曾翰雅++任早早++安康

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

關(guān)鍵詞：船用齒輪箱 機(jī)械封閉試驗(yàn)臺(tái) 液壓加載

中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(bào)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(dòng)力系統(tǒng)，是船舶傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳遞過(guò)程中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響設(shè)備的動(dòng)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(jiǎn)稱“杭齒前進(jìn)”）是中國(guó)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(duì)船用齒輪箱的要求也越來(lái)越高；同時(shí)船舶工作環(huán)境的惡劣，現(xiàn)場(chǎng)拆卸維修難度大，因此對(duì)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(tái)產(chǎn)品的出廠都必須進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能及質(zhì)量。杭齒前進(jìn)提出自主開(kāi)發(fā)新型的試驗(yàn)臺(tái)——船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)，為船用齒輪箱提升制造、測(cè)試水平奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)臺(tái)的總體構(gòu)成及原理

船用齒輪箱機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)的總體構(gòu)成如圖1所示，它主要由主驅(qū)動(dòng)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(tái)等幾部分組成；同時(shí)為滿足振動(dòng)、噪聲、油溫測(cè)定及報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)，配備有振動(dòng)測(cè)試儀、聲級(jí)計(jì)、報(bào)警測(cè)試裝置等。

試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，按要求調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速；此時(shí)功率流向，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)前輔助齒輪箱，從而驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)品I運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)液壓加載器（此時(shí)相當(dāng)傳動(dòng)支撐），通過(guò)后輔助齒輪箱驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)品II運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)兩臺(tái)被試產(chǎn)品的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可以進(jìn)行空負(fù)荷機(jī)械性能、液壓系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等試驗(yàn)。負(fù)載試驗(yàn)，按要求調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，結(jié)合船用齒輪箱具有倒順、功能，將兩臺(tái)試驗(yàn)產(chǎn)品某一離合器接合（倒、順車(chē)），實(shí)現(xiàn)臺(tái)位的封閉，然后按要求提高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行穩(wěn)定后，通過(guò)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(yàn)過(guò)程中，電機(jī)只需要補(bǔ)償臺(tái)位運(yùn)行的功率損失，以達(dá)到節(jié)能功效。

2 試驗(yàn)臺(tái)的基本參數(shù)

目前，杭齒前進(jìn)研制的該類型試驗(yàn)臺(tái)，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(yàn)需要。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的總體參數(shù)

（1）主驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率 132kW；

（2）試驗(yàn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速 2000r/min；

（3）試驗(yàn)臺(tái)額定封閉功率 1000kW；

（4）試驗(yàn)臺(tái)額定封閉扭矩 5500N.m。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)總體尺寸及重量

長(zhǎng)度7m，寬度2.5m，中心高1.1m，臺(tái)位總高1.75m，重量：12t。

3 試驗(yàn)臺(tái)的硬件系統(tǒng)

3.1 動(dòng)力設(shè)備

動(dòng)力設(shè)備的選用。對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)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(diǎn)；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)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(guò)程會(huì)帶來(lái)沖擊載荷的特點(diǎn)，確定系統(tǒng)的動(dòng)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(yàn)臺(tái)本身機(jī)械部件的空耗、試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)本身空耗為40kW，兩臺(tái)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(jí)，變頻器132kW；試驗(yàn)臺(tái)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(shí)滿足試驗(yàn)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(jì)時(shí)充分考慮了試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)要求其可靠及長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，齒輪件采用優(yōu)質(zhì)齒輪鋼，滲碳淬火、磨齒、精度6級(jí)，箱體設(shè)計(jì)則主要考慮其剛度及分布的合理性等問(wèn)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(diǎn)，兩臺(tái)輔助齒輪箱的結(jié)構(gòu)采用相同跨距、一臺(tái)兩級(jí)和一臺(tái)三級(jí)布置，使兩被試產(chǎn)品輸入轉(zhuǎn)向一致，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)試驗(yàn)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以提高測(cè)試效率；輔助齒輪箱的技術(shù)參數(shù)按試驗(yàn)臺(tái)的額定封閉功率、額定封閉扭矩及最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。

3.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

為滿足不同產(chǎn)品的試驗(yàn)的精度要求，配備了5000 N.m、10000N.m兩種量程的盤(pán)式傳感器；為了方便更換時(shí)的安裝及調(diào)整，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jì)，有效解決了臺(tái)架安裝的附加轉(zhuǎn)矩、彎矩對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響，同時(shí)節(jié)省了其安裝、調(diào)整時(shí)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(dòng)原理特點(diǎn)及機(jī)械封閉試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)噪聲低且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)及方便遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。為提高試驗(yàn)臺(tái)的維護(hù)方便及經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合臺(tái)架布置的空間及臺(tái)位的測(cè)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(jì)。

（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(shí)，壓力油通過(guò)分油器，通入其中一腔，帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)輸出軸帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩值通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，以改變兩腔的壓力差實(shí)現(xiàn)。

（2） 液壓加載器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(guò)螺栓與定位銷實(shí)現(xiàn)與輸出軸及有缸體的定位和聯(lián)接；通過(guò)通過(guò)螺栓與定位銷實(shí)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(guò)軸承、軸承座與輸出軸定位，處徑向浮動(dòng)狀態(tài)；傳動(dòng)部件通過(guò)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(shí)通過(guò)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(guò)允許值時(shí)的壓力自動(dòng)釋放裝置元件，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行；濾油器用于是對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)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(guò)電液比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

3.5 冷卻系統(tǒng)

在試驗(yàn)過(guò)程中，被試件、輔助齒輪箱、加載器都會(huì)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(yàn)臺(tái)的應(yīng)用

杭齒前進(jìn)研制的上述試驗(yàn)臺(tái)，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(yùn)轉(zhuǎn)50h，另外對(duì)300、400系列產(chǎn)品進(jìn)行了多次的負(fù)載試驗(yàn)；過(guò)程中除了對(duì)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(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

調(diào)試和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如試驗(yàn)產(chǎn)品換向過(guò)程中，由于瞬間沖擊扭矩，導(dǎo)致電流過(guò)大，帶來(lái)變頻器強(qiáng)制保護(hù)的情況；通過(guò)更改變頻器的設(shè)置，當(dāng)電流超過(guò)額定電流后，變頻器會(huì)主動(dòng)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(shí)產(chǎn)生“悶車(chē)”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(guò)小而影響正常工作，在泄露可控的條件下，通過(guò)對(duì)間隙調(diào)整，由原來(lái)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(yǔ)

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

（2） 試驗(yàn)臺(tái)具有一定的通用性，通過(guò)對(duì)軸向位置的變動(dòng)、產(chǎn)品輸出端的對(duì)接裝置的更改，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同產(chǎn)品的試驗(yàn)。

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