郭澔楠，朱發(fā)新，殷攀登，李玉樂(lè)，許益雕，陳 甜

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸學(xué)院，浙江 舟山 316022)

齒輪箱是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中使用最廣泛的基礎(chǔ)部件之一，在船上有著至關(guān)重要的作用。船用齒輪箱的主要作用是傳遞動(dòng)力和改變機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速，其具有傳動(dòng)精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)力矩大等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]。

為了滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，齒輪箱中的齒輪都會(huì)采用較高的加工精度以保證其使用壽命，但在長(zhǎng)期工作過(guò)程中齒輪依然容易因磨損而出現(xiàn)局部失效，有研究證明在預(yù)期壽命內(nèi)出現(xiàn)過(guò)度磨損的齒輪往往是由潤(rùn)滑上的缺陷引起的[2]。

1 現(xiàn)有船用齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 現(xiàn)有潤(rùn)滑方式

開(kāi)式齒輪傳動(dòng)通常采用人工定期潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑采用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂[3]。

一般閉式齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式根據(jù)齒輪的圓周速度v而定。當(dāng)v≤12 m/s時(shí)，多采用油池潤(rùn)滑，大齒輪浸入油池一定的深度，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就把潤(rùn)滑油帶到嚙合區(qū)，同時(shí)也甩到箱壁上，借以散熱。v較大時(shí)，浸入深度約為一個(gè)齒高；v較小時(shí)，如v=0.5～0.8 m/s，浸入深度達(dá)到齒輪半徑的1/6。在多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)幾個(gè)大齒輪直徑不相等時(shí)，可以采用惰輪蘸油潤(rùn)滑。當(dāng)v≥12 m/s時(shí)，不宜采用油池潤(rùn)滑，最好采用噴油潤(rùn)滑[4-8]。這是因?yàn)閳A周速度過(guò)高，齒輪上的油大多都被甩出去而到達(dá)不了嚙合區(qū)；攪油過(guò)于激烈，會(huì)導(dǎo)致油溫升高，影響潤(rùn)滑油的品質(zhì)，攪起來(lái)的沉淀物可能會(huì)加速齒輪磨損。

1.2 油池潤(rùn)滑存在的問(wèn)題

船舶晃蕩、潤(rùn)滑油泄漏、潤(rùn)滑油蒸發(fā)成油氣從透氣口逸出、放殘、工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、油液攪拌引起乳化等原因會(huì)引起齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油液位變化，產(chǎn)生一些不良影響[9]。

如齒輪箱潤(rùn)滑油液位上升，會(huì)出現(xiàn)齒輪攪油功率消耗增加，油池底部的雜質(zhì)被攪起，加速齒輪磨損等現(xiàn)象。齒輪箱潤(rùn)滑油液位下降，會(huì)出現(xiàn)軸承潤(rùn)滑不良，磨損加速等[10]現(xiàn)象。

同時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)速不同，輪齒浸入油池深度值要求也不同；齒輪轉(zhuǎn)速高，輪齒浸入油池深度值需要增加，齒輪轉(zhuǎn)速低，輪齒浸入油池深度值需要降低，而現(xiàn)有船用齒輪箱油池潤(rùn)滑系統(tǒng)不能及時(shí)調(diào)整潤(rùn)滑油液位。

2 一種新型船用齒輪箱油池潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求分析

針對(duì)傳統(tǒng)油池潤(rùn)滑不能自動(dòng)控制潤(rùn)滑油液面高低的缺點(diǎn)，參考現(xiàn)有的潤(rùn)滑技術(shù)，查閱了相關(guān)規(guī)范文件和文獻(xiàn)[9-10]，船用齒輪箱油池潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：①系統(tǒng)技術(shù)成熟，適應(yīng)性好，檢測(cè)精度高，速度快，周期短；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，技術(shù)要求低；③系統(tǒng)成本低，便于維護(hù)保養(yǎng)，運(yùn)營(yíng)成本低。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)出新型船用齒輪油箱潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理示意圖，如圖1所示。

1-油箱；2-油泵；3-雜質(zhì)過(guò)濾器；4-補(bǔ)油二位二通電磁閥；5-泄油二位二通電磁閥；6-齒輪；7-齒輪箱；8-液位傳感器；9-PLC控制模塊；10-單向閥；11-卸載二位二通電磁閥；12-溢流閥圖1 新型船用齒輪箱可控液位式油池潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

由圖1知，油箱和齒輪箱都裝有潤(rùn)滑油，油箱可以給齒輪箱補(bǔ)充潤(rùn)滑油，也可以回收齒輪箱多余的潤(rùn)滑油。齒輪箱潤(rùn)滑油液位的高低通過(guò)液位傳感器感知，并發(fā)送信號(hào)給PLC控制模塊，根據(jù)發(fā)送的信號(hào)，PLC控制模塊控制補(bǔ)油二位二通電磁閥和泄油二位二通電磁閥動(dòng)作，不同二位二通電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)齒輪箱的補(bǔ)油或泄油。下面通過(guò)齒輪箱內(nèi)液位過(guò)高和過(guò)低2種情況來(lái)進(jìn)一步介紹該系統(tǒng)的工作原理。

1)齒輪箱內(nèi)油位過(guò)高。液位傳感器感知到油位過(guò)高，PLC控制模塊控制泄油二位二通電磁閥通電，泄油二位二通電磁閥打到右位接通油路，油液自齒輪箱流出，通過(guò)雜質(zhì)過(guò)濾器回到油箱中。檢測(cè)到齒輪箱內(nèi)油位回到正常高度，PLC控制模塊控制泄油二位二通電磁閥斷電，泄油二位二通電磁閥打到左位斷開(kāi)油路。

2)齒輪箱內(nèi)油位過(guò)低。液位傳感器感知到液位過(guò)低，PLC控制模塊啟動(dòng)油泵，同時(shí)控制補(bǔ)油二位二通電磁閥通電接通油路，油液在油泵的驅(qū)動(dòng)下自油箱中流出，流入到齒輪箱中。齒輪箱中的液位傳感器感知到潤(rùn)滑油液面回到正常高度。PLC控制模塊控制補(bǔ)油二位二通電磁閥斷電，切斷油路。

2.3 主要組成零部件

1)液位傳感器。液位傳感器采用壓阻式應(yīng)變?cè)?，它的核心部件電阻?yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片2種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片2種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的黏合劑緊密的黏合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片隨之發(fā)生形變，使應(yīng)變片的阻值改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。

2)PLC控制模塊。PLC控制模塊選用的西門(mén)子S7-200型PLC在實(shí)時(shí)模式下具有速度快、通訊功能好、生產(chǎn)力高的優(yōu)點(diǎn)。一致的模塊化設(shè)計(jì)促進(jìn)了低性能定制產(chǎn)品的創(chuàng)造和可擴(kuò)展性。來(lái)自西門(mén)子的S7 - 200微型PLC既可以被當(dāng)作獨(dú)立的微型PLC，也可以與其他控制器相結(jié)合使用。油池潤(rùn)滑PLC控制模塊的符號(hào)表如表1和表2所示。

表1 PLC控制模塊輸入輸出符號(hào)表

表2 其他符號(hào)表

設(shè)定M1.0為正常工作狀態(tài)，M2.0為變速工作狀態(tài)。程序開(kāi)始時(shí)先復(fù)位所有狀態(tài)。當(dāng)齒輪圓周速度不發(fā)生改變時(shí)，齒輪箱處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)齒輪加速或減速時(shí)，齒輪箱處于變速工作狀態(tài)。初始狀態(tài)設(shè)置程序如圖2所示。

圖2 初始狀態(tài)設(shè)置程序

齒輪箱處于正常工作狀態(tài)M1.0時(shí)，如果液位低于低液位傳感器(I0.1)，那么I0.1的常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，常閉觸頭閉合，補(bǔ)油電磁閥(Q0.1)與油泵(Q0.3)通電，補(bǔ)油二位二通電磁閥打到左位，油路導(dǎo)通，同時(shí)油泵開(kāi)始工作，補(bǔ)充油液使液位上升；如果液位高于高液位傳感器(I0.2)，那么(I0.2)的常開(kāi)觸頭閉合，常閉觸頭斷開(kāi)，泄油電磁閥(Q0.2)通電，泄油二位二通電磁閥打到右位油路導(dǎo)通，泄放油液使油位下降。正常工作狀態(tài)控制程序如圖3所示。

齒輪箱處于變速工作狀態(tài)M2.0時(shí)的程序分為加速與減速2個(gè)部分，齒輪加速(I1.3)且油位尚處于高液位傳感器(I0.2)與低液位傳感器(I0.1)之間時(shí)，補(bǔ)油電磁閥(Q0.1)與油泵(Q0.3)通電，補(bǔ)油二位二通電磁閥打到左位，油路導(dǎo)通，同時(shí)油泵開(kāi)始工作，齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油液位上升，但最高只能達(dá)到高液位傳感器(I0.2)所在位置。齒輪減速(I1.4)且油位處于高液位傳感器(I0.2)與低液位傳感器(I0.1)之間時(shí)，泄油電磁閥(Q0.2)通電，泄油二位二通電磁閥打到右位，油路導(dǎo)通，齒輪箱內(nèi)油位下降。變速工作狀態(tài)控制程序如圖4所示。

圖3 正常工作狀態(tài)控制程序

圖4 變速工作狀態(tài)控制程序

3 船用新型齒輪箱油池潤(rùn)滑系統(tǒng)可行性分析

3.1 技術(shù)可行性分析

本油池潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑油液位的高低是由PLC控制，具體如下：液位傳感器感知齒輪箱潤(rùn)滑油液位，并發(fā)送信號(hào)給PLC控制模塊，根據(jù)發(fā)送的信號(hào)，PLC控制模塊控制補(bǔ)油二位二通電磁閥和泄油二位二通電磁閥動(dòng)作，不同二位二通電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)齒輪箱的補(bǔ)油或泄油。這項(xiàng)技術(shù)非常成熟，并且在相關(guān)行業(yè)使用多年，效果較好，因此該系統(tǒng)具有技術(shù)可行性。

3.2 結(jié)構(gòu)可行性分析

該系統(tǒng)組成零部件少，主要由油箱、二位二通電磁閥、溢流閥、雜質(zhì)過(guò)濾器、傳感器等零部件組成，其零部件均為通用件或標(biāo)準(zhǔn)件，可以從市場(chǎng)直接選購(gòu)。該設(shè)備或部件的強(qiáng)度、剛度等參數(shù)也符合要求。具體零部件可根據(jù)潤(rùn)滑油性質(zhì)與液位傳感器的類(lèi)型選型。因此該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)可行性。

3.3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

該系統(tǒng)的大部分零部件為通用件或標(biāo)準(zhǔn)件，可以在市場(chǎng)上直接購(gòu)買(mǎi)，成本可以估算及控制。該系統(tǒng)使用壽命高、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，日常使用、維護(hù)保養(yǎng)成本較低，具有經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析船用齒輪箱潤(rùn)滑方式，分析船用齒輪箱油池潤(rùn)滑存在功耗增加、磨損加劇等缺點(diǎn)和不足。依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》及其他文獻(xiàn)資料，從技術(shù)、結(jié)構(gòu)及成本分析船用齒輪箱油池潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出一套可控液位式油池潤(rùn)滑液壓系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)一步介紹液位傳感器和PLC控制模塊。該系統(tǒng)在技術(shù)、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)3個(gè)方面是可行的。