液力传动装置在工程船舶领域的应用

齐 凤 李新伟 刘桂英

（中国石油集团 济柴动力总厂，济南 250306）

工程船舶通常具有大功率、高吨位等特点，常常需要采用两台柴油机并车工作的推进系统，以确保船舶运行效率。为实现柴油机功率均衡分布，人们要采用阀控变速液力偶合传动装置进行功率调节。而在实际应用液力传动装置的过程中，还要加强常见故障现象的分析，以便从设计、售后服务等方面进行改进，实现对装置生产制造全过程的质量管理控制。

1 液力传动装置的工作原理

液力传动装置是以液体为工作介质的非刚性轴联器，主要由泵轮与涡轮构成，前者与主动轴连接，后者与从动轴连接。在工作的过程中，液力传动装置需要将动力传给泵轮，然后利用泵轮将机械能转化成液体动能[1]。工作介质在泵轮内旋转后，会进入涡轮，使涡轮获得动力，然后实现机械能输出做功。图1为典型液力传动装置的原始特性曲线，其中，η为效率，λ为力矩系数，i为转速比，即泵轮转速与涡轮转速的比值。

图1 典型液力传动装置的原始特性曲线

2 液力传动装置在工程船舶领域的应用

2.1 装置选用

在工程船舶中应用液力传动装置，采用阀控变速液力偶合传动装置可以在发动机启动时实现空载启动，并且能够在充排油的传动装置中进行接合和脱开。与传统液力传动装置相比，阀控变速液力偶合传动装置同样具有较好的隔振、过载保护、减缓冲击、带载启动等功能，还能实现无级调速，所以能够轻松实现泵压、泵冲等参数的调节。该装置采用进口阀控调节+固定导管排油的调速方案，实现对传统传动系统改造，内部存在电磁阀、固定导管、电动机和液压泵等零部件，对原本泵带有的庞大导管及壳体进行拼装，以减小装置体系，确保装置结构紧凑。利用两支电磁阀，装置则能对工作腔的进、排油进行控制，以达到调节偶合器输出转速的目标。此外，该装置带有快速离合功能，因此能够进行气囊离合器的替代，可实现对石油钻采、船舶等多领域泵、风机等设备的驱动，使各种工况需求得到满足。

2.2 装置应用

在某工程船舶的柴油机上使用阀控变速液力偶合传动装置时，船舶使用两台柴油机实现螺旋桨的共同驱动，利用阀控变速液力偶合传动装置可以实现自动调节，确保两台柴油机实现负载均衡。在该工程船舶的双机并车系统中，需要利用监控系统对偶合传统装置进行指令控制。在柴油机空车启动的过程中，传动装置无工作油，不会将功率传递给齿轮箱内的齿轮。在一台传动装置接到排油的控制命令后，会进行充油，为齿轮提供功率，从而使船舶螺旋桨运行。在系统并车的条件下，第二台柴油机的转速将在控制下逐渐与第一台保持一致，对应的传动装置也会逐渐充满工作油，确保柴油机的功率均衡[2]。在传动装置的调整下，螺旋桨的螺距将发生改变，确保船舶航速稳定。

2.3 应用故障

工程船舶在使用一段时间的阀控变速液力偶合传动装置后，发现在传动装置脱排后，不时会发生轴系带转问题。为确认问题的发生原因，还要进行试验分析。通过柴油机动车试验可以发现，如果出现单机怠速运行情况，在传动装置脱排后，一号机和三号机会发生20r/min的轴系带转现象，二号机和四号机偶尔会发生带转。从总体试验情况来看，如表1所示，在单机以400r/min的转速启动时，传动装置脱排时的轴系不转；在单机以400r/min的转速启动时，传动装置脱排时，随着转速提升至740r/min，轴系出现带转；在双机以400r/min的转速启动时，传动装置脱排时的轴系带转，并且转速达到40r/min；在双机以400r/min的转速启动时，传动装置脱排时，一号机和三号机以20r/min的转速发生轴系带转现象，二号机和四号机有时带转；在单机以400r/min的转速启动时，传动装置脱排时，针对轴系带转现象，对主机转速进行维持，同时增加螺距，直至螺距达到1.0，带转停止，将螺距恢复到零推力，也未发生轴系带状现象。

2.4 现象分析

2.4.1 鼓风转矩分析

结合传动装置工作原理可知，转矩的传递依靠动量矩的变化，而动量矩的产生来自于工作介质与涡轮、泵轮叶片的相互作用。所以，即使传动装置已经脱排，同时将工作油排空，在空气动力的作用下，泵轮依然会产生转矩作用。该种转矩被称为鼓风转矩，大小与传动装置的转子结构及泵轮转速有关。在该转矩的作用下，轴系可能被带动。为确认该因素是否为导致轴系带动现象产生的主要原因，还要对鼓风转矩进行计算。利用式（1），可对装置鼓风转矩进行分析。

表1 试验结果

式中，T指的是泵轮转矩；ρ为工作介质的密度，可取1.293kg/m3；g可取9.8m/s2；n为指的是泵轮转速；D为腔体直径，大小为1.275m；λ0空气指的是空气介质传动比为0条件下的转矩系数，与油温及转速之间存在正比关系，最大值为2.85×10-4，变化幅度较小。

通过分析可以发现，在阀控变速液力偶合传动装置输入转速达到400r/min的条件下，如果输出为0，然后进行脱排，可以得到鼓风转矩为1615N/m。因此，笔者认为，鼓风转矩的存在会引发轴系带转现象。

2.4.2 轴系阻尼力矩分析

轴系带状问题的出现，除了与鼓风转矩有关，也可能与轴系阻尼力矩有关。从轴系结构上来看，如果轴系拥有足够大的摩擦阻力矩，就不会受到传动装置鼓风转矩的影响。针对这一情况，还要对不同工况条件下的轴系阻尼力矩展开分析。在试验过程中，将鼓风转矩设定为1615N/m这一固定数值。通过分析可以发现，在单机以400r/min的转速启动时，由于阻尼力矩较大，所以传动装置脱排时的轴系不转；随着转速提升至740r/min，阻尼力矩逐渐小于鼓风转矩，轴系出现带转。而在双机以400r/min的转速启动时，鼓风转矩为单机启动时的两倍，比阻尼力矩要大，所以轴系会发生带转。但是，由于各分支轴系拥有不同的摩擦阻尼力矩，所以会发生一号、三号机带转，二号、四号机有时带转的情况。增加螺距到1.0，带转停止，说明此时阻尼力矩已经超过鼓风转矩，所以将螺距恢复到零推力后，不会发生轴系带状现象。

2.4.3 其他因素分析

为确认轴系带转是否与其他因素有关，还要进行传动装置真空度、排油量和排油阀等因素的分析。在真空度试验中，需在装置脱排时向管路通入0.6MPa压缩空气，以确认装置排油是否通畅。通过分析可以发现，通入空气后轴系未发生带转情况，所以装置不存在排油不畅问题，它不会导致传递转矩过大。为确认脱排过程中是否出现冷却润滑进油量过大的情况，还要先将冷却油阀进油管路封堵起来或将油压降低，观察是否出现轴系带转情况。从观察结果来看，轴系并未出现带转，因此可以排除该因素对传动装置的影响。最后，需要检查排油法是否出现问题。在排油阀未能完全打开的情况下，传动装置腔体内会出现存油量过大的情况，会导致轴系带转现象的发生。为达成这一目标，还要先进行排油阀的清洗，然后将阀上的油孔由直径1.4mm扩大到1.5mm。观察试验结果后，需进一步扩大油孔，将其扩大至直径2mm，确保油能够顺利排空。经过试验发现，在排油阀完全打开的情况下，轴系依然发生带转情况，因此可以排除排油阀对装置工况的影响。

2.5 改进建议

经过上述分析可以发现，鼓风转矩过大与阻尼转矩较小为导致阀控变速液力偶合传动装置在脱排后出现轴系带动问题的主要因素。其主要原因是在传动装置设计的过程中，为使工程船舶保持较高的推进效率，人们需要降低额定工况下的滑差率，以实现叶轮结构优化。但在额定工况效率提高的同时，传动装置的鼓风转矩也会增大，导致装置不时发生轴系带转问题。而轴系带转问题的长期发生，将导致轴系油膜、水膜受到损伤，继而造成轴系运转受到不良影响。针对这一情况，人们要从装置设计和售后服务两方面采取措施。在装置设计阶段，应适当增加阻尼力矩，以减少轴系带状问题的产生[3]。而在装置售后服务方面，要定期进行轴系养护管理，对装置的操作使用进行指导，要求操作人员在装置脱排后尽快停止主机运行，以免轴系长期低速带转。

3 结语

通过分析可以发现，在工程船舶领域应用液力传动装置，可以满足船舶双柴油机的功率调节需求，确保船舶稳定运行。但在实际应用的过程中，可能会发生轴系带转等问题，给船舶运行带来安全威胁。针对这些故障，人们要通过深入分析查找导致故障发生的因素，并从设计、售后服务等方面寻求改进措施，以便使液力传动装置能够更好地发挥作用。

[1]孙杰.液压泵站在船舶综合推进系统中的应用[J].舰船科学技术，2017，39（16）：64-66.

[2]才委，李秦，马文星，等.船舶发电液力调速控制系统仿真与试验[J].上海交通大学学报，2016，50（5）：796-802.

[3]周佳宇，翁建斌.船用液力偶合器脱排时轴系带转现象研究[J].柴油机，2011，33（3）：48-50.