某挖泥船上的奥美伽离合器液压系统分析

陈俊义 王敬轩 沈郭栋 许 倩

（张家港市久盛船业有限公司 张家港215600）

船舶动力装置

某挖泥船上的奥美伽离合器液压系统分析

陈俊义 王敬轩 沈郭栋 许 倩

（张家港市久盛船业有限公司 张家港215600）

奥美伽离合器是一种利用摩擦片之间的油膜剪切力来传递动力的新型传动装置。它有很多优点，适用于负荷变化较大的机械。文中首先分析某奥美伽离合器液压系统中主要设备的工作原理，然后在此基础上简要分析奥美伽离合器的主要回路液压原理，为该离合器的维修和管理提供理论依据。

挖泥船；奥美伽离合器；液压系统；奥美伽阀；皮托管阀

引 言

某挖泥船如图1所示，其挖泥斗打开、闭合和升降是由柴油机通过齿轮箱的输出轴带动卷筒转动来实现的。该齿轮箱运用奥美伽离合器作为齿轮箱输入端和输出端接脱排的装置，而奥美伽离合器与传统离合器不同，其最大区别在于：当柴油机输入转速一定时，传统离合器的输出端在工作时转速是不变的，而奥美伽离合器的输出端转速可以根据需要在零至输入转速范围内变化。因此，这种离合器的好处：

（1）离合器的输出端能实现无级变速；

（2）功率变化平稳，对柴油机和齿轮箱冲击较小，设备工作平稳；

（3）在工作时，无需改变柴油机转速就可以通过奥美伽离合器改变齿轮箱输出转速，这样柴油机可以保持在额定的转速下工作，对柴油机的工作比较有利，油耗也比较小等。

奥美伽离合器尽管有不少优点，但是为了实现平稳和有效的操纵，其液压系统设计也要比传统的离合器更为复杂，图2为标题船的奥美伽离合器液压系统原理图。在此，我们通过研究该液压系统的主要设备工作原理和系统循环油路的原理来为该液压系统的维修、管理提供理论依据。

1 主要设备工作原理

1.1 奥美伽离合器

奥美伽离合器也叫液体粘性调速器，其结构如下页图3所示。

奥美伽离合器是利用离合器内主动摩擦片与被动摩擦片之间的液体的粘性（剪切力）来传递扭矩的。当奥美伽离合器活塞在工作油压作用下，开始挤压摩擦片时，输入轴带动主动摩擦片旋转，由于液体的粘性，主动摩擦片两边的液体也被带动着一起旋转，旋转的液体又带动被动摩擦片旋转。这样，只要调整离合器活塞油压，输出轴就可以根据需要输出扭矩。

奥美伽离合器的扭矩公式可由牛顿液体摩擦定律推导出来（具体的推导过程见参考文献 ［1］）：

式中：μ为液体动力粘度，Pa·s；n为主、被动摩擦片对数；ω1为主动摩擦片转速，rad/s；ω2为被动摩擦片转速，rad/s；R0为摩擦片工作区域最大半径，m；R1为摩擦片工作区域最小半径，m；δ为两摩擦片间液体厚度，m。

由式（1）可知：主动摩擦片通过液体粘性传递到被动摩擦片上的扭矩与两摩擦片之间的距离成反比，与两摩擦片之间的转速差成正比，两摩擦片之间的距离越小，输出扭矩越大；两摩擦片的转速差越大，输出扭矩也越大。

1.2 奥美伽阀

当挖泥船处于挖泥工况时，输出扭矩M会随着工况的不同而变大或变小，当齿轮箱输入轴转速ω1一定，输出扭矩M变化时，由公式（1）可知转速ω2会随着M的变化而变化。显然，如果ω2变化太大，就会对挖泥船的工作不利。奥美伽阀的作用就是为了改变这种情况而设计的。

奥美伽阀设计在离合器的输出端，它的转速等于ω2，它的结构见图4。

考虑奥美伽阀芯受到的液动力和阀芯两端受力平衡以及借助节流孔流量公式（见参考文献［2］），可以推导出以下公式：

式中：CV为流速系数；A为节流孔面积，m2；V为液体流速，m/s；ρ为液体密度，kg/m3；r0为喷嘴半径，m。

另外，由参考文献［1］可知：

当输入一定转速ω1，奥美伽阀控制油压p1不变，输出扭矩M↑时，由式（1）可知存在两种情况：第一种情况：ω2↓→p0↑（由式（2））→δ↓（由式（3））→ω2↑（由式（1））；第二种情况：δ↓→p0↑（由式（3））→ω2↓（由式（2））→δ↑（由式（1））。

由以上分析可知，无论处于何种情况，当M↑时，最终都会出现ω2↓、δ↓，ω2均不能回复至原来转速。显然，当式（2）中的第一个、第二个多项式（都是p0的函数）数值相对于第三个多项式越小时，ω2的变化也越小，当它们等于零时，ω2的变化为零。但是，若因此把第一项、第二项省去，那么奥美伽离合器输出端转速将变得不稳定。

M↓的情况也可用相同的方法分析出来。

1.3 奥美伽离合器控制阀

奥美伽离合器控制阀的结构见图5。

如果K是弹簧弹性系数，h是弹簧压缩量，则有：

任意给定一个P2，从图2中可看出：如不考虑系统的微小泄漏量，当阀芯处于平衡状态后，阀芯都会将左边高压油通往右边控制油的节流孔断开，也就是说在给定一个P2后，阀芯最后受力平衡时，它都会回到断开节流孔这个位置。这样，上式中的h就会在不同的P2时保持不变，P2和P3就是线性并系，通过左边螺丝改变h的值，就可以改变这种线性并系。另外，A2比A3大，奥美伽离合器控制器就是对控制空气压力进行放大，得到一个比控制空气压力大的控制油压。

所以，奥美伽离合器控制阀的控制空气的压力由低向高变化时，可以输出一个与控制空气成比例的控制油；而控制空气压力由高向低变化时，输出的控制油压力都为0（只要控制空气压力变大，排泄口能被打开）。

1.4 皮托管阀

皮托管阀的结构和各处的压力、面积见图6。

如不考虑系统内的微小泄漏，显然，节流孔4通过的流量等于节流孔5通过的流量，对节流孔4和节流孔5分别使用节流孔流量公式，最后可推导出以下公式：

由图2和本文对偏动阀的分析可知：通过奥美伽离合器控制阀和偏动阀的作用，控制空气与P4成线性并系。显然，如果P1与P4接近于线性并系，那么P1与控制空气也接近于线性并系，这样对奥美伽离合器的控制和挖泥船的工作最为有利。由式（5）可知，如要使p1与p4接近线性并系，则要使系数变化很小（不可能为常数）。CV4、CV5和A5都是定值，所以并键在于A4（由图可知：A4= 2·π·R·X）的变化，也就是X的变化，如果X的变化很小，那么P1与P4就接近于线性并系。

皮托管阀芯两边受液体压力和弹簧弹力的作用，其平衡方程为：

式中：h为弹簧预压缩量，m； L为阀芯初始开度，m。

式（6）中P5· A7为定值，K、h和L也为定值。显然，如果P1·A6+ P5·A7变化很小，那么X的变化也很小。只要P5·A7的值比P5·A6的值大的多且为定值，那么X的变化就可以很小。这也就是在皮托管阀中引入一个较大压力油，且有较大作用面积的原因。最后，可以得到实际输出的P1和P4的并系，如图7所示。

由图7可知，皮托管阀的本质是对进入皮托管阀的油压按比例的进行缩小，得到一个奥美伽控制阀油。

2 主要循环油路原理

2.1 奥美伽离合器润滑油路

见图2中颜色代号为2的管路。液压油经过泵2，然后依次经过油冷却器、过滤器和润滑油调节阀，最后进入奥美伽离合器。 该路油主要有两个功能：（1）带走离合器摩擦片因滑差运动产生的热量，保证离合器摩擦片在正常的温度范围内。（2）保证摩擦片之间存在一定流量、一定压力的液压油，以便奥美伽离合器实现滑差运动。保证该部分液压油的压力和流量很重要［3］。

2.2 供给阀、偏动阀和液压变矩器内压控制阀控制油路

见图2中颜色代号为4的管路。泵1产生的高压油，进入奥美伽离合器控制阀，经过奥美伽离合器控制阀的放大，产生一个与控制空气成线性并系的控制油。该路液压油经过紧急阀，然后分别进入供给阀、偏动阀和液压变矩器内压控制阀。其中，紧急阀可在紧急情况下，即刻以手动切断控制油路，使奥美伽离合器停止工作。

供给阀的工作原理与奥美伽离合器控制阀的工作原理相似，都是对控制压力进行放大，得到一个线性并系的工作油压。该工作油进入奥美伽离合器内，推动液压活塞压缩各个主动摩擦片和被动摩擦片之间的间隙，从而使离合器工作。偏动阀有两种工作模式：一种是偏动阀开度较小，将高压油按比例缩小为奥美伽阀控制高压油（工作原理与奥美伽离合器可控制阀相反）；另一种是偏动阀开度较大，高压油压力损失很小，高压油接近于奥美伽控制高压油，也就是在相同的控制空气下，提高了奥美伽阀控制油的压力。在前一种模式下，操纵者要控制操纵手柄运动较大的幅度，才能获得较大的输出扭矩；而后一种模式，操纵手柄只要控制运动小的幅度，就能获得较大输出扭矩。

进入液压变矩器内压控制阀的控制油和来自倒转皮托阀的控制油一起，使液压变矩器保持一定内部压力，保证变矩器内不会出现气体，便于变矩器处于正常工作状态［4］。

2.3 奥美伽阀控制油路

见原理图中颜色代号为7的管路。当从偏动阀来的液压油进入皮托管阀后，转化为奥美伽阀控制油，进入奥美伽阀顶部，推动奥美伽阀减小底部溢流口的开孔面积，其作用如前所述，是保证奥美伽离合器在工况变化时，输出端转速变化不大。

通过以上分析，不难发现：进入奥美伽离合器内的两路油：奥美伽离合器工作油和奥美伽阀控制油都与控制空气压力成比例并系，如此设计对于奥美伽离合器的操纵十分有利。

在此，需要说明控制空气的压力变化问题。控制空气由控制空气瓶内的空气经手动比例减压阀转化而来，操纵者操纵手动比例减压阀，当操纵手柄的运行幅度越大，输出的控制空气压力也越大，控制空气的压力与操纵手柄的运行幅度成直接线性并系。手动比例减压阀的工作原理可在参考文献［5］中查阅。

所以，最后进入奥美伽离合器内的两路液压油的压力都与操纵手柄的运行幅度有并，运行幅度越大，奥美伽离合器工作油压和奥美伽阀控制油压也越大，奥美伽离合器输出的转速和扭矩也就越大。

3 结 论

奥美伽离合器依靠液体粘性来实现主动摩擦片和被动摩擦片之间的滑差运动。此原理对系统的散热、控制和液压油的品质均有较高要求。这对我们理解奥美伽离合器润滑油路的作用很有帮助。

另外，奥美伽离合器与传统离合器最大区别在于：奥美伽离合器能对输出轴转速和扭矩进行无级调节，从而造成其液压系统比一般离合器更为复杂。无论是供给阀、偏动阀和液压变矩器内压控制阀控制油路，还是奥美伽阀控制油路，其作用都是对奥美伽控制空气的压力进行放大或者缩小，以便操纵者获得预期的输出转速和扭矩。

总之，奥美伽离合器的控制原理较为复杂，深入研究、充分理解其原理对于奥美伽离合器的管理和维修都十分必要。

［1］ 魏宸管，赵家象.液体粘性传动技术［M］.北京：国防科技图书出版社，1996：65-77.

［2］ 苏尔皇.液压流体力学［M］.北京：国防工业出版社，1982：168-169.

［3］ 陈跃平. 液力变矩器锁止离合器液粘传动机理分析［D］.上海：上海交通大学，2006：7-8.

［4］ 刘士平.液力变矩器的新型设计理论与方法［M］.北京：中国环境科学出版社，2015：25-45.

［5］ 费千.船舶辅机［M］.大连：大连海事大学出版社，2008：168-169.

Analysis of OMEGA clutch hydraulic system on dredger

CHEN Jun-yi WANG Jing-xuans HEN Guo-dong XU Qian
(Zhang jiagang Jiu sheng shipyard Co.,Ltd., Zhang jiagang 215600,China)

The Omega clutch is a new type of gearing device which transmits the power by utilizing the shearing force of oil film between two sets of friction discs. It has many advantages and is suitable for the machinery with the large load variation. By analyzing the working principle of the major equipment in the Omega clutch hydraulic system, the major hydraulic circuit principle is briefly analyzed to provide theoretical reference for the maintenance and administration of the Omega clutch.

dredger; Omega clutch; hydraulic system; Omega valve; Pitot valve

U664.2

A

1001-9855（2017）05-0049-06

2017-03-13；

2017-05-08

陈俊义（1979-），男，助理工程师。研究方向：船舶轮机安装和维修技术工艺。王敬轩（1998-），男，轮机工艺员。研究方向：船舶轮机建造、安装和维修技术工艺。沈郭栋（1994-），男，轮机工艺员。研究方向：船舶轮机建造、安装和维修技术工艺。许 倩（1987-），女，轮机工艺员。研究方向：船舶轮机安装和维修技术工艺。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.049