某挖泥船上的奧美伽離合器液壓系統(tǒng)分析

陳俊義 王敬軒 沈郭棟 許 倩

（張家港市久盛船業(yè)有限公司 張家港215600）

船舶動(dòng)力裝置

某挖泥船上的奧美伽離合器液壓系統(tǒng)分析

陳俊義 王敬軒 沈郭棟 許 倩

（張家港市久盛船業(yè)有限公司 張家港215600）

奧美伽離合器是一種利用摩擦片之間的油膜剪切力來傳遞動(dòng)力的新型傳動(dòng)裝置。它有很多優(yōu)點(diǎn)，適用于負(fù)荷變化較大的機(jī)械。文中首先分析某奧美伽離合器液壓系統(tǒng)中主要設(shè)備的工作原理，然后在此基礎(chǔ)上簡要分析奧美伽離合器的主要回路液壓原理，為該離合器的維修和管理提供理論依據(jù)。

挖泥船；奧美伽離合器；液壓系統(tǒng)；奧美伽閥；皮托管閥

引 言

某挖泥船如圖1所示，其挖泥斗打開、閉合和升降是由柴油機(jī)通過齒輪箱的輸出軸帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。該齒輪箱運(yùn)用奧美伽離合器作為齒輪箱輸入端和輸出端接脫排的裝置，而奧美伽離合器與傳統(tǒng)離合器不同，其最大區(qū)別在于：當(dāng)柴油機(jī)輸入轉(zhuǎn)速一定時(shí)，傳統(tǒng)離合器的輸出端在工作時(shí)轉(zhuǎn)速是不變的，而奧美伽離合器的輸出端轉(zhuǎn)速可以根據(jù)需要在零至輸入轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化。因此，這種離合器的好處：

（1）離合器的輸出端能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；

（2）功率變化平穩(wěn)，對(duì)柴油機(jī)和齒輪箱沖擊較小，設(shè)備工作平穩(wěn)；

（3）在工作時(shí)，無需改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速就可以通過奧美伽離合器改變齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速，這樣柴油機(jī)可以保持在額定的轉(zhuǎn)速下工作，對(duì)柴油機(jī)的工作比較有利，油耗也比較小等。

奧美伽離合器盡管有不少優(yōu)點(diǎn)，但是為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和有效的操縱，其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)也要比傳統(tǒng)的離合器更為復(fù)雜，圖2為標(biāo)題船的奧美伽離合器液壓系統(tǒng)原理圖。在此，我們通過研究該液壓系統(tǒng)的主要設(shè)備工作原理和系統(tǒng)循環(huán)油路的原理來為該液壓系統(tǒng)的維修、管理提供理論依據(jù)。

1 主要設(shè)備工作原理

1.1 奧美伽離合器

奧美伽離合器也叫液體粘性調(diào)速器，其結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。

奧美伽離合器是利用離合器內(nèi)主動(dòng)摩擦片與被動(dòng)摩擦片之間的液體的粘性（剪切力）來傳遞扭矩的。當(dāng)奧美伽離合器活塞在工作油壓作用下，開始擠壓摩擦片時(shí)，輸入軸帶動(dòng)主動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn)，由于液體的粘性，主動(dòng)摩擦片兩邊的液體也被帶動(dòng)著一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的液體又帶動(dòng)被動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn)。這樣，只要調(diào)整離合器活塞油壓，輸出軸就可以根據(jù)需要輸出扭矩。

奧美伽離合器的扭矩公式可由牛頓液體摩擦定律推導(dǎo)出來（具體的推導(dǎo)過程見參考文獻(xiàn) ［1］）：

式中：μ為液體動(dòng)力粘度，Pa·s；n為主、被動(dòng)摩擦片對(duì)數(shù)；ω1為主動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速，rad/s；ω2為被動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速，rad/s；R0為摩擦片工作區(qū)域最大半徑，m；R1為摩擦片工作區(qū)域最小半徑，m；δ為兩摩擦片間液體厚度，m。

由式（1）可知：主動(dòng)摩擦片通過液體粘性傳遞到被動(dòng)摩擦片上的扭矩與兩摩擦片之間的距離成反比，與兩摩擦片之間的轉(zhuǎn)速差成正比，兩摩擦片之間的距離越小，輸出扭矩越大；兩摩擦片的轉(zhuǎn)速差越大，輸出扭矩也越大。

1.2 奧美伽閥

當(dāng)挖泥船處于挖泥工況時(shí)，輸出扭矩M會(huì)隨著工況的不同而變大或變小，當(dāng)齒輪箱輸入軸轉(zhuǎn)速ω1一定，輸出扭矩M變化時(shí)，由公式（1）可知轉(zhuǎn)速ω2會(huì)隨著M的變化而變化。顯然，如果ω2變化太大，就會(huì)對(duì)挖泥船的工作不利。奧美伽閥的作用就是為了改變這種情況而設(shè)計(jì)的。

奧美伽閥設(shè)計(jì)在離合器的輸出端，它的轉(zhuǎn)速等于ω2，它的結(jié)構(gòu)見圖4。

考慮奧美伽閥芯受到的液動(dòng)力和閥芯兩端受力平衡以及借助節(jié)流孔流量公式（見參考文獻(xiàn)［2］），可以推導(dǎo)出以下公式：

式中：CV為流速系數(shù)；A為節(jié)流孔面積，m2；V為液體流速，m/s；ρ為液體密度，kg/m3；r0為噴嘴半徑，m。

另外，由參考文獻(xiàn)［1］可知：

當(dāng)輸入一定轉(zhuǎn)速ω1，奧美伽閥控制油壓p1不變，輸出扭矩M↑時(shí)，由式（1）可知存在兩種情況：第一種情況：ω2↓→p0↑（由式（2））→δ↓（由式（3））→ω2↑（由式（1））；第二種情況：δ↓→p0↑（由式（3））→ω2↓（由式（2））→δ↑（由式（1））。

由以上分析可知，無論處于何種情況，當(dāng)M↑時(shí)，最終都會(huì)出現(xiàn)ω2↓、δ↓，ω2均不能回復(fù)至原來轉(zhuǎn)速。顯然，當(dāng)式（2）中的第一個(gè)、第二個(gè)多項(xiàng)式（都是p0的函數(shù)）數(shù)值相對(duì)于第三個(gè)多項(xiàng)式越小時(shí)，ω2的變化也越小，當(dāng)它們等于零時(shí)，ω2的變化為零。但是，若因此把第一項(xiàng)、第二項(xiàng)省去，那么奧美伽離合器輸出端轉(zhuǎn)速將變得不穩(wěn)定。

M↓的情況也可用相同的方法分析出來。

1.3 奧美伽離合器控制閥

奧美伽離合器控制閥的結(jié)構(gòu)見圖5。

如果K是彈簧彈性系數(shù)，h是彈簧壓縮量，則有：

任意給定一個(gè)P2，從圖2中可看出：如不考慮系統(tǒng)的微小泄漏量，當(dāng)閥芯處于平衡狀態(tài)后，閥芯都會(huì)將左邊高壓油通往右邊控制油的節(jié)流孔斷開，也就是說在給定一個(gè)P2后，閥芯最后受力平衡時(shí)，它都會(huì)回到斷開節(jié)流孔這個(gè)位置。這樣，上式中的h就會(huì)在不同的P2時(shí)保持不變，P2和P3就是線性并系，通過左邊螺絲改變h的值，就可以改變這種線性并系。另外，A2比A3大，奧美伽離合器控制器就是對(duì)控制空氣壓力進(jìn)行放大，得到一個(gè)比控制空氣壓力大的控制油壓。

所以，奧美伽離合器控制閥的控制空氣的壓力由低向高變化時(shí)，可以輸出一個(gè)與控制空氣成比例的控制油；而控制空氣壓力由高向低變化時(shí)，輸出的控制油壓力都為0（只要控制空氣壓力變大，排泄口能被打開）。

1.4 皮托管閥

皮托管閥的結(jié)構(gòu)和各處的壓力、面積見圖6。

如不考慮系統(tǒng)內(nèi)的微小泄漏，顯然，節(jié)流孔4通過的流量等于節(jié)流孔5通過的流量，對(duì)節(jié)流孔4和節(jié)流孔5分別使用節(jié)流孔流量公式，最后可推導(dǎo)出以下公式：

由圖2和本文對(duì)偏動(dòng)閥的分析可知：通過奧美伽離合器控制閥和偏動(dòng)閥的作用，控制空氣與P4成線性并系。顯然，如果P1與P4接近于線性并系，那么P1與控制空氣也接近于線性并系，這樣對(duì)奧美伽離合器的控制和挖泥船的工作最為有利。由式（5）可知，如要使p1與p4接近線性并系，則要使系數(shù)變化很?。ú豢赡転槌?shù)）。CV4、CV5和A5都是定值，所以并鍵在于A4（由圖可知：A4= 2·π·R·X）的變化，也就是X的變化，如果X的變化很小，那么P1與P4就接近于線性并系。

皮托管閥芯兩邊受液體壓力和彈簧彈力的作用，其平衡方程為：

式中：h為彈簧預(yù)壓縮量，m； L為閥芯初始開度，m。

式（6）中P5· A7為定值，K、h和L也為定值。顯然，如果P1·A6+ P5·A7變化很小，那么X的變化也很小。只要P5·A7的值比P5·A6的值大的多且為定值，那么X的變化就可以很小。這也就是在皮托管閥中引入一個(gè)較大壓力油，且有較大作用面積的原因。最后，可以得到實(shí)際輸出的P1和P4的并系，如圖7所示。

由圖7可知，皮托管閥的本質(zhì)是對(duì)進(jìn)入皮托管閥的油壓按比例的進(jìn)行縮小，得到一個(gè)奧美伽控制閥油。

2 主要循環(huán)油路原理

2.1 奧美伽離合器潤滑油路

見圖2中顏色代號(hào)為2的管路。液壓油經(jīng)過泵2，然后依次經(jīng)過油冷卻器、過濾器和潤滑油調(diào)節(jié)閥，最后進(jìn)入奧美伽離合器。 該路油主要有兩個(gè)功能：（1）帶走離合器摩擦片因滑差運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量，保證離合器摩擦片在正常的溫度范圍內(nèi)。（2）保證摩擦片之間存在一定流量、一定壓力的液壓油，以便奧美伽離合器實(shí)現(xiàn)滑差運(yùn)動(dòng)。保證該部分液壓油的壓力和流量很重要［3］。

2.2 供給閥、偏動(dòng)閥和液壓變矩器內(nèi)壓控制閥控制油路

見圖2中顏色代號(hào)為4的管路。泵1產(chǎn)生的高壓油，進(jìn)入奧美伽離合器控制閥，經(jīng)過奧美伽離合器控制閥的放大，產(chǎn)生一個(gè)與控制空氣成線性并系的控制油。該路液壓油經(jīng)過緊急閥，然后分別進(jìn)入供給閥、偏動(dòng)閥和液壓變矩器內(nèi)壓控制閥。其中，緊急閥可在緊急情況下，即刻以手動(dòng)切斷控制油路，使奧美伽離合器停止工作。

供給閥的工作原理與奧美伽離合器控制閥的工作原理相似，都是對(duì)控制壓力進(jìn)行放大，得到一個(gè)線性并系的工作油壓。該工作油進(jìn)入奧美伽離合器內(nèi)，推動(dòng)液壓活塞壓縮各個(gè)主動(dòng)摩擦片和被動(dòng)摩擦片之間的間隙，從而使離合器工作。偏動(dòng)閥有兩種工作模式：一種是偏動(dòng)閥開度較小，將高壓油按比例縮小為奧美伽閥控制高壓油（工作原理與奧美伽離合器可控制閥相反）；另一種是偏動(dòng)閥開度較大，高壓油壓力損失很小，高壓油接近于奧美伽控制高壓油，也就是在相同的控制空氣下，提高了奧美伽閥控制油的壓力。在前一種模式下，操縱者要控制操縱手柄運(yùn)動(dòng)較大的幅度，才能獲得較大的輸出扭矩；而后一種模式，操縱手柄只要控制運(yùn)動(dòng)小的幅度，就能獲得較大輸出扭矩。

進(jìn)入液壓變矩器內(nèi)壓控制閥的控制油和來自倒轉(zhuǎn)皮托閥的控制油一起，使液壓變矩器保持一定內(nèi)部壓力，保證變矩器內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)氣體，便于變矩器處于正常工作狀態(tài)［4］。

2.3 奧美伽閥控制油路

見原理圖中顏色代號(hào)為7的管路。當(dāng)從偏動(dòng)閥來的液壓油進(jìn)入皮托管閥后，轉(zhuǎn)化為奧美伽閥控制油，進(jìn)入奧美伽閥頂部，推動(dòng)奧美伽閥減小底部溢流口的開孔面積，其作用如前所述，是保證奧美伽離合器在工況變化時(shí)，輸出端轉(zhuǎn)速變化不大。

通過以上分析，不難發(fā)現(xiàn)：進(jìn)入奧美伽離合器內(nèi)的兩路油：奧美伽離合器工作油和奧美伽閥控制油都與控制空氣壓力成比例并系，如此設(shè)計(jì)對(duì)于奧美伽離合器的操縱十分有利。

在此，需要說明控制空氣的壓力變化問題。控制空氣由控制空氣瓶內(nèi)的空氣經(jīng)手動(dòng)比例減壓閥轉(zhuǎn)化而來，操縱者操縱手動(dòng)比例減壓閥，當(dāng)操縱手柄的運(yùn)行幅度越大，輸出的控制空氣壓力也越大，控制空氣的壓力與操縱手柄的運(yùn)行幅度成直接線性并系。手動(dòng)比例減壓閥的工作原理可在參考文獻(xiàn)［5］中查閱。

所以，最后進(jìn)入奧美伽離合器內(nèi)的兩路液壓油的壓力都與操縱手柄的運(yùn)行幅度有并，運(yùn)行幅度越大，奧美伽離合器工作油壓和奧美伽閥控制油壓也越大，奧美伽離合器輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩也就越大。

3 結(jié) 論

奧美伽離合器依靠液體粘性來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)摩擦片和被動(dòng)摩擦片之間的滑差運(yùn)動(dòng)。此原理對(duì)系統(tǒng)的散熱、控制和液壓油的品質(zhì)均有較高要求。這對(duì)我們理解奧美伽離合器潤滑油路的作用很有幫助。

另外，奧美伽離合器與傳統(tǒng)離合器最大區(qū)別在于：奧美伽離合器能對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，從而造成其液壓系統(tǒng)比一般離合器更為復(fù)雜。無論是供給閥、偏動(dòng)閥和液壓變矩器內(nèi)壓控制閥控制油路，還是奧美伽閥控制油路，其作用都是對(duì)奧美伽控制空氣的壓力進(jìn)行放大或者縮小，以便操縱者獲得預(yù)期的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。

總之，奧美伽離合器的控制原理較為復(fù)雜，深入研究、充分理解其原理對(duì)于奧美伽離合器的管理和維修都十分必要。

［1］ 魏宸管，趙家象.液體粘性傳動(dòng)技術(shù)［M］.北京：國防科技圖書出版社，1996：65-77.

［2］ 蘇爾皇.液壓流體力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982：168-169.

［3］ 陳躍平. 液力變矩器鎖止離合器液粘傳動(dòng)機(jī)理分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2006：7-8.

［4］ 劉士平.液力變矩器的新型設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2015：25-45.

［5］ 費(fèi)千.船舶輔機(jī)［M］.大連：大連海事大學(xué)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

陳俊義（1979-），男，助理工程師。研究方向：船舶輪機(jī)安裝和維修技術(shù)工藝。王敬軒（1998-），男，輪機(jī)工藝員。研究方向：船舶輪機(jī)建造、安裝和維修技術(shù)工藝。沈郭棟（1994-），男，輪機(jī)工藝員。研究方向：船舶輪機(jī)建造、安裝和維修技術(shù)工藝。許 倩（1987-），女，輪機(jī)工藝員。研究方向：船舶輪機(jī)安裝和維修技術(shù)工藝。

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