雙機(jī)并車齒輪箱在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用分析

朱陳程 趙新穎

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

雙機(jī)并車齒輪箱在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用分析

朱陳程 趙新穎

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)在船舶得到推廣應(yīng)用。為更好的匹配電力推進(jìn)船舶在多種工況下的運(yùn)行,可使用雙電動機(jī)作為船舶的主動力。本文通過分析雙電動機(jī)的輸出狀態(tài),提出了推進(jìn)系統(tǒng)對雙機(jī)并車齒輪箱的技術(shù)要求,并結(jié)合具體的電力推進(jìn)船型分析了一款齒輪箱的應(yīng)用特點(diǎn)。

齒輪箱 雙機(jī)并車 電力推進(jìn) 船舶

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成為船舶動力系統(tǒng)的一個重要分支。對于有多工況作業(yè)要求的船舶，如拖船、漁船或工程船，為了更好的實(shí)現(xiàn)船機(jī)槳或船機(jī)槳網(wǎng)的匹配，采用雙電動機(jī)作為主動力裝置。對于雙電動機(jī)單螺旋槳的推進(jìn)系統(tǒng)，需要適用雙機(jī)并車齒輪箱來完成動力輸出。另外，雙電機(jī)能適應(yīng)船舶一些特殊情況的發(fā)生，提高船舶的可靠性，如果一臺電動機(jī)出現(xiàn)故障，另外一臺還能使用。

因此，雙機(jī)并車齒輪箱在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。但是，由于電推系統(tǒng)還不夠成熟，在實(shí)踐中的應(yīng)用還存在一些問題和不足，如電動機(jī)在運(yùn)行過程中的負(fù)荷變化，以及單機(jī)運(yùn)行時負(fù)載不均，均會對齒輪箱結(jié)構(gòu)造成影響。如何解決這些問題成為一個重要的研究課題。本文主要從雙機(jī)運(yùn)行與單機(jī)運(yùn)行對齒輪箱的不同影響入手，優(yōu)化齒輪箱結(jié)構(gòu)，使其滿足要求。

2 雙機(jī)并車齒輪箱的技術(shù)要求

雙機(jī)并車齒輪箱多采用單級減速，具有倒順、離合等功能。推力軸承與離合器均設(shè)置在齒輪箱箱體中，與每一個輸入軸連接。

兩臺推進(jìn)電機(jī)同時運(yùn)行時，齒輪箱兩個輸入軸同時接受動力輸入。由于兩根輸入軸的轉(zhuǎn)速會存在一定的差異，需要在齒輪設(shè)計(jì)中考慮最大差異值。由于推進(jìn)電機(jī)的動力輸出相對柴油機(jī)較為平緩，因此對齒輪的沖擊較小，抗沖擊冗余可適當(dāng)降低。

單臺推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，齒輪箱只有一個輸入軸有動力輸入，另外一個輸入軸的離合器脫開。此時并車齒輪箱可等同于常規(guī)齒輪箱，但需要考慮的是在另一輸入軸突然失去動力之后，輸出軸的慣性對還在轉(zhuǎn)動的輸入軸的影響。

由上文可知，雙機(jī)并車齒輪箱在實(shí)際使用中面臨的問題是解決不同輸出狀態(tài)下，齒輪載荷的匹配問題;以及改進(jìn)并車齒輪箱的操控以實(shí)現(xiàn)多工況。

關(guān)于齒輪載荷的研究，現(xiàn)在較常使用有限元分析法對齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在仿真平臺上驗(yàn)證齒輪是否能承受推進(jìn)系統(tǒng)的動力變化沖擊。而對齒輪箱控制系統(tǒng)來說，單輸入、雙輸入、倒順、接脫排等一系列動作是通過齒輪箱并車控制器來完成。電信號由操作面板或按鈕給予，通過電磁閥控制液壓油實(shí)現(xiàn)各種工況。其中，對離合器的操縱是最關(guān)鍵的。

離合器按其傳遞扭矩形式可分為摩擦式離合器、牙嵌式離合器，磁粉式離合器以及轉(zhuǎn)差式離合器;按其工作條件可分為濕式離合器和干式離合器。轉(zhuǎn)差式離合器不傳遞扭振，對齒輪箱輸入軸與主動力裝置輸出軸的安裝要求不高，一般在柴油機(jī)雙機(jī)并車的推進(jìn)系統(tǒng)中使用。而采用推進(jìn)電機(jī)作為主動力時，動力裝置輸出軸與齒輪箱輸入軸間振動較平穩(wěn)，因此可采用傳遞效率更高的摩擦式離合器。

3 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)有一艘在南海作業(yè)的電力推進(jìn)金槍魚延繩釣船，考慮到南海的作業(yè)工況以及船東需求，采用雙機(jī)單槳動力系統(tǒng)，需要對雙機(jī)并車齒輪箱選型。

在設(shè)計(jì)該齒輪箱時，需要提供推進(jìn)電機(jī)的最大功率及轉(zhuǎn)速以及推進(jìn)曲線圖，并根據(jù)延繩釣船的作業(yè)特點(diǎn)，確定數(shù)個不同的工況點(diǎn)，如正常航行、高速航行、滿載航行、放釣、起釣等，提供各工況的數(shù)據(jù)，包括對應(yīng)的電機(jī)功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速。根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合確定齒輪的最佳減速比、所需承受的最大推力等。

雙機(jī)并車齒輪箱內(nèi)齒輪空間布置需要根據(jù)兩個輸入軸的相對位置、輸出軸的位置進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)艙布置允許情況下，輸入軸應(yīng)在同一個水平高度上，而與輸出軸可以有垂直方向上的高差。由于其推力軸承分置于兩側(cè)，因此齒輪箱安裝基座上的鉸制螺孔通常是設(shè)置于前后方向。由于漁船尾部空間非常狹小，需要在滿足齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，需要盡量減小齒輪箱的外形尺寸。

4 結(jié)語

雙機(jī)單槳推進(jìn)系統(tǒng)能在主動力裝置部分失效時保證船舶能正常運(yùn)行，但由于柴油機(jī)雙機(jī)并車操作復(fù)雜，對齒輪箱要求較高，因此實(shí)際應(yīng)用不多。而由于推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，電推系統(tǒng)采用雙機(jī)單槳模式對電機(jī)并車操作簡單，對齒輪箱沖擊不大，因此應(yīng)用前景更為廣泛。雙機(jī)并車齒輪箱在設(shè)計(jì)中需要從具體的使用條件出發(fā)，根據(jù)需求確定技術(shù)條件，并通過仿真模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終完成整個選型設(shè)計(jì)。

[1]張懿時,童宗鵬,周炎,等.船舶齒輪箱硬彈性隔振技術(shù)研究[J].噪聲與振動控制,2013,(3)：153-155.

[2]賀慧英,沈建清.艦船電力推進(jìn)負(fù)載試驗(yàn)技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(4)：383-389.

[3]劉磊.變頻調(diào)速技術(shù)在船舶上的應(yīng)用分析[J].中國水運(yùn)(下半月),2014,14(3)：121,147.

[4]王德山,竺華君,蘇善旺,等.船用柴油機(jī)的雙機(jī)并車[J].船舶,2010,21(5)：28-32.