张金国,王隽,王刚伟,何涛

(1.华中科技大学，武汉 430074；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)



船用离合器气胎充气时间计算及试验分析

张金国1,2,王隽2,王刚伟2,何涛2

(1.华中科技大学，武汉 430074；2.武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

针对船用离合器充气时间计算问题，鉴于国内阀件空气流阻、等效流通面积等基础性数据欠缺的具体情况，提出“半工程，半计算”的计算分析模式，即基于实船或陆上模拟试验台架充气时间，核算新研气胎充气时间。在上述计算分析基础上，建立陆上试验台架，试验结果表明，陆上试验台架充气时间与实船充气时间较为接近，偏差小且满足标准规定要求。

离合器气胎；充气时间；试验台架；船舶

CB/T3860-2011《船用气胎离合器》规定离合器气胎的接合时间应不超过15 s，脱开时间应不超过10 s[1]。为此，船舶需设置必要的空气系统为离合器进行充放气。空气系统设计时，一方面，为保证充放气时间，需在一定流通面积条件下，降低系统管路中阀件流阻；另一方面，要尽量提高压缩空气的气源品质，降低气源品质对橡胶气胎的影响，在空气系统中需设置必要的过滤净化设施，该设施会增加系统流阻[2]。因此，在进行空气系统设计时需对系统流阻、气胎充放气时间进行计算分析。由于目前国内阀件空气流阻、等效流通面积等基础性计算输入欠缺，给计算分析带来了较大困难。为此，提出“半工程，半计算”的计算分析模式，即基于实船或陆上模拟试验台架充气时间，核算新研气胎充气时间可否满足设计要求；同时通过陆上台架试验对计算分析结果进行试验验证。

1 离合器气胎充气时间理论分析

1.1 离合器气胎充气时间计算模型

离合器气胎充气过程可以简化为图1所示模型。由于气胎充气过程时间短暂，充气过程中气胎对外界传递的热量和做功可以忽略，充气过程为绝热过程，满足如下控制方程[3]。

图1 气胎充气过程简化模型示意

(1)

将气胎充气过程视为绝热过程，其音速[4]为

(2)

1)从气胎初始压力pt0到临界压力pc阶段，充气过程为音速充气阶段(气胎充气口进气速度为音速)，气胎进气速度为恒定值。

2)从临界压力pc开始到气胎终止压力pt阶段，该阶段中充气过程为亚音速阶段(气胎充气进气口速度为亚音速)，随着气胎内气量的增加，充气速度逐渐降低，全过程进气速率小于音速。

(1)音速充气阶段(从气胎初始压力pt0到临界压力pc阶段)，本阶段中进气速度为常量(音速)，气胎压力与充气时间成线性关系，可以推导出本阶段中充气时间

(3)

式中：V为气胎容积；Qc为对应的充气速度。

根据气体控制方程、连续方程和音速速度公式推导出充气速率。

(4)

根据式(3)、式(4)得出音速充气阶段所需的充气时间为

(5)

(2)亚音速充气阶段(从临界压力pc开始到气胎终止压力pt阶段)，本阶段中进气速度随着充气过程的进行逐渐减小，充气时间如下。

(6)

对式(6)在pc到pt范围进行积分，得到亚音速充气过程的充气时间为

(7)

式中：S为有效截面积。

离合器气胎充气过程，均经历音速充气过程和亚音速充气过程，整个阶段充气时间t=t1+t2。

一节流孔有效截面积示意于图2，若干个元件串联的有效截面积按照式(8)计算[5]。

图2 有效截面积示意

(8)

1.2 气胎充气时间计算

由于空气系统中各个元件的有效截面积无法获得，同时随着系统管路走向的不同，S取值也有所不同[6]，因此，系统管路的等效截面积S只能根据已有系统试验过程中充气时间进行估算，进而计算出等效截面对应的气胎充气时间。

气胎充气参数见表1，基于上述给出的气胎充气时间计算公式，根据母型气胎试验数据反算出等效有效截面积S，进而估算出气胎充气时间，结果见表2。

表1 气胎充气参数对比

表2 气胎充气时间估算 s

气胎压力随着充气时间的变化见图3。

图3 气胎压力随充气时间变化

由图3可见，在初始音速进气阶段(气胎压力0～1.272 8 MPa)充气速率恒定；在亚音速阶段气胎进气速率逐渐降低。在整个过程中，充气过程可以近似为定速充气过程(线性过程)。对比充气时间可以发现，相同管路布置下需计算气胎充气时间均小于母型气胎充气时间，主要是气胎容积减小的缘故。

2 离合器气胎充气时间台架试验

在没有母型气胎充气时间情况下，可通过陆上台架试验，对气胎充气时间进行测试。气胎模拟充气时间试验台架原理见图4。试验结果见表3。

表3 气胎充气时间测试试验结果 s

图4 气胎充气时间测试试验台架原理

上述试验台架搭建时采用了实船阀件、滤器、管路系统等，仅气胎采用了钢瓶代替[7]。试验结果表明，上述陆上试验台架充气时间与实船充气时间较为接近，能够满足充气时间小于15 s的标准规定要求。同时陆上台架试验表明：空气系统中所采用的减压阀、滤器等附件对于系统的流通能力至关重要，对其选型时应充分考虑其空气流量及余量，确保离合器充气时间。

3 结论

1)由于空气的可压缩特性，同时鉴于国内阀件空气流阻、等效流通面积等基础性数据的欠缺，按照标准规范对气胎充气时间进行计算时，存在因设计输入不明导致计算分析无法开展的问题。故提出“半工程，半计算”的计算模式用于解决上述问题，即基于实船或陆上模拟试验台架充气时间，核算新研气胎充气时间。

2)气胎模拟充气陆上台架试验对理论计算分析结果进行试验验证工作表明：理论计算及陆上试验台架结果与实船试验结果偏差5.6%，精度高，且满足标准规范要求。

3)气胎充气陆上模拟台架试验进一步表明：空气系统中设置的减压阀、滤器等附件对系统的流通能力至关重要，对其选型时应充分考虑其空气流量及其余量，确保离合器充气时间。

4)目前国内在船用离合器充气时间计算分析及台架试验方面的研究较少。本文在理论分析及实船试验、陆上模拟试验等试验数据基础上，梳理气胎充气时间及空气系统的设计方法，可为新研气胎充气时间及空气系统的设计提供参考。

[1] 中华人民共和国工业与信息化部．船用气胎离合器：CB/T3860-2011[S].北京:中国标准出版社,2011.

[2] 王旭峰．船舶压缩空气系统的设计与实现[D].大连：大连海事大学，2009.

[3] 苏睿，何文，钟志华.汽车安全气囊结构改进充气试验系统[J].机械与电子，2006(4)：21-23.

[4] 陈绍纲.轮机工程手册：上册[M].北京：人民交通出版社，1992.

[5] 徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[6] 王旭.船舶压缩空气系统动态建模与仿真[D].大连：大连海事大学，2013.

[7] 苏睿.安全气囊试验系统设计及复合管式安全气囊研究[D].长沙：湖南大学，2006.

A Numerical and Experimental Research on Inflating Time of a Marine Clutch

ZHANG Jin-guo1，2, WANG Jun2, WANG Gang-wei2, HE Tao2

(1.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

A analysis model combining project with calculation for inflating time of a marine clutch was given out. Due to lack of the basic datum of the valve, a new simulation model was established to correct the inflating time based on the experimental data from the test rig. The experimental results showed that the inflating time given by the test rig is very closed to the real time needed in the real ship.

the clutch; inflating time; test rig; ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.030

2016-10-28

国家部委基金资助项目

张金国(1978—)，男，硕士，高工

研究方向：舰船动力装置设计

U664.1

A

1671-7953(2017)04-0134-03

修回日期：2016-11-29