舵槳氣動離合器控制系統國產化設計與應用

劉亞洲

摘 要：本文主要介紹了全回轉拖輪中經常使用到的氣動離合器控制系統，通過分析進口氣動離合器控制系統經常出現的故障及缺陷，重新設計一套國產化方案，來替代進口系統，提高故障修復的時效性，減低維護成本，增加系統的安全性及穩定性，對于同類別的氣動離合器系統更新應用具有較大的借鑒意義。

關鍵詞：全回轉舵槳;氣動離合器;國產化

中圖分類號：U664? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0075-02

目前，隨著航運船舶大型化的發展，大型船舶安全靠離碼頭需要港作拖輪的協助。港作拖輪本來船型較小就具有操縱性好、機動性強的特點。隨著全回轉舵槳裝置的應用，港作拖輪能夠實現原地掉頭，十分靈活，能夠有效地保障大型船舶安全且快速靠離泊[1]。

大部分全回轉舵槳裝置均為集成式離合器，即離合器安裝在舵槳本體，離合器按照動力源的不同，拖輪舵槳用離合器主要分為液壓離合器和氣動離合器，兩種形式各有所長，其中氣動離合器具有轉矩范圍廣、結構形式簡單、啟動性能柔和、動力源易獲取等特點，應用較為廣泛和成熟，但對空氣控制系統可靠性和氣源質量有較高的要求[2]。

由于進口離合器控制系統，多為進口部件，目前疫情時期，維修更換成本高及周期長，經常影響到船舶的正常使用。通過分析進口氣動離合器的常見故障，分析其故障原因，提出了國產化氣動離合器控制方案，并成功在船舶上應用，有效降低船舶的氣動離合器維修成本及服務周期。

1 進口氣動離合器常見故障

本文以肖特爾氣動離合器為例，經過用戶調研及閱讀文獻，氣動離合器故障主要為以下幾種，故障一，合排指令發出后，離合器不合排;故障二，合排指令發出后，離合器合排時間長;故障三，脫排指令發出后，離合器不脫排;故障四，脫排指令發出后，離合器脫排緩慢。

由于肖特爾離合器的接脫排控制，依靠兩個DC24V的兩位三通電磁閥通電斷電，和氣控式兩位五通閥共同控制離合器合 、脫排功能。由于兩位三通閥及兩位五通閥，都是依靠閥芯左右移動來實現，對氣源要求很高。

故障原因分析：該閥閥芯的硅氟潤滑油因氣溫低有凝固現象，并在閥芯上粘有鐵銹粉末;高壓空氣通過閥的節流作用，因氣溫較低有冷凝水析出，導致閥芯有卡阻現象，氣動推力無法推動閥芯動作[3]。

用戶反饋閥體拆開后，閥芯里面有白色粉末或者是黑色金屬顆粒，導致閥芯磨損卡死，造成此原因可能為，管路焊接時，內部沒有清洗干凈，氣源中含有水分，與金屬管路長期接觸腐蝕脫落。

改進措施：控制箱內增加電輔熱，提高箱體溫度，盡量避免潤滑油因低溫凝結;更換不銹鋼材質氣管路，減少腐蝕;增加彈簧強度，增加閥體復位力度;外部增加閥控，強制排氣脫排等，以上是在不改變主閥動作的前提下的改進措施，都不是徹底解決故障的方法，隨著時間延長，故障還會出現。

2 國產化氣動離合器控制原理與應用

2.1國產化氣動離合器控制原理

分析肖特爾氣動離合器故障原因后，得到大部分故障原因為氣源不干凈導致卡閥引起，由于氣源中含水，水與金屬長期接觸腐蝕，很難做到氣源非常干凈，另外國內船舶大多對設備保養不及時，造成故障的可能性增高，氣源中含有固體顆粒，導致閥芯卡阻，使得接脫排不正常，于是設想用一種對氣源要求程度低的直動式電磁閥，每個電磁閥只有一個動作，打開或者關閉，避免了閥芯在閥體中左右切換，來實現對氣動離合器的接脫排控，增加了使用的可靠性。

離合器控制流程圖如圖1所示：

外部接脫排信號給到離合器控制箱，離合器控制箱輸出氣壓至氣胎離合器，為減小離合器接排時對傳動系統的沖擊，采用如圖所示的嚙合特性。先通小閥，延時4-5秒后再通大閥，脫排時斷電放氣。

離合器合排時，氣胎壓力 - 時間曲線如圖1所示， 氣壓隨時間先緩升，達到壓力拐點后，再速升至額定壓力。采用這種壓力升高的特性，能夠使氣動離合器合排過程更加平滑。

離合器脫排時，氣胎壓力 - 時間曲線如圖1所示，直動式電磁閥斷電氣壓隨時間很快下降，達到迅速脫排目的。

離合器控制流程圖如圖2所示：

離合器本地控制開關或駕駛室復合手柄（本地優先）發出接排信號，至離合器控制箱。

離合器控制箱內接脫排電磁閥采用直動式電磁閥，常閉型，通電時電磁線圈產生足夠的電磁力把運動部件（由磁芯、閥桿、上下部的膜片/密封件構成）從閥座上提起，閥門開啟;斷電時彈簧力把運動部件壓在閥座上，閥門關閉。常開型，動作方向與常閉型相反。

合排時，離合器控制箱內VXD3常閉直動式電磁閥得電，同時VXD2常開直動式電磁閥得電，使得離合器壓力緩慢上升，延時4S后VXD1常閉直動式電磁閥得電，使得離合器壓力迅速上升，實現離合器合排。

脫排時，VXD1，VXD2，VXD3斷電即相當于脫排，排氣依靠VXD2電磁閥，使離合器內氣壓迅速下降至0 MPA， 實現離合器脫排特性。

當離合器完全嚙合后，向控制器反饋嚙合完成的信號，控制器才能對主機進行加速。

在正常運行情況下，如果由于氣路故障引起離合器低于設定的嚙合壓力時，切斷主機加速信號，用于保護離合器和主機。

2.2國產化氣動離合器在實船上的應用

直動式電磁閥適應介質廣泛，在水、氣、油等流體工況條件下均可可靠工作。不大于DN50的電磁閥可以任意安裝使用，可以在無壓差（從0MPa開始工作）狀態下進行可靠的開關動作，工作介質可以正反兩個方向流動，可實現雙通雙向截止。電磁閥動作可靠，結構簡單，使用及維修方便，深受用戶歡迎。

此氣動離合器控制方式在國內很多港口拖輪中得到很廣泛的應用，比如新船應用于上海港，太倉港，江陰港，平潭港等等拖輪上;肖特爾氣動離合器改造船應用常熟港拖輪改造等。

3結論

此國產化氣動離合器控制方式相對肖特爾氣動離合器控制系統原理進行了簡化，取消了兩位三通電磁閥，兩位五通氣控閥，采用直動式電磁閥，對氣源要求大大降低，另外直動式電磁閥在工業應用很成熟，在水氣油工業環境中得到很廣泛的應用，客戶的備件在市場上很容易買到，并且成本很低，為客戶使用降低了使用成本和維護成本。

此國產化氣動離合器控制系統可以完美匹配進口及國產氣動式離合器，與肖特爾氣動離合器控制系統可以完全互換，為新造船及已交付船舶中應用到氣動式離合器的船東，提供另一種氣動離合器控制解決方案。

參考文獻：

[1]張曉亮.NIIGATA（新瀉）ZP-31全回轉舵槳液壓系統管理[J].中國水運，2019（02）：35-36

[2]馬明軒.肖特爾 SRP1515FP 舵槳氣動離合器空氣系統分析與改進[J].中國水運，2021（08）：75-76.

[3]張志喜.肖特爾 SRP1515FP全回轉舵槳氣脹式離合器控制系統故障[J].航海技術，2018， No.229（01）：51-52.