig.13 Oil circuit control system of three clutches

4 结论

（1）针对多离合器同时工作的离合器控制油路系统，可以采用一个二级压力调节阀的方式，实现多离合器的同时工作，控制油路系统大为简化。

（2）第二个离合器接排，对第一个离合器会产生压力降，产生压力降的大小与滑油温度有关。

（3）通过控制工作油的压降，在第二个离合器接排时，原有已接排的离合器实际安全裕度仍满足船规要求。考虑实际功率分流情况，实际安全裕度更高。

图14 三个离合器依次接排的试验压力曲线Fig.14 Testing pressure curve of sequential engaged clutches

（4）采用该控制油路系统，实现了主离合器、PTO轴发离合器以及消防水泵离合器同时控制，系统油压稳定，满足船级社规范要求。

［1］ 周明衡.离合器、制动器选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［2］ 钢质海船入级规范2012［M］.北京：中国船级社2012.

［3］ 吕和生.船用湿式多片摩擦离合器耦合分析及试验研究［D］重庆大学，2010.

［4］ 张昭顺，崔桂香.流体力学［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［5］ 吕和生，林腾蛟，张世军，等.湿式多片摩擦离合器油路三维流场分析［J］.中国机械工程，2009，20（16）：1978－1982.

［6］ 吕和生，曹 云，向 超，等.一种双输入多输出并车离合船用齿轮箱 （专利ZL200810233385.0）.

［7］ 吕和生，向 超，余业亮，等.齿轮箱压力集成阀（专利ZL200720188287.0）.

［8］ 刘晓波，樊绍忠，吕和生，等.船用齿轮箱工作油路（专利ZL200820098497.5）