舵槳氣動離合器控制系統(tǒng)國產(chǎn)化設(shè)計與應(yīng)用

劉亞洲

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

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)舵槳;氣動離合器;國產(chǎn)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(fā)展，大型船舶安全靠離碼頭需要港作拖輪的協(xié)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(zhuǎn)舵槳裝置的應(yīng)用，港作拖輪能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩范圍廣、結(jié)構(gòu)形式簡單、啟動性能柔和、動力源易獲取等特點，應(yīng)用較為廣泛和成熟，但對空氣控制系統(tǒng)可靠性和氣源質(zhì)量有較高的要求[2]。

由于進口離合器控制系統(tǒng)，多為進口部件，目前疫情時期，維修更換成本高及周期長，經(jīng)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(chǎn)化氣動離合器控制方案，并成功在船舶上應(yīng)用，有效降低船舶的氣動離合器維修成本及服務(wù)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(jīng)過用戶調(diào)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(fā)出后，離合器不合排;故障二，合排指令發(fā)出后，離合器合排時間長;故障三，脫排指令發(fā)出后，離合器不脫排;故障四，脫排指令發(fā)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(xiàn)，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(xiàn)象，并在閥芯上粘有鐵銹粉末;高壓空氣通過閥的節(jié)流作用，因氣溫較低有冷凝水析出，導致閥芯有卡阻現(xiàn)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(nèi)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(nèi)增加電輔熱，提高箱體溫度，盡量避免潤滑油因低溫凝結(jié);更換不銹鋼材質(zhì)氣管路，減少腐蝕;增加彈簧強度，增加閥體復(fù)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(xiàn)。

2 國產(chǎn)化氣動離合器控制原理與應(yīng)用

2.1國產(chǎn)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(nèi)船舶大多對設(shè)備保養(yǎng)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(shè)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(guān)閉，避免了閥芯在閥體中左右切換，來實現(xiàn)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(tǒng)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(guān)或駕駛室復(fù)合手柄（本地優(yōu)先）發(fā)出接排信號，至離合器控制箱。

離合器控制箱內(nèi)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(chǎn)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(gòu)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(guān)閉。常開型，動作方向與常閉型相反。

合排時，離合器控制箱內(nèi)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(xiàn)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(nèi)氣壓迅速下降至0 MPA， 實現(xiàn)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(shè)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(chǎn)化氣動離合器在實船上的應(yīng)用

直動式電磁閥適應(yīng)介質(zhì)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(tài)下進行可靠的開關(guān)動作，工作介質(zhì)可以正反兩個方向流動，可實現(xiàn)雙通雙向截止。電磁閥動作可靠，結(jié)構(gòu)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(nèi)很多港口拖輪中得到很廣泛的應(yīng)用，比如新船應(yīng)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(yīng)用常熟港拖輪改造等。

3結(jié)論

此國產(chǎn)化氣動離合器控制方式相對肖特爾氣動離合器控制系統(tǒng)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(yè)應(yīng)用很成熟，在水氣油工業(yè)環(huán)境中得到很廣泛的應(yīng)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(chǎn)化氣動離合器控制系統(tǒng)可以完美匹配進口及國產(chǎn)氣動式離合器，與肖特爾氣動離合器控制系統(tǒng)可以完全互換，為新造船及已交付船舶中應(yīng)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(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)舵槳氣脹式離合器控制系統(tǒng)故障[J].航海技術(shù)，2018， No.229（01）：51-52.