船用燃气轮机传动系统中3S离合器工作原理与模型

葛仁超

● （海军装备部 沈阳军事代表局，辽宁沈阳 110031）

船用燃气轮机传动系统中3S离合器工作原理与模型

葛仁超

● （海军装备部 沈阳军事代表局，辽宁沈阳 110031）

3S（Synchro-Self-Shifting）离合器作为柴—燃联合动力装置（CODOG）中的关键部件，其性能直接影响着推进系统的整体性能，进而影响舰船的总体性能。阐述了 3S离合器的原理与结构以及数学模型，这研究CODOG动力装置切换过程有重要意义。

燃气轮机；传动；离合器；模型

0 引言

燃气轮机[1]与螺旋桨之间需用恰当的传动设备来实现功率的传递。首先是两者转速相差很大，例如大型舰船的螺旋桨转速仅每分钟数百转，而燃气轮机输出转速每分钟数千转，必须通过大减速比的齿轮箱来传动给螺旋桨。而联合动力装置，齿轮箱还兼有将两台机组实现交替传动或并车传动的功能，即在齿轮箱中要加装离合器。离合器是传动系统中的重要部件，现用的有3S离合器和液力偶合器，其中3S离合器在运行中能自动实现啮合与分离，工作平稳，无传动损失，得到了广泛的应用。

1 3S离合器结构与工作原理

3S离合器为自动同步离合器(Synchro-Self-Shifting Clutch)，在主动件与从动件之间转速同步时，离合器能实现自动啮合与分离来满足运行的需要。图1为3S离合器简图，它在主动件与从动件之间有一滑动件，并有棘轮和棘爪。滑动件与从动件之间以螺旋花键传递扭矩，并靠传扭方向的变化使滑动件左移或右移，实现离合器的分离和啮合。棘爪在滑动件上，棘轮在从动件上。

图1 3S离合器

动力装置在静止时，离合器处于图1中上半位置。当主动件开始旋转时，棘轮对棘齿产生作用力，使滑动件相对于主动件旋转，受螺旋花键的导向作用，滑动件向右侧移动，变为图中下半部所示的离合器齿啮合的状态，主动件带动从动件一起旋转。这就是动力装置处于静止状态机组开始起动投运的工况。

动力装置运行时，处于主动件端的机组若要停机，而从动件端仍要继续工作时，随着主动件端转速下降，螺旋花键传递的力矩反向，使滑动件向左侧移动，离合器齿就分离，变为图1的上半部位置，于是主动件端机组停机。这相当于动力装置中一台机组需继续运行而另一台机组要脱开而停机的工况。

当从动件端在工作，而主动件端由静止状态投运时，主动件端机组开始起动加速到转速同步并略为超过从动件的转速，棘轮就会对棘齿产生作用力，使滑动件右移，离合器齿啮合，机组的功率由主动件传给从动件。这相当于动力装置中原有一台机组工作时，另一台机组起动投运实现两台机组并车转动螺旋桨的工况。

因此，3S离合器可在运行中自动实现离合，良好地满足联合动力装置工作的需求。

2 3S离合器模型

考虑到3S离合器的工作原理，建立如图2所示的3S离合器模型[2]。图2中3S离合器的输入为主动轴和从动轴的转速以及主动轴的扭矩，输出则为发动机转速和 3S离合器状态信号。当主动轴和从动轴之间的转速差大于一定值时，3S离合器啮合；反之，3S离合器脱开。模型中对离合器的完全啮合或脱开需要一个时间延迟，同时，模型中对离合器所能传递的最大和最小扭矩作了限制，这里认为所能传递的最大扭矩为110%，最小扭矩为10%，这两个数值也是可调的。

图2 3S离合器模型

2.1 啮合过程

处于脱开状态的3S离合器，主动件静止或低于从动件的转速旋转，棘轮和棘爪处于脱离状态，此时若主动件加速超过从动件的速度，3S离合器即发生啮合。

主动件的受力情况如图3所示。主动件上有主动力距M1；螺旋齿上的阻力距Mz；与Mz相应的轴向力Fa；轴承反力Fb；结合面A、B、C(C’)、D 和E处的摩擦力总和Ff’；与之相应的力矩Mf’；齿面摩擦力Ff和与之相应的摩擦力矩Mf。

图3 3S离合器模型

对Ff和Mf，选定一个经验摩擦系数f，把摩擦力当作一个常数来处理，令摩擦角θ=tan-1(f /cosα)，系数Cβ=Dt/(2tanβ)，则摩擦力及摩擦力矩为：

式中：Ffa为Ff的轴向分力；Fa为与Mz相应的轴向分力；Dt为螺旋齿分度圆直径；β为螺旋角；α为螺旋齿法面压力角。从流体润滑的角度分析，摩擦力Ff’即为克服油膜粘性的剪切应力。考虑其工作状态与滑动轴承的工作状态极其相似，按短轴承的相关计算理论计算摩擦力：F=(2π ·η · ν · R · L · C-1)/(1-ε2)-1/2。

式中：η为动力粘度；ν为相对速度；R为轴颈半径；L为轴承宽度（结合面的轴向宽度）；C为结合面概率上的半径差。以下给出结合面的基本尺寸及公差（单位：㎜）：

与Ff’相应的摩擦力矩：

1）对主动件有力矩方程：

式中：J1、ω1分别为主动件的转动惯量和角加速度。

2）中间件相对主动件有相对运动，设中间件相对主动件在圆周方向转角 φr，轴向移动 Lr，有几何关系：tanβ=(-Dt/2)φr/Lr，可得 Lr=-Cβ·φr，则：d2Lr/dt2=-Cβ·(d2φr/dt2)。

式中：Dt为螺旋齿分度圆直径；β为螺旋角。即：

式中：Vz为中间件轴向速度；ωz、εz分别为中间件的相对角速度和角加速度。中间件的行程为：

式中：a、b分别为仿真开始及结束时间（位移始点和终点对应的时间）。

图4 中间件的受力分析

3）中间件的受力分析如图4所示，对中间件来说，Mz、Mf、Mf’是主动力矩，Mr是从动件给中间件的阻力矩，Fr、Mr’是在轴向位移经过2mm后齿面啮合产生的摩擦力及力矩。

由于从动件的角速度ω2和角加速度ε2分别等于中间件的绝对角速度和角加速度，即：ω2=ω1+ωz，ε2=ε1+εz，则 ωz=-(ω1-ω2)，εz=-(ε1-ε2)。

式中：FR为驻退阻尼力（在我们的实验台上，驻退阻尼力主要发生在啮合的后5mm，而前10mm阻尼力很小，这样才能使离合器顺利脱开）；J为考虑了摩擦力的中间当量转动惯量；mz为中间件的质量；Jz为中间件的转动惯量。

摩擦力：Fr’=Mr· f /(Ds/2)

式中：Ds为G处齿轮分度圆直径(Ds=0.17m)。

力矩方程：

4）从动件的受力分析如图5所示，从动件的受力较为简单：中间件施加的动力距Mr，阻力距Mr＇，负载M2。

力矩方程：

式中：J2、ε2分别为从动件的转动惯量和角加速度。

图5 从动件的受力分析

2.2 脱开过程

啮合状态的3S离合器，若主动件减速，或从动件加速，或两者兼而有之，离合器发生脱开，当离合器一端是正扭矩，一端是反扭矩，并且反扭矩的作用大时，离合器也能脱开。其计算过程只要在上述啮合的基础上，改变一些量的方向即可。其计算过程只要在上述啮合的基础上，改变一些量的方向即可。

根据式（1）～（19）用Matlab/Simulink图形化流程图式编程语言可建立起3S离合器的仿真模块，将这些模块连接起来形成如图6所示的3S离合器模型。

图6 3S离合器模型

3S离合器主动件、中间件和从动件模型分别如图7～9所示。

图7 3S离合器主动件模型

图8 3S离合器中间件模型

图9 3S离合器中间件模型

3 应用及结果

3S离合器模型是组成柴—燃联合动力装置实验台模型的一部分，与柴油机模型、燃气轮机模型等配合，可进行CODOG系统各种工作过程的动态仿真，还可进行其它多种方案下切换控制模式的仿真，甚至可以进行一些可能发生破坏性结果而在物理实验台上无法进行的工作的仿真。

[1]姜 伟. 燃气轮机原理、结构与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[2]劳尔（美）. 仿真建模与分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009.

Principle and Model of 3S Clutch in Marine Gas Turbine Drivetrain System

GE Ren-chao(Naval Armaments Department, Bureau of Shenyang Military Representative, Shenyang 110031, China)

3S (Synchro-Self-Shifting) clutch is a critical component of CODOG (Combined Diesel on Gas Turbine) power plant. Its performance directly affects the overall performance of the propulsion system, thus affects the overall performance of the ship. The principle, structure and mathematical model of 3S clutch are described, which is significant to study the CODOG power device switching process.

gas turbine; drive train; clutch; model

U664.131

A

葛仁超（1981-），男，工程师。主要从事蒸汽、燃气动力装置建造和质量监督工作。