船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗臺開發(fā)及應(yīng)用

曾翰雅++任早早++安康

摘 要：船用齒輪箱是船舶傳動系統(tǒng)動力傳遞過程中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響設(shè)備的動力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性；為了提高船用齒輪箱的性能測試及質(zhì)量的控制，研制開發(fā)船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗臺；試驗臺采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)動力裝置、冷卻裝置、加載裝置及檢測裝置的通用性。該文闡述了試驗臺的重要性及其結(jié)構(gòu)原理和性能特點，并詳細(xì)介紹了試驗臺硬件系統(tǒng)中主要部件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計過程。

關(guān)鍵詞：船用齒輪箱 機(jī)械封閉試驗臺 液壓加載

中圖分類號：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0053-02

船用齒輪箱主要由傳扭部件、離合器、液壓系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等部分組成。船用齒輪箱具有倒順、離合、減速和承受螺旋槳推力的功能，與柴油機(jī)配套組成船舶動力系統(tǒng)，是船舶傳動系統(tǒng)動力傳遞過程中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響設(shè)備的動力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱“杭齒前進(jìn)”）是中國齒輪箱行業(yè)品牌的領(lǐng)軍企業(yè)，是船用齒輪箱的專業(yè)廠家，主要產(chǎn)品有中小功率的135、300、400、600等產(chǎn)品及GW族系的60.66、70.76等，產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性及高耐用性。隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，對船用齒輪箱的要求也越來越高；同時船舶工作環(huán)境的惡劣，現(xiàn)場拆卸維修難度大，因此對船用齒輪箱的的使用壽命、承載載荷等提出了更高的要求；每臺產(chǎn)品的出廠都必須進(jìn)行臺架試驗，以檢驗產(chǎn)品的性能及質(zhì)量。杭齒前進(jìn)提出自主開發(fā)新型的試驗臺——船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗臺，為船用齒輪箱提升制造、測試水平奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗臺的總體構(gòu)成及原理

船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗臺的總體構(gòu)成如圖1所示，它主要由主驅(qū)動變頻電機(jī)、輔助齒輪箱、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、液壓加載器及配套液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工控機(jī)及操作臺等幾部分組成；同時為滿足振動、噪聲、油溫測定及報警系統(tǒng)的檢測，配備有振動測試儀、聲級計、報警測試裝置等。

試驗時，啟動電機(jī)驅(qū)動試驗臺運轉(zhuǎn)，按要求調(diào)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)速；此時功率流向，從電機(jī)驅(qū)動動前輔助齒輪箱，從而驅(qū)動試驗產(chǎn)品I運轉(zhuǎn)，同時通過液壓加載器（此時相當(dāng)傳動支撐），通過后輔助齒輪箱驅(qū)動試驗產(chǎn)品II運轉(zhuǎn)，此時兩臺被試產(chǎn)品的獨立驅(qū)動，可以進(jìn)行空負(fù)荷機(jī)械性能、液壓系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等試驗。負(fù)載試驗，按要求調(diào)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)速，結(jié)合船用齒輪箱具有倒順、功能，將兩臺試驗產(chǎn)品某一離合器接合（倒、順車），實現(xiàn)臺位的封閉，然后按要求提高驅(qū)動轉(zhuǎn)速，運行穩(wěn)定后，通過液壓加載器進(jìn)行加載，形成封閉功率流的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩；負(fù)載試驗過程中，電機(jī)只需要補(bǔ)償臺位運行的功率損失，以達(dá)到節(jié)能功效。

2 試驗臺的基本參數(shù)

目前，杭齒前進(jìn)研制的該類型試驗臺，主要適用于300、400、600系列船用齒輪箱的性能及其可靠性試驗需要。

2.1 試驗臺的總體參數(shù)

（1）主驅(qū)動電機(jī)功率 132kW；

（2）試驗臺最高轉(zhuǎn)速 2000r/min；

（3）試驗臺額定封閉功率 1000kW；

（4）試驗臺額定封閉扭矩 5500N.m。

2.2 試驗臺總體尺寸及重量

長度7m，寬度2.5m，中心高1.1m，臺位總高1.75m，重量：12t。

3 試驗臺的硬件系統(tǒng)

3.1 動力設(shè)備

動力設(shè)備的選用。對比發(fā)動機(jī)輸入動力的可控性差、噪聲大、體積大且有污染環(huán)境的氣體排放等，電機(jī)具有體積小、噪聲小、操作性及維護(hù)性好等優(yōu)點；通過對試驗產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及使用工況進(jìn)行分析，結(jié)合船用產(chǎn)品離合、換向過程會帶來沖擊載荷的特點，確定系統(tǒng)的動力設(shè)備選擇采用變頻電機(jī)及變頻器。

變頻電機(jī)及變頻器的參數(shù)確定，主要依據(jù)試驗臺本身機(jī)械部件的空耗、試驗產(chǎn)品的空耗、船用產(chǎn)品的離合、換向的特性情況。例，600系列試驗臺，試驗臺本身空耗為40kW，兩臺被試產(chǎn)品空耗約45kW，結(jié)合600產(chǎn)品，空負(fù)荷狀態(tài)下，離合器接合沖擊扭矩特性，選擇變頻電機(jī)132kW、4級，變頻器132kW；試驗臺調(diào)試結(jié)果，在轉(zhuǎn)速1800r/min、封閉功率1000kW工況下，電機(jī)輸出功率約105kW，同時滿足試驗中的離合、換向沖擊的要求。

3.2 輔助齒輪箱

輔助齒輪箱設(shè)計時充分考慮了試驗臺運行時要求其可靠及長壽命的特點，齒輪件采用優(yōu)質(zhì)齒輪鋼，滲碳淬火、磨齒、精度6級，箱體設(shè)計則主要考慮其剛度及分布的合理性等問題；結(jié)合船用齒輪箱具有倒順、離合及自帶油泵（有的是內(nèi)置油泵）的特點，兩臺輔助齒輪箱的結(jié)構(gòu)采用相同跨距、一臺兩級和一臺三級布置，使兩被試產(chǎn)品輸入轉(zhuǎn)向一致，實現(xiàn)兩臺試驗產(chǎn)品同時進(jìn)行試驗，以提高測試效率；輔助齒輪箱的技術(shù)參數(shù)按試驗臺的額定封閉功率、額定封閉扭矩及最高轉(zhuǎn)速設(shè)計。

3.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

為滿足不同產(chǎn)品的試驗的精度要求，配備了5000 N.m、10000N.m兩種量程的盤式傳感器；為了方便更換時的安裝及調(diào)整，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，將傳感器、底座、支撐座、軸承、彈性聯(lián)軸器進(jìn)行整體組合；傳感器的整體設(shè)計，有效解決了臺架安裝的附加轉(zhuǎn)矩、彎矩對測量設(shè)備的影響，同時節(jié)省了其安裝、調(diào)整時間。

3.4 液壓加載器及液壓系統(tǒng)

加載設(shè)備的選擇。由于船用齒輪箱的結(jié)構(gòu)、傳動原理特點及機(jī)械封閉試驗臺的構(gòu)成原理，系統(tǒng)采用液壓加載器作為加載裝置；其具有體積小、較大的扭轉(zhuǎn)角、多種加載模式、反應(yīng)迅速、傳動噪聲低且能實現(xiàn)自動及方便遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點。為提高試驗臺的維護(hù)方便及經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合臺架布置的空間及臺位的測試功能，將加載器、配套液壓系統(tǒng)、冷卻裝置進(jìn)行的整體設(shè)計。

（1） 液壓加載器構(gòu)成及工作原理。

液壓加載器主要由有缸體、轉(zhuǎn)子軸、葉片、輸出軸、分油器、聯(lián)接法蘭及油箱支撐座等組成；定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片將工作腔分成A、B兩部分，工作時，壓力油通過分油器，通入其中一腔，帶動葉片旋轉(zhuǎn)，同時通過輸出軸帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩值通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，以改變兩腔的壓力差實現(xiàn)。

（2） 液壓加載器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本加載器采用雙葉片的結(jié)構(gòu)，葉片聯(lián)接采用分離式，通過螺栓與定位銷實現(xiàn)與輸出軸及有缸體的定位和聯(lián)接；通過通過螺栓與定位銷實現(xiàn)輸出軸、軸承座與油缸體的定位和聯(lián)接；轉(zhuǎn)子軸通過軸承、軸承座與輸出軸定位，處徑向浮動狀態(tài)；傳動部件通過軸承安裝于油箱支撐座；加載器的密封主要有兩部分，葉片的端面及葉片與油缸體的間隙采用密封條密封，葉片轉(zhuǎn)子軸的間隙采用O型圈密封，同時通過液壓系統(tǒng)建立一定的背壓提高密封效果。

（3）液壓系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)主要由配油座、油泵、安全閥、電磁換向閥、背壓閥、電液比例閥及濾油器和溫控器、冷卻器等組成。安全閥作為系統(tǒng)的壓力超過允許值時的壓力自動釋放裝置元件，確保系統(tǒng)的正常運行；濾油器用于是對液壓油進(jìn)行過濾，控制油的潔凈程度；被壓閥用于調(diào)節(jié)低壓回路的壓力；通過電液比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，同時實現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

3.5 冷卻系統(tǒng)

在試驗過程中，被試件、輔助齒輪箱、加載器都會產(chǎn)生大量的熱量，需要冷卻；為達(dá)到節(jié)能及環(huán)保的需要，增加了冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

4 試驗臺的應(yīng)用

杭齒前進(jìn)研制的上述試驗臺，于2014年8月正式投入使用，其中以600產(chǎn)品為媒介，在輸入轉(zhuǎn)速1800r/min、封閉功率845kW的工況下，連續(xù)運轉(zhuǎn)50h，另外對300、400系列產(chǎn)品進(jìn)行了多次的負(fù)載試驗；過程中除了對液壓加載器部件、變頻器控制一些調(diào)整外，其余都滿足試驗臺的設(shè)計要求。

調(diào)試和運轉(zhuǎn)過程中，出現(xiàn)了一些問題，如試驗產(chǎn)品換向過程中，由于瞬間沖擊扭矩，導(dǎo)致電流過大，帶來變頻器強(qiáng)制保護(hù)的情況；通過更改變頻器的設(shè)置，當(dāng)電流超過額定電流后，變頻器會主動降頻，使輸出電流保持在額定電流以內(nèi)，然后在回到系統(tǒng)要求頻率，以避免了電機(jī)在沖擊負(fù)荷時產(chǎn)生“悶車”現(xiàn)象；轉(zhuǎn)子葉片的自由度由于轉(zhuǎn)子葉片與油缸端面間隙過小而影響正常工作，在泄露可控的條件下，通過對間隙調(diào)整，由原來的0.05 mm，放大至0.1 mm，從而達(dá)到加載器扭轉(zhuǎn)角預(yù)調(diào)整的效果。

5 結(jié)語

（1）船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗臺的主要功能，是采用小功率的驅(qū)動電機(jī)和液壓加載的形式使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的傳動功率，以達(dá)到產(chǎn)品負(fù)載試驗的需要；同時能滿足產(chǎn)品的空負(fù)荷性能試驗，包括低速液壓性能、離合器性能、報警系統(tǒng)檢測等。

（2） 試驗臺具有一定的通用性，通過對軸向位置的變動、產(chǎn)品輸出端的對接裝置的更改，即可實現(xiàn)對不同產(chǎn)品的試驗。

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