船舶離合器吸合過程中沖擊現(xiàn)象的分析和管理措施

鐘琦峰

摘 要：圍繞拖輪離合器吸合過程常會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象這一問題，本文不僅從離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理加以分析，而且從離合器控制系統(tǒng)工作原理和離合器控制邏輯時序電路進(jìn)一步予以分析，總結(jié)出引起離合器吸合過程會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象的各種原因。并對預(yù)防離合器出現(xiàn)吸合沖擊的問題，提出了管理方面的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：離合器;沖擊;工作原理;控制邏輯

中圖分類號：U674? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0078-04

1 引言

可回轉(zhuǎn)舵槳是全回轉(zhuǎn)港作拖輪的關(guān)鍵設(shè)備，常采用雙機雙槳的配置方式，以實現(xiàn)拖輪操縱的靈活性?？苫剞D(zhuǎn)舵槳通過離合器實現(xiàn)機、槳的聯(lián)結(jié)，是舵槳的重要組成部分。港作拖輪作業(yè)特點就是輔助大船進(jìn)出港靠離碼頭時，離合器頻繁合排。據(jù)寧波港口作業(yè)量統(tǒng)計，拖輪作業(yè)每艘次離合器合排次數(shù)在30次以上，以每年3000艘次計，離合器離合次數(shù)超過9萬次。因此，離合器工作的可靠性是保證港作拖輪適航率的關(guān)鍵因素。

為了提高離合器工作的可靠性，管理人員就必須了解離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握離合器控制系統(tǒng)的工作原理和控制邏輯時序，才能對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位實施有針對性的管理措施。

2 離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

以“甬港消拖2號”輪為本文分析對象?！梆巯?號”輪使用的是臥式銅摩擦片-鋼圈滑擦型離合器，該離合器為內(nèi)置式，與舵槳制造成一體。離合器的控制油沒設(shè)有獨立油箱，來自于舵槳潤滑油。離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)離合器工作時，控制離合器油從控制油進(jìn)口進(jìn)入密封腔，當(dāng)密封腔的油壓慢慢升高時，高壓油將推動鋼圈活塞左移，從而輸出軸、摩擦片以及鋼圈結(jié)合形成摩擦連接。最終將動力力矩傳給輸出軸，再通過齒輪將力矩傳給螺旋槳。當(dāng)離合器脫開時，密封腔內(nèi)液壓油將通過控制油進(jìn)口回油箱，失壓離合器依靠碟簧的作用復(fù)位。

3 離合器控制系統(tǒng)

3.1 離合器控制系統(tǒng)工作原理

離合器控制系統(tǒng)工作原理，如圖2所示。Y5和Y10分別是控制離合器合排電磁閥，相互鎖。當(dāng)離合器工作時，Y5電磁閥得電，二位換向閥左位通，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)二位換向閥通向離合器的控制油進(jìn)口，從而離合器吸合。在離合器吸合的過程中，Y30電磁閥將會得電使得控制閥右位通，將緩沖器接入到控制油管路中，防止離合器吸合過程有沖擊現(xiàn)象。SP4壓力繼電器的作用是反映離合器吸排狀態(tài)，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值（15MP）時，SP4壓力繼電器觸頭閉合，表示離合器已吸合，并將狀態(tài)反饋給控制單元。當(dāng)離合器脫開時，Y10電磁閥得電，二位換向閥右位通，離合器密封腔的壓力油經(jīng)二位閥直泄油箱，活塞鋼圈在彈簧力的作用下右移，離合器又重新恢復(fù)脫開狀態(tài)。

3.2 離合器控制邏輯電路

控制電路邏輯圖，如圖3所示。離合器的吸排是根據(jù)駕駛?cè)藛T的控制要求來動作的。當(dāng)駕駛臺操作離合器操作手柄要求離合器吸合時，操作手柄會發(fā)出離合器吸合請求信號（cl-en-rq=1），相反，操作手柄會發(fā)出離合器脫開請求信號（cl-dis-rq=1）。

離合器吸合還應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速上的限制要求，該功能由轉(zhuǎn)速檢測邏輯比較電路來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)速檢測邏輯比較電路是由（pre-cl-en-h-rpm）和（pre-cl-en-l-rpm）兩個邏輯比較模塊組成的，作用是禁止離合器在主機高轉(zhuǎn)速時或低轉(zhuǎn)速時吸合，只有主機轉(zhuǎn)速在允許離合器吸合轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才能使離合器操作手柄發(fā)訊，離合器吸合指令（cl-en=1）有效。若主機轉(zhuǎn)速不在限制范圍內(nèi)，激活booster功能，使主機轉(zhuǎn)速跟隨預(yù)定義轉(zhuǎn)速，從而使轉(zhuǎn)速位于限制范圍內(nèi)。當(dāng)booster功能時間到或離合器吸合，booster將撤銷。

離合器的吸排過程還附加有時間延時環(huán)節(jié)。離合器吸合延時環(huán)節(jié)（cl-en-dly）和離合器脫開延時環(huán)節(jié)（cl-dis-dly） 。該環(huán)節(jié)主要作用是消除操作手柄裝置的誤操作。

當(dāng)同時滿足上述三條件，即有操作指令、滿足離合器吸合時轉(zhuǎn)速限制和延時環(huán)節(jié)，離合器就進(jìn)入吸合時序程序。首先，在控制離合器吸合操作電磁閥Y5得電之前，Y30電磁閥通電，將緩沖器接入通向離合器控制油進(jìn)口管路。緩沖器在接入管路之前，Y30是失電狀態(tài)，二位換向閥左位通，緩沖器內(nèi)液壓油在預(yù)沖的3bar壓力空氣的作用下回油箱。其次，在控制電磁Y30通電時刻開始計時（cl-en-w-t=0），設(shè)定時間為1s，計時時間未到，控制離合器吸合操作電磁閥Y5仍保持失電狀態(tài)。最后，當(dāng)計時時間到達(dá)時（cl-en-w-t=1），控制離合器吸合操作電磁閥Y5通電，二位換向閥左位通，控制離合器液壓油經(jīng)二位換向閥從控制油進(jìn)口進(jìn)入密封腔。由于緩沖器接入管路，控制離合器液壓油壓力將降低，加上緩沖器內(nèi)的彈性氣室作用，控制離合器液壓油的壓力升高過程是緩變得的。從而保證了離合器的吸合過程實現(xiàn)打滑目的，避免發(fā)生沖擊現(xiàn)象。

值得注意的是，Y30通電將緩沖器接入管路，使得控制離合器液壓油壓力降低過程（cl-pres-c）。該過程是由（low-pres-t）延時環(huán)節(jié)和（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)兩個部分組成。當(dāng)離合器吸合，反饋環(huán)節(jié)（cl-act=1）時，即使在延時期間內(nèi)，延時時間設(shè)定為4s（low-pres-t=1），（cl-pres-c=0）終止控制離合器液壓油壓力降低過程，即Y30斷電，切除緩沖器作用。若在延時環(huán)節(jié)計時到達(dá)時（low-pres-t=0），即使離合器狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)（cl-act=0），也同樣終止控制離合器液壓油壓力降低過程，切除緩沖器作用。該環(huán)節(jié)控制過程正確動作不僅關(guān)系到離合器吸合過程的平穩(wěn)性，而且關(guān)系到離合器響應(yīng)的快速性。

3.3 電源部分

正是由于“消拖2號”輪的離合器與舵槳為一體，且其控制系統(tǒng)與舵槳的控制系統(tǒng)是一體，由同一電源供電。為了保證離合器可靠工作，還得對舵槳的電源部分加以分析。通常為了舵槳供電安全考慮，舵槳裝置一般都采用兩路獨立電源供電，其中一路為常用電源（380v電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓鎮(zhèn)流濾波獲得的24v直流電），另一路為備用電源（蓄電池24v電），兩路電源的切換控制由雙電源切換裝置完成。電源自動切換裝置原理圖，如圖4所示。

雙電源自動切換裝置由具有電源監(jiān)測和執(zhí)行元件監(jiān)控功能的控制器以及執(zhí)行元件組成，主要功能是最大限度地保證供電的連續(xù)性。該轉(zhuǎn)換裝置核心控制器就是KCU。KCU是根據(jù)電源電壓值動作的繼電器，設(shè)定值為22v，幅差為5%。當(dāng)主電源電壓值在KCU設(shè)定的范圍值內(nèi)時，KCU繼電器動作，其常開觸頭閉合，繼電器KCS通電，常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，從而系統(tǒng)由主電源供電。若主電源電壓值低于KCU設(shè)定最低允許值（20.9v）時，KCU繼電器常開觸頭斷開，KCS繼電器不通電，常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合，系統(tǒng)由備用電源供電。

在雙電源自動轉(zhuǎn)換過程中，KCS繼電器觸頭動作會有不同時間上的延時或不同步。在此期間，電容C放電，保持系統(tǒng)不間斷供電。電容C同時也起到保證系統(tǒng)供電電壓的穩(wěn)定性。二極管Vc的作用是保證電流的單向流通性，實現(xiàn)在主電源失電時，電容C的電壓不會經(jīng)Vc向主電源電路放電而迅速下降。

4 常見故障分析

“消拖2號”輪常見的故障是離合器吸合過程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊現(xiàn)象。下面將分析導(dǎo)致離合器吸合過程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊的原因。

在前面的離合器控制邏輯電路中已經(jīng)提到過，離合器吸合一方面要滿足轉(zhuǎn)速限制條件，避免在高轉(zhuǎn)速下吸合防止發(fā)生沖擊;另一方面在離合器吸合過程中，緩沖器接入管路，控制離合器液壓油壓力有一個壓力降低過程，加上緩沖器內(nèi)的彈性氣室作用，控制離合器液壓油的壓力升高過程是緩變的，從而保證了離合器的吸合過程實現(xiàn)打滑目的，也避免發(fā)生沖擊現(xiàn)象。按照通常情況操作離合器吸合不應(yīng)出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，但實際工作過程中沖擊卻頻繁出現(xiàn)。我們根據(jù)離合器控制邏輯電路的控制原理可知，離合器吸合過程不平穩(wěn)，發(fā)生沖擊的根本原因是在離合器吸合過程中壓力降低過程時間過短或者吸合過程中根本沒壓力降低過程。而導(dǎo)致壓力降低過程時間過短或者根本沒壓力降低過程的原因，不外乎是控制環(huán)節(jié)或執(zhí)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障。

4.1 控制環(huán)節(jié)故障

根據(jù)離合器控制邏輯電路可知，在正常操作離合器吸合時可決定離合器液壓油壓力降過程有兩個環(huán)節(jié)，即（low-pres-t）延時環(huán)節(jié)和（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)。（low-pres-t）延時環(huán)節(jié)是由控制系統(tǒng)內(nèi)的單片機（cpu）程序計數(shù)完成，若是單片機出現(xiàn)故障就不單單只是離合器吸合會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，其他的轉(zhuǎn)舵和車速控制都會出現(xiàn)故障，故排除。（cl-act）離合器吸合狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)是由SP4壓力繼電器來完成的。當(dāng)離合器控制油壓力達(dá)到設(shè)定壓力值15MP時，SP4壓力繼電器觸頭閉合，表示離合器已吸合（cl-act=1）。若是SP4壓力繼電器的設(shè)定值不正確，遠(yuǎn)低于15MP時，當(dāng)離合器控制油壓力還不到15MP，離合器其實還沒真正吸合就反饋回去（cl-act=1）。（cl-act=1）一方面切除緩沖器，另一方面使得主機轉(zhuǎn)速跟隨油門手柄設(shè)定轉(zhuǎn)速而提高。正是由此，就會導(dǎo)致離合器真正吸合過程發(fā)生沖擊現(xiàn)象。另外也應(yīng)注意，即使SP4繼電器在出廠時設(shè)定正確，但因連續(xù)使用較長，設(shè)定彈簧的彈性系數(shù)會變小，也會出現(xiàn)設(shè)定值下降，從而導(dǎo)致離合器吸合也發(fā)生沖擊情況。一般遇到因此原因?qū)е码x合器吸合出現(xiàn)沖擊情況時，可以調(diào)高SP4設(shè)定值予以消除。

4.2 執(zhí)行環(huán)節(jié)故障

控制離合器液壓油壓力降低過程（cl-pres-c）執(zhí)行環(huán)節(jié)就是Y30電磁換向閥。當(dāng)控制環(huán)節(jié)來信號控制Y30通電，Y30一通電就應(yīng)該將緩沖器接入到管路。若是Y30由于某些原因未能正確動作，離合器液壓油壓力降低過程就不能夠得以實現(xiàn)，離合器在吸合時就會沖擊。能夠?qū)е码姶艙Q向閥Y30故障，有三個原因。一是電磁換向閥內(nèi)的閥芯臟污卡阻;二是電磁線圈燒毀或供電線路故障;三是電磁閥的供電電源出現(xiàn)故障。前面兩個原因都好理解，對于第三原因，應(yīng)加以注意和分析。由于舵槳裝置采用兩路獨立電源供電，其中一路為常用電源，另一路為備用電源，兩路電源的切換控制由雙電源切換裝置完成。下面我們分別從切換裝置和整流電源加以分析。

切換裝置。若是切換裝置核心控制器KCU設(shè)定值不正確，當(dāng)主電路電源輸出電壓低，不能及時切換到備用電源，在此切換期間進(jìn)行離合器操作將導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)不能正確動作引起離合器吸合過程發(fā)生沖擊;同樣，若是切換裝置中的蓄能電容C容量變小或是二極管Vc反向?qū)?，即使核心控制器KCU設(shè)定值，當(dāng)主電路電源輸出電壓低時，由于KCU和KCS兩繼電器的各個觸頭動作存在時間誤差，就不能夠保證在雙電源自動切換過程的供電品質(zhì)保證，也將導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)不能正確動作引起離合器吸合過程發(fā)生沖擊。

整流電源。主電路電源常見的故障就是整流電橋中的二極管出現(xiàn)反向截止能力下降或是擊穿。電橋電路中的二極管出現(xiàn)反向截止能力下降或是擊穿，不僅會使輸出電壓下降，還使得電源的帶負(fù)載能力下降。根據(jù)前面可知在離合器吸合時序程序期間，控制單元在控制離合器吸合操作電磁閥Y5得電之前是先控制Y30電磁閥通電。若此時Y30通電即相當(dāng)于系統(tǒng)投入的負(fù)載增加，電源輸出電壓將會降低，將導(dǎo)致Y30電磁閥不能夠正確動作，又因為控制系統(tǒng)的核心cpu供電電壓為5v，所以并不影響控制系統(tǒng)的運行。同時電壓降低到KCU設(shè)定動作值時，KCU自動轉(zhuǎn)換到備用電源。由于在控制Y30通電信號下達(dá)后1s就發(fā)送控制Y5通電信號，此時可能就會出現(xiàn)Y5和Y30電磁閥同時供電，邏輯控制時序不正常，離合器吸合會出現(xiàn)沖擊。

查閱“消拖2號”輪自2001年建造至今舵槳的維修保養(yǎng)記錄，做一統(tǒng)計，如表1所示。

可以清楚地看到，在實際工作當(dāng)中，遇到離合器吸合發(fā)生沖擊現(xiàn)象處理方法通常也就是調(diào)整或換新SP4繼電器、更換KCU和換新整流橋路二極管。這又論證了上述的分析結(jié)論。

5 管理措施

5.1加強對電源管理

定期對整流電路上的電橋二極管進(jìn)行測量，對反向電阻低于10 的二極管應(yīng)及時換新;同時應(yīng)對整流電路進(jìn)行除塵散熱工作，保證電路元件的工作環(huán)境適合要求。對備用電瓶也做好日常的維護(hù)保養(yǎng)。定期對自動切換裝置進(jìn)行效用，特別是對KCU的設(shè)定值應(yīng)進(jìn)行校驗。對KCU及KCS各繼電器的抽頭進(jìn)行檢查。對大電容C和二極管Vc也定期進(jìn)行檢測。定期對線路，接頭等緊固件進(jìn)行檢查。

5.2加強對SP4壓力繼電器的管理

定期對SP4設(shè)定值進(jìn)行校驗。在實際具體操作可能比較困難，SP4繼電器管理難度比較大，可對其進(jìn)行改造?？捎山饘賾?yīng)變式壓力傳感器、MAX197A/D轉(zhuǎn)換芯片、STC89C51單片機、HD7279A接口芯片和數(shù)碼管組成的測量顯示反饋一體的控制單元同時對兩臺舵槳實施控制。金屬應(yīng)變式壓力傳感器線性好，可靠性高，使用壽命也高。不僅可以實現(xiàn)SP4繼電器國產(chǎn)化，而且保證了系統(tǒng)的可靠性，同時由于單片機的使用，可以方便、靈活地調(diào)整和功能校驗，減少了管理工作。

5.3加強潤滑油的管理

定期對潤滑油進(jìn)行化驗，保證滑油品質(zhì)，確保設(shè)備可靠潤滑。同時對濾器也要加強監(jiān)管，主要是對濾器壓差傳感器加強維護(hù)，保證可靠工作，對濾器工作狀態(tài)實時監(jiān)控。出現(xiàn)壓差高或過低時應(yīng)對濾器進(jìn)行檢查，出現(xiàn)臟污或破損時應(yīng)及時更換，為閥件工作的可靠性提供保障。

5.4閥件的管理

主要是對控制端的電磁閥定期檢查。測量電磁閥的線圈電阻;檢查電磁閥的鐵芯磨損情況;檢查電磁閥動作的靈活和可靠性。

6 結(jié)束語

離合器吸合時發(fā)生沖擊后果是相當(dāng)嚴(yán)重的，不僅會造成離合器摩擦片磨損嚴(yán)重，減少離合器的壽命，而且由摩擦片磨損后的磨粒帶來的后果更加嚴(yán)重。磨粒一方面會加快潤滑油臟污、氧化，對設(shè)備管理帶來難度，另一方面會臟污電磁換向閥，導(dǎo)致?lián)Q向閥芯卡阻從而影響離合器正常動作，就可能對生產(chǎn)作業(yè)帶來安全隱患。更主要的是，磨粒還會造成舵槳其他機械的磨損，降低舵槳的壽命。因此，我們必須采取有效措施，避免離合器發(fā)生沖擊。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 朱樹文. 船舶動力裝置原理與設(shè)計[M]. 國防工業(yè)出版社， 1980.

[2]? 齊冬. 港口全回轉(zhuǎn)拖輪應(yīng)用及其舵槳裝置研究[D]. 大連海事大學(xué)， 2012.