8000KW救助船舶濕式多片摩擦離合器過熱分析

張尚耀 李輝

摘 要：船用濕式多片摩擦離合器（圖1）的摩擦片在較高速度時(shí)容易發(fā)生滑摩或油膜剪切發(fā)熱問題。這與潤(rùn)滑油油路結(jié)構(gòu)、摩擦片油槽結(jié)構(gòu)及離合器使用條件、摩擦片內(nèi)部溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)有關(guān)，還與潤(rùn)滑及冷卻介質(zhì)的流場(chǎng)有關(guān)。本文著重對(duì)我局8000KW系列救助船舶所采用的濕式多片摩擦離合器在操作、維護(hù)和管理方面可能會(huì)引起多片摩擦離合器過熱這個(gè)問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：離合器 過熱

8000KW系列遠(yuǎn)洋救助船舶采用齒輪箱為瓦錫蘭公司配套提供，標(biāo)配產(chǎn)品。垂直偏心布置，偏心距850mm。型號(hào)SCV85-PC69/P72，額定輸入功率4500KW，額定輸入轉(zhuǎn)速750rpm，輸出轉(zhuǎn)速（螺旋槳轉(zhuǎn)速）192.1rpm。軸帶發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1513rpm，輸出功率1800KW。軸帶消防泵輸出轉(zhuǎn)速1791rpm，輸出功率1050KW。軸帶齒輪油泵組為同軸雙聯(lián)泵，其高壓泵排量106升/分鐘，低壓泵排量190升/分鐘。每臺(tái)齒輪箱配置1臺(tái)獨(dú)立的電動(dòng)滑油、控制油備用泵，為同軸雙聯(lián)電動(dòng)齒輪泵。低壓泵提供齒輪箱的相關(guān)部件潤(rùn)滑、冷卻用油，高壓泵為離合器和變距槳提供液壓控制用油[1]。齒輪箱主離合器和消防泵離合器均采用液壓驅(qū)動(dòng)的多片式摩擦片離合器，以減輕離合器合排時(shí)的扭力沖擊振動(dòng)對(duì)離合器及齒輪箱部件造成損害。

1.離合器摩擦片過熱的主要成因

實(shí)際工作狀態(tài)下，離合器摩擦接觸面的壓力分布往往是不均勻的，這就造成了接觸壓力高的區(qū)域產(chǎn)生了較高的溫度場(chǎng)，有較高溫度場(chǎng)的區(qū)域又會(huì)形成較高的熱膨脹，從而導(dǎo)致更高的接觸壓力的形成。這種正反饋?zhàn)饔迷谙鄬?duì)滑動(dòng)速度超過一個(gè)臨界值的情況下將變得很不穩(wěn)定，加劇摩擦表面接觸壓力和溫度場(chǎng)的不均勻性，導(dǎo)致摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為熱彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象。熱彈性不穩(wěn)定將導(dǎo)致摩擦面上產(chǎn)生局部高溫點(diǎn)，從而導(dǎo)致材料破壞、熱裂紋生成和摩擦振動(dòng)的引起（如圖2）。

研究發(fā)現(xiàn)，過熱的兩大主要原因是離合器合排打滑和嚴(yán)重帶排。離合器合排打滑引起的發(fā)熱主要是離合器合排過程中因超載、摩擦系數(shù)降低、摩擦片磨損嚴(yán)重等原因?qū)е碌哪Σ疗团己掀鄬?duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生很大的滑摩功，并轉(zhuǎn)化為熱量。離合器嚴(yán)重帶排引起的發(fā)熱主要是離合器空轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦片相對(duì)線速度較高，若摩擦片和偶合片之間間隙過小，由于油膜剪切產(chǎn)生的帶排力矩大于負(fù)載力矩，帶動(dòng)負(fù)載在較高轉(zhuǎn)速下跟轉(zhuǎn)，出現(xiàn)潤(rùn)滑油溫快速超過許用值。船用濕式多片摩擦離合器使用潤(rùn)滑油進(jìn)行分片，如果摩擦片與偶合片分離不徹底，摩擦片或偶合片有翹曲，可能出現(xiàn)碰摩或者滑摩，帶排現(xiàn)象更嚴(yán)重，發(fā)熱量更大。因此針對(duì)這兩方面的研究成為解決離合器過熱問題的主要措施。

2.離合器合排工作原理分析

2.1 自動(dòng)合排操作原理分析（圖3）

為了便于分析起見，使用8000kw齒輪箱液壓控制原理圖進(jìn)行分析。主離合器閥組在原理圖上分解成如下幾個(gè)單獨(dú)的閥件，29.1（離合器主閥模塊），21.1（軟離合二位四通閥），23b1（6bar減壓閥），23a1（25bar減壓閥）。PTO離合器閥組為29.2，21.2，23a2，23b2。

正常情況下合排步驟：遙控按下合排按鈕，29.1閥件右側(cè)與21.1軟離合閥件同時(shí)通電，29.1閥件閥芯向右側(cè)移動(dòng)，液壓油走右側(cè)通道至離壓器壓縮油缸，21.1軟離合閥件下位通，阻斷油流通往23a1，此時(shí)油流只能通過23b1經(jīng)單向閥流向29.1右側(cè)通道進(jìn)離合器油缸，經(jīng)13秒后，6bar壓力油推動(dòng)離合器壓縮活塞并將摩擦片和偶合片初步貼合，此過程就是所謂的軟離合。13秒過后21.1閥件斷電，該閥油路跳轉(zhuǎn)上位通道，高壓油流經(jīng)21.1閥件上位通道流向23a1減壓閥，此時(shí)23b1（6bar減壓閥）及23a1（25bar減壓閥）閥體都與油泵來的油流聯(lián)通，因23b1（6bar減壓閥）及23a1（25bar減壓閥）閥體間安裝了單向止回閥，故而油泵至離合器油腔的液壓油只能走23a1（25bar減壓閥）閥體通道，至此25bar壓力油作用在壓縮活塞上，壓縮離合器摩擦片和偶合片，完成了離合器平順合排動(dòng)作，壓力傳感器檢測(cè)到25bar壓力表示合排成功。

2.2.手動(dòng)合排操作原理分析（圖3）

離合器控制電磁閥29.1是一個(gè)具有自鎖固定位置的控制閥，從機(jī)能圖看，是一個(gè)三位三通、不具有彈簧回中的電控滑閥，實(shí)際控制動(dòng)作時(shí)，中位僅是一個(gè)過渡過程。從自動(dòng)合脫排機(jī)理可以看出，軟合排動(dòng)作是29.1及21.1電磁閥同時(shí)通電后油路的走向決定的，因此在執(zhí)行手動(dòng)合排操作時(shí)，閥件29.1初始位置處在左側(cè)位，亦即脫排位，當(dāng)要進(jìn)行手動(dòng)合排操作時(shí)，正確的操作方法應(yīng)是手動(dòng)頂壓21.1電磁閥（13秒計(jì)時(shí)不是從頂開此閥時(shí)刻開始），此時(shí)油流走23b1（6bar減壓閥）經(jīng)單向止回閥至29.1（離合器主閥模塊）左側(cè)端，為離合器軟合排做準(zhǔn)備，接著再手動(dòng)向左頂動(dòng)29.1離合器主控制閥，6bar液壓油經(jīng)29.1右側(cè)通道進(jìn)入離合器油缸，推動(dòng)離合器活塞壓縮，使摩擦片和偶合片貼合。手動(dòng)合排時(shí)保持13秒或以上通油計(jì)時(shí)是從頂動(dòng)29.1離合器主控制閥開始的，13秒通油計(jì)時(shí)，用意是保證6bar壓力液壓油在13秒的時(shí)間內(nèi)保證充滿離合器內(nèi)壓縮腔室，因?yàn)橐后w的不可壓縮性，在后續(xù)引入25bar壓力油時(shí)不會(huì)對(duì)離合器摩擦片和偶合片造成沖擊。

2.3.合排引起過熱原因分析

8000kw系列救助船舶離合器采用軟合排，合排動(dòng)作初期，作用在離合器驅(qū)動(dòng)活塞上的液壓驅(qū)動(dòng)力較小，離合器摩擦片和偶合片間的結(jié)合度較低，存在著打滑，輸出軸從靜止?fàn)顟B(tài)緩慢啟動(dòng)回轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器活塞上的液壓驅(qū)動(dòng)力再次升高時(shí)，離合器片間的結(jié)合度增加，打滑現(xiàn)象消失，輸出軸以固定轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)。

在遙控或手動(dòng)操作中，軟合排設(shè)定時(shí)間為13秒，油壓為6bar。但如果軟合排控制電磁閥21.1出現(xiàn)故障，沒有通電或卡死在打開位置，離合器將直接硬合排，導(dǎo)致動(dòng)力輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，沖擊負(fù)荷也大，船體振動(dòng)明顯，摩擦片磨損嚴(yán)重，部分出現(xiàn)裂痕，運(yùn)行時(shí)過熱明顯甚至冒煙。惡性循環(huán)最終導(dǎo)致離合器功能失效，船舶失去動(dòng)力。機(jī)旁手動(dòng)合排時(shí)，操作方法以及時(shí)間的把控也是很重要，如果不了解合排原理，手動(dòng)頂壓21.1電磁閥13s后再頂壓29.1（離合器主閥模塊）右側(cè)端，就會(huì)旁通軟合排環(huán)節(jié)，形成事實(shí)上的硬合排，產(chǎn)生很大的沖擊負(fù)荷和異常振動(dòng)。操作時(shí)軟合排時(shí)間過短，動(dòng)力輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量還很大，也會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)、粗暴響聲等現(xiàn)象，損壞摩擦片引起過熱最終導(dǎo)致離合器失效。在日常的使用中，如果發(fā)現(xiàn)離合器異常振動(dòng)或過熱，應(yīng)該馬上停止使用，檢查原因，及時(shí)排除故障。

3.故障帶排引起過熱原因分析

而齒輪箱的故障帶排是指齒輪箱脫排以后輸出軸仍然轉(zhuǎn)動(dòng)。該現(xiàn)象是由剛性故障或軟性故障造成的：剛性故障帶排通常是由于裝配問題造成，如摩擦片總間隙偏小、活塞不靈活、返回彈簧損壞、摩擦片毛刺等，造成摩擦片半合半脫狀態(tài)，摩擦片和偶合片長(zhǎng)期相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致發(fā)熱；軟性故障帶排通常由于操縱閥泄漏，空車位置有少量工作油進(jìn)入離合器活塞油缸內(nèi)，導(dǎo)致摩擦片呈半接半脫狀態(tài)而發(fā)熱。如果產(chǎn)生故障帶排現(xiàn)象，說明摩擦片已經(jīng)出現(xiàn)問題或操縱閥出現(xiàn)泄漏，必須馬上解決，以防止故障擴(kuò)大化，危及船舶安全。在日常檢查中，特別是主機(jī)未啟動(dòng)前經(jīng)常盤車檢查是否有帶排現(xiàn)象，以便及時(shí)處理。另外，根據(jù)帶排嚴(yán)重情況可考慮安裝手動(dòng)剎車裝置。

4.其他原因引起的過熱

4.1.負(fù)荷過大引起離合器過熱

離合器合排過程中，摩擦片和偶合片之間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的滑摩功轉(zhuǎn)化為熱量，致使摩擦片溫度升高，合排完成后摩擦片在潤(rùn)滑油的作用下冷卻。救助船舶主離合器和對(duì)外消防炮離合器都會(huì)在合排時(shí)對(duì)負(fù)荷條件做限制，如離合器合排時(shí)螺旋槳葉角必須在±3%以內(nèi)，對(duì)外消防泵離合器合排時(shí)進(jìn)口閥打開、出口閥關(guān)閉等，這些措施都是為了保證離合器在合排過程中盡量低負(fù)荷。救助船舶經(jīng)常進(jìn)行大風(fēng)浪救助任務(wù)，海況對(duì)負(fù)荷影響很大，輪機(jī)人員應(yīng)加強(qiáng)管理，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷有效控制。

4.2潤(rùn)滑、冷卻失效導(dǎo)致過熱

離合器結(jié)合過程是在活塞推力作用下，摩擦片與從偶合片漸靠近，摩擦形式由流體摩擦變?yōu)檫吔缒Σ?，最后摩擦片與從偶合片直接接觸形成干摩擦[6]，結(jié)合完成后摩擦片在潤(rùn)滑油的作用下冷卻。離合器正常工作時(shí)的潤(rùn)滑油經(jīng)過循環(huán)至滑油冷卻器，溫度是通過控制冷卻器的進(jìn)水量來調(diào)節(jié)。如果冷卻效果變差 導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量不能被及時(shí)帶走會(huì)使滑油溫度急劇升高，當(dāng)溫度不合適時(shí)會(huì)影響到摩擦片的工況。

輪機(jī)人員應(yīng)加強(qiáng)潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的管理，定期檢查滑油壓力，清洗濾器，要定期對(duì)壓力繼電器和溫控閥進(jìn)行試驗(yàn)，確保其效用。

4.3.滑油污染也會(huì)引起過熱

滑油污染是指滑油中存在相當(dāng)數(shù)量的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)有內(nèi)部零件磨損、老化以及化學(xué)作用產(chǎn)生的金屬屑、於渣和氧化物，也有從外部進(jìn)入的沙粒、水分等。這些雜質(zhì)影響潤(rùn)滑和散熱效果、加速摩擦片磨損，縮短摩擦片壽命，還有可能阻塞油孔，使摩擦片缺油燒蝕。滑油中的水分會(huì)引起摩擦片表面銹蝕，加速滑油氧化分解，生成沉淀物，惡化潤(rùn)滑性能。

8000kw系列救助船舶使用的齒輪箱滑油為GEAR600XP100。齒輪箱設(shè)計(jì)有高壓、低壓滑油濾器，低壓滑油濾器為雙聯(lián)濾器，安裝濾器過濾度為14um[8]，在日常工作中，保證齒輪箱滑油在其可用理化范圍內(nèi)是輪機(jī)人員的工作重心，日常拆檢過濾器，檢查磨粒數(shù)量和大小，在壓差超過許用值時(shí)，要更換濾芯保證過濾正常。定期取滑油油樣進(jìn)行化驗(yàn)也是保證滑油質(zhì)量的重要途徑，對(duì)于滑油質(zhì)量，一定要做到心中有數(shù)。

5.離合器過熱處理措施

在8000KW系列船舶的實(shí)際使用過程中，離合器開始出現(xiàn)高溫導(dǎo)致失效的案例，應(yīng)該引起我們重視。前面我們分析了離合器過熱的原因，對(duì)于處理措施，我們認(rèn)為重在預(yù)防，結(jié)合船舶的日常維護(hù)保養(yǎng)，重點(diǎn)做好以下工作：

熟知離合器結(jié)構(gòu)和合脫排工作原理，熟練進(jìn)行手動(dòng)合排；

發(fā)現(xiàn)離合器合排時(shí)出現(xiàn)船體振動(dòng)強(qiáng)烈，噪音較大時(shí)馬上及時(shí)查找原因，排除故障；

避免短時(shí)間內(nèi)頻繁操作離合器離合排；

發(fā)現(xiàn)帶排現(xiàn)象及時(shí)查找原因，排除隱患；

避免過載或者控制油壓太低導(dǎo)致的離合器偶合片與磨擦片滑動(dòng)；

運(yùn)行期間，輪機(jī)人員對(duì)油位、溫度、壓力和液壓管路及其附件做常規(guī)檢查；

定期化驗(yàn)齒輪箱油樣，必要時(shí)全部更換齒輪箱油；

定期檢查濾器，發(fā)現(xiàn)銅質(zhì)鐵質(zhì)顆粒物數(shù)量異常增多，則必須查明原因，防止機(jī)損；

定期打開離合器觀察導(dǎo)門，檢查離合碟片的潤(rùn)滑情況和磨損情況，如有必要，可使用專用測(cè)量工具測(cè)量離合片的磨損量，以判斷離合片的實(shí)際狀況，對(duì)照說明書的要求，若過度磨損，則需更換；

6.結(jié)束語

齒輪箱在船舶設(shè)備中居于重要位置，離合器又是齒輪箱的重要組成，此次對(duì)船用濕式多片摩擦離合器過熱的分析主要從理論和實(shí)踐角度進(jìn)行闡述，并列舉了管理中需要注意的要點(diǎn)，僅供各位同行參考，不正之處歡迎指正。

參考文獻(xiàn)：

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