船舶大功率齒輪傳動裝置的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

朱林華

（杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，浙江 杭州 311203）

對于現(xiàn)代船舶而言，更高功率密度及混合驅(qū)動的齒輪轉(zhuǎn)動裝置發(fā)展現(xiàn)狀良好，而且具有非?？捎^的前景。

1 船用傳動裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

在中國，最早的齒輪使用可以追溯到公元前400—200年，而國內(nèi)現(xiàn)代化船舶傳動裝置的發(fā)展起于新中國成立后的50年代，典型的產(chǎn)品有杭州前進齒輪箱廠的HC、GW系列，重慶齒輪箱廠的GW、GC、GV系列。隨著科技的不斷發(fā)展，動力傳動齒輪正在向著輕量化、高速化和多元化的方向發(fā)展。

目前，為了達到將齒輪輕量化的目的，普遍的解決方式是利用硬齒面技術(shù)，以提高傳遞功率密度的方式縮小齒輪的尺寸。實踐研究表明，當圓周速度超過100 m/s時，運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱效應將會對齒輪傳動裝置造成不可忽視的影響，使齒輪產(chǎn)生磨損、變形，影響齒輪傳動裝置的正常工作。這樣的實際情況，要求齒輪設計人員在齒輪裝置的設計初始，就對將會產(chǎn)生的熱變形進行修正，保證齒輪的正常嚙合，這也是船舶大功率齒輪傳動裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。在齒輪制造技術(shù)方面想要解決這個問題，一個行之有效的方案就是在現(xiàn)有的硬齒面齒輪技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步提高齒輪材料的性能。比如采用更高屈服強度、抗拉強度的Cr、Mo、Ni低合金鋼。除了對齒面用鋼的材料有特殊要求以外，還可以采用齒輪齒面修形、齒根拋丸強化、齒面特殊涂層等先進工藝技術(shù)提高齒輪的強度，從而滿足大功率齒輪傳動裝置的需求。

隨著船舶主機的發(fā)展以及大功率電機技術(shù)的成熟，使得大功率齒輪傳動裝置在大型船舶上的應用越加廣泛，另外電力驅(qū)動或混合驅(qū)動的船舶也越來越多。

2 傳動裝置的主要失效形式

船用齒輪傳動裝置的故障主要有輪齒的失效、軸承的失效、離合器故障。其中，最多的是輪齒的失效，而由于齒輪傳動具有的高精度性質(zhì)，細微的侵蝕也能夠?qū)嘄X造成比較大的影響。軸承的失效、離合器故障也是常見故障原因，特別是這兩類失效也會直接導致輪齒的失效。

2.1 輪齒失效

這類失效形式包括輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面剝落、齒面膠合、齒面塑性變形。其中，輪齒折斷失效最嚴重，由于輪齒在進行傳動時，每一個輪齒都相當于是一個懸臂梁，其齒根部的彎曲應力是最大的，有著比較高的應力集中，導致輪齒的折斷通常都發(fā)生在齒根部分。輪齒的折斷將直接導致齒輪傳動裝置無法運轉(zhuǎn)，船舶將完全失去動力。因此，設計時一定要充分考慮船舶工況，避免發(fā)生此類失效。為了避免齒輪折斷，目前常常采用加大齒根圓角半徑、提高齒面制造精度以及進行齒面噴丸處理等方式。

2.2 軸承失效

這類失效形式包括剝離燒傷、裂紋缺陷、保持架破損、擦傷卡傷、生銹腐蝕、磨損、壓痕碰傷、蠕變等。其中，磨損一般來說是不可避免的，軸承在高速運轉(zhuǎn)過程中，隨著時間的推移，滾道及滾子表面不可避免地產(chǎn)生磨損，導致間隙變大，長期大量磨損后將影響輪齒嚙合精度，大修周期時一般要求更換軸承。另外，失效模式中，以擦傷卡傷最多，剝離燒傷最典型，上述失效形式主要因安裝不當、潤滑油清潔度不夠、潤滑冷卻不充分引起。主要措施有保證安裝清潔度、軸承間隙調(diào)整恰當、潤滑冷卻充分等。

2.3 離合器故障

此類失效主要發(fā)生在船舶動力順車及倒車接排過程中，主要分為摩擦片打滑、摩擦片燒壞、離合器不動作等。操作不當、離合器傳遞能力不足、液壓系統(tǒng)故障是產(chǎn)生以上失效的主要原因。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)船舶齒輪傳動裝置的失效的原因有設計不合理、安裝操作不當、荷載過大之外，潤滑油的不恰當使用也會造成很大的損壞，影響齒輪的傳動效率。

3 電力驅(qū)動的應用

電力驅(qū)動船舶的歷史至今有170多年，與齒輪傳動的源遠流長相比，電力驅(qū)動是一項新生的技術(shù)。船舶主機功率要求大，特別是海船，傳統(tǒng)的電力技術(shù)局限性大，但隨著最新電子技術(shù)的突破，大功率變頻器、整流裝置的應用越來越廣泛，電力驅(qū)動的優(yōu)勢也越來越明顯。

電力推進裝置有響應快、在緊急狀態(tài)時能夠更加高效地處理問題的特點，提高了安全指數(shù)。電力推進裝置軸系布置靈活，柴油發(fā)電機組可以放在機艙任何位置，大大提高了船舶的空間利用率。對于大型船舶而言，電力驅(qū)動的另一高效應用方式為PTO、PTI模式的應用，該項技術(shù)特別對于單機單槳的船舶可以大大提供船舶的經(jīng)濟性及安全性。

混合驅(qū)動作為船舶推進系統(tǒng)的一種創(chuàng)新應用模式，在高速游艇等小型船舶上最受歡迎。該類船舶對整船質(zhì)量要求極度敏感，而一般游船需要配置相對較大的發(fā)電系統(tǒng)，以滿足船舶娛樂及特殊設備供電需要。當正常航行時，該發(fā)電機組多數(shù)處于閑置狀態(tài)，而混合驅(qū)動的運用完美地解決了上述問題——當需要航速時，該發(fā)電機組的能源可以通過齒輪傳動裝置使主柴油機與電機同時驅(qū)動螺旋槳，從而實現(xiàn)高航速的需求?；旌向?qū)動作為新技術(shù)，仍然存在一些問題，比如結(jié)構(gòu)復雜、功率分配不均等，仍需要對其進行進一步的研究。

4 結(jié)束語

大功率齒輪傳動裝置作為一種效率高、壽命長的高精密裝置，在船舶工程中的應用是非常廣泛的，就目前的發(fā)展情況而言是很樂觀的。但隨著主機的發(fā)展、大功率電機技術(shù)的成熟，船舶的電氣化以及智能化是新型船舶的必然趨勢。因此，傳統(tǒng)的船舶齒輪傳動裝置局限性將越來越大，電力驅(qū)動、混合驅(qū)動各類新形式將會不斷出現(xiàn)。同時，隨著機械自動化的不斷推進，性能優(yōu)秀的新材料也在不斷地被研發(fā)出來，相信在不久的將來，大功率齒輪傳動裝置的現(xiàn)有問題也會得到解決，船舶齒輪傳動裝置的前景廣闊。