滑差式離合器在港作拖輪上的應(yīng)用

賈志超

（秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

港作拖輪是在沿海及內(nèi)河港口范圍內(nèi)執(zhí)行拖帶作業(yè)的特種船舶。它主要用作協(xié)助大型船舶進(jìn)出港口，靠離碼頭，調(diào)頭轉(zhuǎn)向，移動(dòng)泊位，和引水員接送等。港作拖輪對(duì)操縱性和拖力要求較高，拖力要求根據(jù)港口船舶噸位在（3200～8000）ps。港作拖輪的作業(yè)特點(diǎn)要求其回轉(zhuǎn)半徑要小，能低速進(jìn)退，緊急停車，能推能拖，或作較長(zhǎng)距離的倒拖，甚至橫移等，但港作拖輪對(duì)船速要求不高，一般為（8～15）節(jié)。港作拖輪的動(dòng)力裝置主要有主機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、舵槳（推進(jìn)器）、輔機(jī)、甲板機(jī)械等，具有消防功能的拖輪還配有消防機(jī)。主機(jī)大多采用四沖程中速柴油機(jī)，舵槳是Z 形傳動(dòng)的特殊推進(jìn)器，主機(jī)和舵槳之間需要中間軸和離合器連接，以上幾個(gè)設(shè)備緊密配合完成船舶動(dòng)力的傳送和輸出。

1 滑差離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

離合器是船舶動(dòng)力傳送、輸出的中間的環(huán)節(jié)，主機(jī)和舵槳之間連接靠它實(shí)現(xiàn)。離合器種類很多，有電磁型、液壓型和氣動(dòng)型等，拖輪上常用的是液壓型和氣動(dòng)型。下面以日立NICO 傳動(dòng)設(shè)備的AGCP172Y 型液壓離合器為例主要介紹帶滑差的液壓型離合器。AGCP172Y 型離合器為液壓多片式離合器，用于將主機(jī)的動(dòng)力傳遞至螺旋槳。操作離合器，可以方便控制動(dòng)力的傳遞或斷開(kāi)。當(dāng)主機(jī)在400 r/min 的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，離合器可以將一級(jí)水平輸出軸控制在（50～330）r/min 內(nèi)的任意轉(zhuǎn)速。該離合器主要由輸入軸組件、離合器摩擦片和輸出軸組件等部分組成，它們都置于殼體中。油泵是由輸入軸驅(qū)動(dòng)的，吸入油泵的油用于執(zhí)行離合器和潤(rùn)滑冷卻有關(guān)部件。主離合器的脫/合電磁閥置于殼體的右側(cè)，用來(lái)接通或斷開(kāi)壓力油的通道。此外，殼體的右側(cè)還設(shè)置有離合器壓力控制閥、10 μm 過(guò)濾器、滑油流量控制閥和滑油調(diào)壓閥。離合器內(nèi)由離合器片、離合器托架、離合器活塞、壓板和彈簧等組成。離合器片分為摩擦片和鋼片兩種，摩擦片的外圓周為齒形結(jié)構(gòu)，兩端的摩擦片只是單面有摩擦材料，中間的摩擦片兩側(cè)都有摩擦材料。摩擦片的外齒與離合器托架的內(nèi)齒相嚙合。離合器活塞置于托架的內(nèi)側(cè)，它的內(nèi)外圓周通過(guò)V 形密封圈密封。鋼片的內(nèi)圓周為齒形結(jié)構(gòu)，與離合器軸轂的外齒相嚙合，鋼片與摩擦片是交替裝配的。當(dāng)壓力油供至離合器活塞時(shí)，摩擦片與鋼片之間會(huì)因摩擦力作用而嚙合，將輸入軸的動(dòng)力傳遞至輸出軸。當(dāng)壓力被釋放時(shí)，離合器活塞會(huì)在彈簧力的作用下返回至原始位置，使離合器脫開(kāi)。離合器的操作和潤(rùn)滑都是由液壓油完成的，所有軸承和齒輪是由循環(huán)潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑的，離合器片的冷卻和潤(rùn)滑是由低壓潤(rùn)滑油來(lái)完成的。離合器的滑差、合排和脫排控制是由駕駛臺(tái)的操縱手柄控制的。當(dāng)主機(jī)處于怠速狀態(tài)時(shí)，緩慢操縱駕駛臺(tái)控制手柄使離合器處于滑差狀態(tài)可以使輸出軸在（50～330）r/min 范圍內(nèi)變化，從而驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。離合器在滑差階段的控制是一個(gè)閉環(huán)控制，如圖1 所示。

圖1 閉環(huán)控制

2 滑差離合器在拖輪應(yīng)用的特點(diǎn)

2.1 減少主機(jī)—螺旋槳過(guò)載、沖擊

AGCP172Y 型滑差式離合器應(yīng)用在拖輪上，當(dāng)拖輪需動(dòng)船作業(yè)時(shí)，離合器合排需要先經(jīng)過(guò)滑差階段，在滑差離合初始階段，螺旋槳轉(zhuǎn)速由0 r/min 逐漸增加到大約15 r/min（不帶滑差的離合器螺旋槳轉(zhuǎn)速瞬間達(dá)到150 r/min），然后通過(guò)操作手柄可以將螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)整到需要的轉(zhuǎn)速。在離合器合排這一瞬間，主機(jī)由怠速狀態(tài)變?yōu)楣β瘦敵鰻顟B(tài)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳由靜止到緩慢旋轉(zhuǎn)。與驅(qū)動(dòng)直接合排式離合器的主機(jī)相比較，主機(jī)的輸出功率上升曲線較平緩，避免了合排瞬間主機(jī)負(fù)荷突變和尾氣排放冒黑煙、排放超標(biāo)問(wèn)題。由于離合器的主、從動(dòng)盤(pán)并未剛性連接，可對(duì)主機(jī)和螺旋槳進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，有滑動(dòng)離合階段，降低了從主機(jī)到螺旋槳的整個(gè)軸系的沖擊扭矩。同時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速變化較平緩，船體受自身螺旋槳產(chǎn)生的水流沖擊力減弱，船體的諧波振動(dòng)得到明顯的改善。

2.2 使港作拖輪作業(yè)更加節(jié)能

港作拖輪作為港口航運(yùn)的輔助作業(yè)船，為不同船型、噸位的到港貨船提供拖帶服務(wù)，這就要求其具有較寬的功率輸出范圍，隨時(shí)滿足貨船的指令要求。帶有滑差式離合器的拖輪螺旋槳轉(zhuǎn)速可以在（15～250）r/min 任意調(diào)整，將以往拖輪的輸出功率范圍由30%～100%擴(kuò)寬至5%～100%。以秦皇島港的貨輪（一般為空載船舶）進(jìn)港靠泊為例，其靠泊過(guò)程大致如下：大型船舶進(jìn)港時(shí)，距離碼頭泊位不超過(guò)3 海里時(shí)，協(xié)助靠泊的拖輪就需要貼近貨船去帶纜繩，這時(shí)貨船速度要降低到5 節(jié)以下，隨著距離泊位越來(lái)越近，貨船速度也越來(lái)越慢，距離碼頭500 m 左右時(shí)，船速要降低到1 節(jié)以下，在拖輪帶好拖纜到貨船船位平行于泊位這一段時(shí)間，拖輪要以同樣的速度伴航，具有滑差離合器的拖輪可以在這期間利用離合器的滑差階段控制螺旋槳轉(zhuǎn)速以保持船速與貨船同步。當(dāng)貨船平行于指定泊位后，首尾兩端的拖輪需要將貨船平移到指定泊位，在這個(gè)平移的過(guò)程，具有滑差式離合器的拖輪可以利用5%～30%這一功率范圍緩慢的控制貨船橫移速度，保證靠泊安全。根據(jù)拖輪油耗船端工控機(jī)記錄，在同樣的作業(yè)環(huán)境下協(xié)助靠泊同樣噸位的貨船，使用滑差離合器的船舶每次作業(yè)任務(wù)約節(jié)省燃油26.5 kg，節(jié)能率能達(dá)到8.2%。

2.3 提高港作拖輪操作的靈活性、機(jī)動(dòng)性

具有滑差式離合器的拖輪可連續(xù)平滑的改變螺旋槳轉(zhuǎn)速，將螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)到主機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以下，實(shí)現(xiàn)微速航行提高船舶的機(jī)動(dòng)性，在一些特殊航行區(qū)域，應(yīng)用范圍更加廣泛。航行時(shí)下沉量與船速的平方成正比，當(dāng)船舶航行于淺水區(qū)時(shí)，最好慢速通過(guò)，以增大富裕水深。拖輪在進(jìn)出塢修理時(shí)也可利用滑差離合器降低螺旋槳的起步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自航進(jìn)塢、出塢。同樣在拖輪靠離碼頭，動(dòng)力定位工作模式下，滑差式離合器的配備也使船舶操作更加靈活、方便。