8000KW救助船舶湿式多片摩擦离合器过热分析

张尚耀 李辉

摘 要：船用湿式多片摩擦离合器（图1）的摩擦片在较高速度时容易发生滑摩或油膜剪切发热问题。这与润滑油油路结构、摩擦片油槽结构及离合器使用条件、摩擦片内部温度场、位移场有关，还与润滑及冷却介质的流场有关。本文着重对我局8000KW系列救助船舶所采用的湿式多片摩擦离合器在操作、维护和管理方面可能会引起多片摩擦离合器过热这个问题进行分析。

关键词：离合器 过热

8000KW系列远洋救助船舶采用齿轮箱为瓦锡兰公司配套提供，标配产品。垂直偏心布置，偏心距850mm。型号SCV85-PC69/P72，额定输入功率4500KW，额定输入转速750rpm，输出转速（螺旋桨转速）192.1rpm。轴带发电机输出转速1513rpm，输出功率1800KW。轴带消防泵输出转速1791rpm，输出功率1050KW。轴带齿轮油泵组为同轴双联泵，其高压泵排量106升/分钟，低压泵排量190升/分钟。每台齿轮箱配置1台独立的电动滑油、控制油备用泵，为同轴双联电动齿轮泵。低压泵提供齿轮箱的相关部件润滑、冷却用油，高压泵为离合器和变距桨提供液压控制用油[1]。齿轮箱主离合器和消防泵离合器均采用液压驱动的多片式摩擦片离合器，以减轻離合器合排时的扭力冲击振动对离合器及齿轮箱部件造成损害。

1.离合器摩擦片过热的主要成因

实际工作状态下，离合器摩擦接触面的压力分布往往是不均匀的，这就造成了接触压力高的区域产生了较高的温度场，有较高温度场的区域又会形成较高的热膨胀，从而导致更高的接触压力的形成。这种正反馈作用在相对滑动速度超过一个临界值的情况下将变得很不稳定，加剧摩擦表面接触压力和温度场的不均匀性，导致摩擦系统的不稳定，这种现象称为热弹性不稳定现象。热弹性不稳定将导致摩擦面上产生局部高温点，从而导致材料破坏、热裂纹生成和摩擦振动的引起（如图2）。

研究发现，过热的两大主要原因是离合器合排打滑和严重带排。离合器合排打滑引起的发热主要是离合器合排过程中因超载、摩擦系数降低、摩擦片磨损严重等原因导致的摩擦片和偶合片相对滑动，产生很大的滑摩功，并转化为热量。离合器严重带排引起的发热主要是离合器空转时，摩擦片相对线速度较高，若摩擦片和偶合片之间间隙过小，由于油膜剪切产生的带排力矩大于负载力矩，带动负载在较高转速下跟转，出现润滑油温快速超过许用值。船用湿式多片摩擦离合器使用润滑油进行分片，如果摩擦片与偶合片分离不彻底，摩擦片或偶合片有翘曲，可能出现碰摩或者滑摩，带排现象更严重，发热量更大。因此针对这两方面的研究成为解决离合器过热问题的主要措施。

2.离合器合排工作原理分析

2.1 自动合排操作原理分析（图3）

为了便于分析起见，使用8000kw齿轮箱液压控制原理图进行分析。主离合器阀组在原理图上分解成如下几个单独的阀件，29.1（离合器主阀模块），21.1（软离合二位四通阀），23b1（6bar减压阀），23a1（25bar减压阀）。PTO离合器阀组为29.2，21.2，23a2，23b2。

正常情况下合排步骤：遥控按下合排按钮，29.1阀件右侧与21.1软离合阀件同时通电，29.1阀件阀芯向右侧移动，液压油走右侧通道至离压器压缩油缸，21.1软离合阀件下位通，阻断油流通往23a1，此时油流只能通过23b1经单向阀流向29.1右侧通道进离合器油缸，经13秒后，6bar压力油推动离合器压缩活塞并将摩擦片和偶合片初步贴合，此过程就是所谓的软离合。13秒过后21.1阀件断电，该阀油路跳转上位通道，高压油流经21.1阀件上位通道流向23a1减压阀，此时23b1（6bar减压阀）及23a1（25bar减压阀）阀体都与油泵来的油流联通，因23b1（6bar减压阀）及23a1（25bar减压阀）阀体间安装了单向止回阀，故而油泵至离合器油腔的液压油只能走23a1（25bar减压阀）阀体通道，至此25bar压力油作用在压缩活塞上，压缩离合器摩擦片和偶合片，完成了离合器平顺合排动作，压力传感器检测到25bar压力表示合排成功。

2.2.手动合排操作原理分析（图3）

离合器控制电磁阀29.1是一个具有自锁固定位置的控制阀，从机能图看，是一个三位三通、不具有弹簧回中的电控滑阀，实际控制动作时，中位仅是一个过渡过程。从自动合脱排机理可以看出，软合排动作是29.1及21.1电磁阀同时通电后油路的走向决定的，因此在执行手动合排操作时，阀件29.1初始位置处在左侧位，亦即脱排位，当要进行手动合排操作时，正确的操作方法应是手动顶压21.1电磁阀（13秒计时不是从顶开此阀时刻开始），此时油流走23b1（6bar减压阀）经单向止回阀至29.1（离合器主阀模块）左侧端，为离合器软合排做准备，接着再手动向左顶动29.1离合器主控制阀，6bar液压油经29.1右侧通道进入离合器油缸，推动离合器活塞压缩，使摩擦片和偶合片贴合。手动合排时保持13秒或以上通油计时是从顶动29.1离合器主控制阀开始的，13秒通油计时，用意是保证6bar压力液压油在13秒的时间内保证充满离合器内压缩腔室，因为液体的不可压缩性，在后续引入25bar压力油时不会对离合器摩擦片和偶合片造成冲击。

2.3.合排引起过热原因分析

8000kw系列救助船舶离合器采用软合排，合排动作初期，作用在离合器驱动活塞上的液压驱动力较小，离合器摩擦片和偶合片间的结合度较低，存在着打滑，输出轴从静止状态缓慢启动回转，当离合器活塞上的液压驱动力再次升高时，离合器片间的结合度增加，打滑现象消失，输出轴以固定转速回转。

在遥控或手动操作中，软合排设定时间为13秒，油压为6bar。但如果软合排控制电磁阀21.1出现故障，没有通电或卡死在打开位置，离合器将直接硬合排，导致动力输出系统转动惯量很大，冲击负荷也大，船体振动明显，摩擦片磨损严重，部分出现裂痕，运行时过热明显甚至冒烟。恶性循环最终导致离合器功能失效，船舶失去动力。机旁手动合排时，操作方法以及时间的把控也是很重要，如果不了解合排原理，手动顶压21.1电磁阀13s后再顶压29.1（离合器主阀模块）右侧端，就会旁通软合排环节，形成事实上的硬合排，产生很大的冲击负荷和异常振动。操作时软合排时间过短，动力输出系统转动惯量还很大，也会出现异常振动、粗暴响声等现象，损坏摩擦片引起过热最终导致离合器失效。在日常的使用中，如果发现离合器异常振动或过热，应该马上停止使用，检查原因，及时排除故障。

3.故障带排引起过热原因分析

而齿轮箱的故障带排是指齿轮箱脱排以后输出轴仍然转动。该现象是由刚性故障或软性故障造成的：刚性故障带排通常是由于装配问题造成，如摩擦片总间隙偏小、活塞不灵活、返回弹簧损坏、摩擦片毛刺等，造成摩擦片半合半脱状态，摩擦片和偶合片长期相对滑动导致发热；软性故障带排通常由于操纵阀泄漏，空车位置有少量工作油进入离合器活塞油缸内，导致摩擦片呈半接半脱状态而发热。如果产生故障带排现象，说明摩擦片已经出现问题或操纵阀出现泄漏，必须马上解决，以防止故障扩大化，危及船舶安全。在日常检查中，特别是主机未启动前经常盘车检查是否有带排现象，以便及时处理。另外，根据带排严重情况可考虑安装手动刹车装置。

4.其他原因引起的过热

4.1.负荷过大引起离合器过热

离合器合排过程中，摩擦片和偶合片之间相对滑动产生的滑摩功转化为热量，致使摩擦片温度升高，合排完成后摩擦片在润滑油的作用下冷却。救助船舶主离合器和对外消防炮离合器都会在合排时对负荷条件做限制，如离合器合排时螺旋桨叶角必须在±3%以内，对外消防泵离合器合排时进口阀打开、出口阀关闭等，这些措施都是为了保证离合器在合排过程中尽量低负荷。救助船舶经常进行大风浪救助任务，海况对负荷影响很大，轮机人员应加强管理，实现负荷有效控制。

4.2润滑、冷却失效导致过热

离合器结合过程是在活塞推力作用下，摩擦片与从偶合片渐靠近，摩擦形式由流体摩擦变为边界摩擦，最后摩擦片与从偶合片直接接触形成干摩擦[6]，结合完成后摩擦片在润滑油的作用下冷却。离合器正常工作时的润滑油经过循环至滑油冷却器，温度是通过控制冷却器的进水量来调节。如果冷却效果变差 导致产生的热量不能被及时带走会使滑油温度急剧升高，当温度不合适时会影响到摩擦片的工况。

轮机人员应加强润滑、冷却系统的管理，定期检查滑油压力，清洗滤器，要定期对压力继电器和温控阀进行试验，确保其效用。

4.3.滑油污染也会引起过热

滑油污染是指滑油中存在相当数量的杂质。这些杂质有内部零件磨损、老化以及化学作用产生的金属屑、於渣和氧化物，也有从外部进入的沙粒、水分等。这些杂质影响润滑和散热效果、加速摩擦片磨损，缩短摩擦片寿命，还有可能阻塞油孔，使摩擦片缺油烧蚀。滑油中的水分会引起摩擦片表面锈蚀，加速滑油氧化分解，生成沉淀物，恶化润滑性能。

8000kw系列救助船舶使用的齿轮箱滑油为GEAR600XP100。齿轮箱设计有高压、低压滑油滤器，低压滑油滤器为双联滤器，安装滤器过滤度为14um[8]，在日常工作中，保证齿轮箱滑油在其可用理化范围内是轮机人员的工作重心，日常拆检过滤器，检查磨粒数量和大小，在压差超过许用值时，要更换滤芯保证过滤正常。定期取滑油油样进行化验也是保证滑油质量的重要途径，对于滑油质量，一定要做到心中有数。

5.离合器过热处理措施

在8000KW系列船舶的实际使用过程中，离合器开始出现高温导致失效的案例，应该引起我们重视。前面我们分析了离合器过热的原因，对于处理措施，我們认为重在预防，结合船舶的日常维护保养，重点做好以下工作：

熟知离合器结构和合脱排工作原理，熟练进行手动合排；

发现离合器合排时出现船体振动强烈，噪音较大时马上及时查找原因，排除故障；

避免短时间内频繁操作离合器离合排；

发现带排现象及时查找原因，排除隐患；

避免过载或者控制油压太低导致的离合器偶合片与磨擦片滑动；

运行期间，轮机人员对油位、温度、压力和液压管路及其附件做常规检查；

定期化验齿轮箱油样，必要时全部更换齿轮箱油；

定期检查滤器，发现铜质铁质颗粒物数量异常增多，则必须查明原因，防止机损；

定期打开离合器观察导门，检查离合碟片的润滑情况和磨损情况，如有必要，可使用专用测量工具测量离合片的磨损量，以判断离合片的实际状况，对照说明书的要求，若过度磨损，则需更换；

6.结束语

齿轮箱在船舶设备中居于重要位置，离合器又是齿轮箱的重要组成，此次对船用湿式多片摩擦离合器过热的分析主要从理论和实践角度进行阐述，并列举了管理中需要注意的要点，仅供各位同行参考，不正之处欢迎指正。

参考文献：

[1]8000KW 海洋救助船主要设备及系统功能、特点简介及使用操作建议

[2]Hartsock D L，Dinwiddie R B， Fash J W，etal.Development of a high speed system for temperature mapping of a rotating target[C].Proceedings of SPIE， 2000，4020：2-9.

[3]Panier S，Dufrenoy P，Weichert D.An experimental investigation of hot spots in railway disc brakes[J].Wear， 2004，256（7-8）：764-73.

[4]Kubota M，Suenaga T，Doi K.A study of the mechanism causing high-speed brake judder[C]，SAE 980594，1998.

[5]蔡丹，魏宸官，宋文悦.湿式摩擦离合器片翘曲变形研究[J].北京理工大学学报，2000， 20（4）：449-451.

[6]吕和生.船用湿式多片摩擦离合器耦合分析及试验研究[D].重庆.重庆大学，2010

[7]孔祥鑫.发动机滑油系统污染初探[J].海军航空技术学院报，2000

[8]WARTSILA.WARTSILA齿轮箱使用说明书. [S]