海军驻哈尔滨地区第三军事代表室 黑龙江省哈尔滨市 150078
随着舰船联合动力设计技术的不断提高，各国日益重视并深入开展舰船离合器的研究，并将研究成果应用于新型联合动力系统，既有效提高舰船的最高航速又增加了续航力和静音水平。本文概略地介绍了舰船联合动力系统中常用的同步自动离合器、摩擦离合器等离合器的功能、基本工作原理以及应用场合，可为新型联合动力系统离合器的设计选型提供参考。
1.同步自动离合器
同步自动离合器属于齿式超越离合器，基本功能是：输入端转速超过输出端转速时，离合器结合，输出端转速超过输入端转速时离合器脱开。一般只能用于单转向运转和单向传扭。输出端反向旋转时离合器会结合，输入端反向旋转时离合器会脱开。同步自动离合器通过套齿传扭，功率密度大。同步自动离合器按结构又细分为s.s.s.同步自动离合器，马格同步自动离合器。
1.1 s.s.s. 同步自动离合器
s.s.s.同步自动离合器在日本、韩国、英国、美国、德国军舰中有着大量应用。传递大功率时一般采用中继式结构，目的是降低滑移件转动惯量，减少对棘爪的冲击。3S同步自动离合器一般可以拓展出结合闭锁、脱开闭锁、半挠性等功能。
s.s.s.同步自动离合器特点：
（1）应用非常广泛，总功率20M KW的3S离合器，在49个国家用于透平驱动电站。最大的单一s.s.s.离合器传递功率达到30万kW转速3000 rpm[1、2]；
（2）高可靠性，全世界27个国家海军400条军舰动力传动系统选择了s.s.s.离合器；
（3）无滑动驱动，通过硬化齿面传扭，传扭过程中无摩擦打滑；
（4）自动工作：纯自动设备，不需要摩擦片、液压或电磁机构，结合脱开不需要任何操作动作；
（5）微不足道的磨损：离合器同步机构在传递功率以及输出端超越时均不工作；
（6）高效率：微不足道的功率损失.滑油需求量少，低压滑油系统供油即可。
图1为美国DDG-51驱逐舰主减速齿轮箱串接式布置的140T 3S同步自动离合器，DDG-51驱逐舰主减速齿轮箱为两级减速齿轮箱，每一级齿轮为双功率分支结构，离合器输入端为2个轴承支撑，离合器与燃机之间通过膜盘联轴器补偿偏差。一级大齿轮与二级小齿轮通过套轴的膜盘联轴器补偿级间的偏差。离合器输入端联轴器上设置了燃机动力涡轮制动器，便于燃机停机离合器脱开时，防止动力涡轮被离合器带排扭矩带转。
图1 美国DDG-51驱逐舰140T 3S同步自动离合器[3]
1.2 renk-maag离合器
1960年，马格公司决定自行研制同步自动离合器，经过艰苦的研发和设计工作，包括在试验台上测试原型机，1964年定型了第一款马格同步自动离合器。随后在原型机的基础上，继续开发形成一系列产品，使得马格公司能够提供不同功能的同步自动离合器。所有的马格同步自动离合器可提供多种依托于同步自动离合应用的特殊功能。马格同步自动离合器可以拓展出同步液压可控离合器、双转向运转离合器等[4]。马格离合器主要应用于以下几个领域。
1）舰船推进系统：CODOG, COGOG, CODAG, COGAG, CODAD等联合推进系统；
2）发电领域：发电机驱动，调峰电站，空气压缩储能；
3）能量回收、联合循环、余热发电领域。
马格离合器由两个主要原件组成：
1）传扭的套齿部件，这部分类似于标准的齿式联轴器，外齿硬化和磨齿，沿齿宽修成鼓形，允许角向偏移。
2）同步机构，监测输入输出端运动同步后，完成离合器结合，同步机构为一个组件，包括几个棘爪、带有多个凹口的棘轮。棘轮棘爪充当活轮运动。
马格离合器分为以下三种基本类型。
1）MS型马格离合器（单向传扭）：输入端转速超越输出端转速时离合器自动结合；
单向传递扭矩；反扭矩时出现时，离合器自动脱开。
2）DS型马格离合器(双向传扭)
结合命令发出后，输入端转速超越输出端转速，或输出端转速超越输入端转速时离合器自动结合，与转向无关；可双向传递扭矩；活轮命令发出后，反扭矩时出现时，离合器自动脱开。一旦脱开输入端和输出端可以自由超越对方；
3）HS型马格离合器(液压控制)
输入端转速超越输出端转速时离合器自动结合；双向传递扭矩；离合器按脱开指令脱开。可以动态脱开闭锁。
马格离合器的特点：
1）同步机构设计成脱开时输入输出任意转速差下不限制操作；
2）同步机构设计的特别轻巧，但强度足够，因此允许结合时高的角加速度；
3）同步机构不传递任何工作扭矩，它简单可靠，融入到离合器套筒内，特别适合高速传动；
4）传扭结构和套齿联轴器一样，轴向和角向柔性，圆周刚性；
5）与套齿联轴器一样特别适合传递任何扭矩与转速；
6）传扭结构容易补偿传动轴的角向和径向不对中；
图2为MS型马格离合器在柴燃交替动力系统中的应用，燃机端为MS-36-RF型离合器（接合闭锁和脱开闭锁），柴油机端为MS-36-RQ（接合闭锁和端接式）。图中燃机离合器处于脱开闭锁状态。为方便柴油机轻载启动，柴油机与齿轮箱之间设置了液力耦合器。图中离合器滑移件和输出齿环均带有闭锁齿。设置柴油机端同步自动离合器，可避免燃机加速时液力耦合器输出端高速旋转。燃机端离合器为MS型并带有手动脱开闭锁，脱开时输入端套筒需要支撑。
图2 MS型马格离合器应用实例
2.摩擦离合器
摩擦离合器采用摩擦片与对偶片的摩擦力传递工作扭矩，其最大优点是能够实现较大转速差下的滑摩，可实现软启动，避免主机带载启动发生闷车。
2.1湿式多片摩擦离合器
湿式多片摩擦离合器一般采用液压油缸压紧摩擦片，摩擦片采用润滑油分片及冷却，动摩擦系数0.05~0.07，静摩擦系数0.09~0.12;滑摩时摩擦片比压4~6MPa，摩擦片线速度可达到40m/s。舰船湿式摩擦离合器主要用于柴油机推进系统，工作转速500r/min ~1000r/min，高速场合转速可达到1900 r/min，正倒车齿轮箱应用时摩擦片与对偶片相对转速可达3800 ~4600r/min。
德国ortlinghaus生产的摩擦离合器，在国内外船舶传动领域有着大量应用。ortlinghaus摩擦离合器分为高扭矩型和高热负荷型，根据安装结构又分为法兰式安装及轴肩式安装，工作油压力一般为2.5Mpa。法兰式高扭矩型离合器，最大传递扭矩可达630kNm,最高可达工作转速600rpm，结构如图3所示[5]。
图3 ortlinghaus 摩擦离合器
2.2干式摩擦离合器
干式多片摩擦离合器一般采用气缸或气胎压紧摩擦片，摩擦片采用弹簧分片，空气冷却，动摩擦系数0.5，滑摩时摩擦片比压≤0.5MPa，摩擦片线速度≤10m/s。干式多片摩擦离合在挖泥船等工程船舶传动系统中有较多应用。干式多片摩擦离合器的磨损率较大。
如图4所示[6]，英国Altra Industrial Motion 公司设计生产的Wichita系列大扭矩多片干式摩擦离合器，采用气胎作为轴向推力来源，干式摩擦元件传扭，分为标准型、低转动惯量型、高扭矩型。工作压力一般为0.55 Mpa -0.85Mpa，标准型SV348,最大传递550 kNm（0.85 Mpa）, 最高工作转速600rpm，最大外径1422mm，最大轴径405mm，轴向长度403mm，摩擦元件直径约为1290mm，总质量约为3500kg，总转动惯量775kgm2。低转动惯量型LIM348，最大传递453.6 kNm（0.7Mpa），最大外径1442mm,宽度547mm,总质量约为2530kg，总转动惯量675kgm2。高扭矩型HTM348, 最大传递770 kNm（0.7Mpa）, 最大外径1499mm，宽度650mm总转动惯量1175kgm2，总质量3650kg。为承受更为巨大的热负荷，这种干式离合器作为制动器使用时采用风扇或水冷套进行冷却。
图4 Wichitas干式摩擦离合器
结语：
为实现舰船最高航速、续航力、静音工作等性能指标，采用联合动力系统是一个常用的解决方案。在舰船联合动力系统中，通过离合器实现不同主机与动力系统的切换，舰船离合器已经成为了联合动力系统的关键元件。经过数十年的发展，舰船离合器在工作原理、适应的工作场合、达到的性能指标都取得了长足的进步。随着大功率燃气轮机、柴油机、推进电机及柴电柴、柴电燃等新型联合动力系统的出现，更大功率密度、更加可靠的舰船离合器也将不断出现、不断发展完善。
论文作者:李国镔
论文发表刊物:《科技新时代》2019年8期
论文发表时间:2019/10/14
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