同步自動離合器并車試驗研究

張 祥，陳克鑫，王學志，閆 澤

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

同步自動離合器，國外稱之為SSS 離合器，是一種通過齒輪元件傳遞功率的全自動型單向超越離合器，該種離合器只依賴兩端轉速的變化自動進行接合或脫開，無需任何外部控制。離合器作為理想的離合部件，它的這種特性適用于柴燃交替(CODOG)、燃燃交替(COGOG)以及燃燃聯合(COGAG)動力傳動裝置中［1－2］。

燃燃聯合(COGAG)國內尚無2 臺同步自動離合器并車運行的使用經驗。在理論上，由于“超越”特性，2 臺同步自動離合器在同一轉速下似乎不能并車接合，但實際上在國外已有應用，例如印度海軍某航母采用4 臺燃氣輪機(LM2500)雙機并車COGAG 推進系統中使用了英國SSS 離合器。這是因為利用了燃機動力渦輪為自由渦輪的特性，在2 臺燃氣輪機需要并車輸出功率的瞬間，第2 臺燃氣輪機動力渦輪的轉速會自動“漂升”到接合所需的“超越”轉速，從而使該SSS 離合器自動地接合。

在試驗臺上，由于電機是剛性聯接，當第2 臺電機升速到離合器接合所需的“超越”轉速的時候，由于2 臺電機出現了轉速差，第1 臺電機端的離合器將會脫開，無法實現2 臺離合器并車。本文通過電機控制來模擬燃氣輪機，從而實現了2 臺同步自動離合器并車。

1 同步自動離合器工作原理

艦用燃氣輪機端同步自動離合器樣機如圖1所示。主要由四大部件構成:即主動件、從動件、中繼滑移件和主滑移件［6］。當主動件轉速高于從動件轉速時，中繼滑移件在棘輪棘爪和副螺旋齒的作用下，產生軸向滑移運動，中繼齒接合。中繼齒接合后，在主滑移件上產生軸向推力，推動大慣量的主滑移件滑移，使主動件與從動件上的驅動齒接合，離合器處于接合狀態;當主動件轉速低于從動件轉速時，由于反扭矩的作用，滑移件產生反向滑移，離合器處于脫開狀態。

圖1 同步自動離合器樣機Fig.1 Experiment sample of synchro-self-shifting clutches

2 試驗臺簡介

2.1 試驗臺組成

試驗臺的結構布置圖如圖2所示。其中2 個電機用來模擬燃氣輪機，2 臺電機為同型號電機，左側同步自動離合器和右側同步自動離合器是用來做并車試驗的離合器，二者為同類型同旋向的離合器。

2.2 試驗臺參數

試驗臺的主要參數如表1所示。

表1 試驗臺參數Tab.1 Parameter of the test bed

3 電機控制

3.1 電機并車過程

本試驗用電機模擬燃氣輪機，因電機與燃氣輪機特性不同，所以為了實現2 臺離合器的并車，首先必須實現2 臺電機并車，本試驗臺控制系統的并車過程分為以下3 步:

圖2 同步自動離合器并車試驗臺結構布置圖Fig.2 Structure collocation of twin-synchro-self-shifting clutches incorporation test bed

1)運行在一電機一測功機模式下，2 臺電機不存在主從關系。當有并車命令，起動接入電機，接入電機端自動同步離合器處于脫開狀態。

2)工作電機轉速不變，接入電機轉速升到工作電機當前轉速，控制接入電機工作在力矩控制及轉速跟隨工作電機的模式下。

3)給定接入電機轉速比工作電機轉速高1 r/min，接入電機端同步自動離合器在當前控制模式下，會逐漸接合，并傳遞扭矩。一旦接入端離合器接合，工作電機的輸出扭矩會逐漸轉移到接入電機上，直到2 臺電機輸出載荷均衡為止，完成并車工作。此刻，工作電機工作在轉速閉環工作模式下，接入電機工作在力矩控制模式下，接入電機的轉速跟隨工作電機轉速而變化。

3.2 電機解列過程

解列是并車的逆過程:運行在2 電機并車模式下，2 臺電機工作存在主從關系，解留電機為主機，解出電機為從機，當有解列命令，設置功率轉移命令，增加解留電機輸出力矩，減少解出電機輸出力矩，直到解出電機幾乎處于空載狀態;停止解出電機并解除主從關系，2 臺電機產生轉速差后，解出電機端自動同步離合器脫開，完成解列。

圖3 為2 臺電機并車及解列關系曲線，其中上半部分為2 臺電機的功率－時間關系曲線，下半部分為2 臺電機的轉速－時間關系曲線。圖3 中:曲線①和⑥分別為工作電機功率及工作電機轉速變化曲線;曲線②和⑦分別為接入電機功率及接入電機轉速變化曲線;曲線③和⑧分別為2 臺電機并車階段功率及轉速變化曲線;曲線④和⑨分別為解留電機功率及解留電機轉速變化曲線;曲線⑤和⑩分別為解出電機功率及解出電機轉速變化曲線。

圖3 2 臺電機并車及解列關系曲線Fig.3 Relation curve between incorporation and noncooperation of the twin-electric-motors

4 離合器并車試驗分析

試驗過程中在同步自動離合器指示環兩側安裝位移傳感器，對離合器滑移組件的滑移距離進行測量，將離合器處于完全接合狀態時的位移標定為位移零點，那么在完全脫開狀態時的位移極為位移最大點。試驗中設定電機8 為工作電機和解留電機，電機1 為接入電機和解出電機。

分別在轉速為1 231，1 827，2 424，2 731，3 270 r/min 的工況下對離合器進行并車試驗。試驗數據如表2所示，2 臺離合器滑移行程曲線如圖4所示，2 臺離合器轉速－扭矩關系曲線如圖5所示。

圖4 2 臺離合器滑移行程曲線Fig.4 Slippage displacement of twin-synchro-self-shifting clutches

圖5 2 臺離合器轉速－扭矩關系曲線Fig.5 Relation curve between rotate speed and torque of the twin-synchro-self-shifting clutches

圖4 中，在不同轉速下并車時，離合器滑移組件都能夠迅速產生動作并完全的接合和脫開，運行過程中滑移組件沒有出現往復振蕩現象，離合器能實現穩定運行工作［3－5］。

圖5 中，上半部分為扭矩曲線，下半部分為轉速曲線。在試驗初始階段，將右側同步自動離合器轉速升到1 231 r/min，離合器接合，穩定運行后，右側同步自動離合器輸入端扭矩大概為1 100 Nm 左右，左側同步自動離合器輸入端扭矩基本為0，升速左側同步自動離合器輸入端轉速至1 231 r/min，此時右側同步自動離合器輸入端扭矩開始下降，左側同步自動離合器輸入端扭矩上升。并車穩定運行后，右側同步自動離合器輸入端扭矩穩定在540 Nm左右，幾乎降低為原來的一半，左側同步自動離合器輸入端扭矩穩定在550 Nm 左右。也就是說;左側同步自動離合器接合，開始傳遞扭矩，工作電機8 的輸出扭矩會逐漸轉移到接入電機1 上，直到2臺電機輸出載荷均衡為止，完成2 臺同步自動離合器的并車工作。降速左側同步自動離合器的轉速至停機，增加解留電機8 輸出力矩，減少解出電機1輸出力矩，直到解出電機1 幾乎處于空載狀態，左側同步自動離合器脫開，完成2 臺同步自動離合器的解列過程。同樣在轉速1 827、2 424、2 731和3 270 r/min 的工況下，2 臺同步自動離合器的并車及解列過程都非常順利平穩。

表2 試驗數據Tab.2 The data of the test

5 結 語

通過對2 臺同步自動離合器的試驗研究可以看出，在不同工況下，為了模擬燃氣輪機特性，通過電機控制，成功實現了2 臺同步自動離合器的并車，離合器動作順暢，滑移位置準確，完成了功率在2臺同步自動離合器之間的轉移。并車運行過程中離合器工作穩定可靠。本文的研究成果對離合器的發展及應用有重要的指導意義。

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