全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器潤滑供油過程分析

湯新元 王中學(xué) 王 晨 龔建軍

（1.中船重工702所東方長風(fēng)公司 無錫214082；2.中國船級社江蘇分社 南京210011）

引 言

隨著現(xiàn)代化大型船舶和海工裝備的發(fā)展，對推進(jìn)器的推力性能和操縱性能的要求不斷升級，而全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為主要配套設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展則越來越呈現(xiàn)專業(yè)類別更加細(xì)分和使用功能更加多樣的局面。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的機(jī)械傳動一般以齒輪嚙合為主，按機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)劃分，齒輪所承受的工況一般為重載負(fù)荷，為了齒輪及其支撐軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在工程設(shè)計(jì)中采用了彈性流體動力潤滑技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者曾經(jīng)對齒輪的彈性流體動力潤滑進(jìn)行大量研究和論述，清華大學(xué)摩擦國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊沛然、溫詩鑄［1］等在1990年前后就已完成點(diǎn)-線接觸流體潤滑的研究，得到了工程模型流體潤滑的完全數(shù)值解。其中，楊沛然［2］就“線接觸彈性流體動力潤滑的供油條件”進(jìn)行研究，并指出“供油量大于臨界值時(shí)為過量供油，多余油液不能進(jìn)入齒輪接觸區(qū)，并且多余的流動會帶來額外的能量損失”。因此，在全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器齒輪嚙合的設(shè)計(jì)過程中，除了需要面對彈流潤滑問題，還需要解決潤滑油供應(yīng)量的問題。

本文就全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器（以下簡稱推進(jìn)器）的潤滑供油過程進(jìn)行分析和計(jì)算，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，得到齒輪箱潤滑油液位的變化過程。

1 潤滑供油過程描述

推進(jìn)器的潤滑油循環(huán)主要依靠齒輪泵和旋轉(zhuǎn)螺桿的作用，齒輪泵和螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)則由船用主機(jī)驅(qū)動，因此，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)，齒輪泵和螺桿的排量也會相應(yīng)發(fā)生改變。在實(shí)際工作中，主機(jī)調(diào)速的范圍較大，一般變化范圍超過1 000 r/min。因此，額定排量的齒輪泵和螺桿必須滿足較寬泛的主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，確保在額定主機(jī)轉(zhuǎn)速情況下都能正常工作。

潤滑油的循環(huán)過程主要實(shí)現(xiàn)兩大目的：對齒輪、軸承等部件進(jìn)行潤滑，帶走運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量；在循環(huán)過程中完成對潤滑油的熱交換，使?jié)櫥偷臏囟仁冀K控制在70℃以內(nèi)，而這一溫度指標(biāo)是潤滑油不發(fā)生熱氧化反應(yīng)的臨界溫度值。

潤滑油的循環(huán)涉及推進(jìn)器的各個(gè)部件，整個(gè)循環(huán)過程貫穿了推進(jìn)器的本體結(jié)構(gòu)。推進(jìn)器本體結(jié)構(gòu)主要包括上下兩個(gè)部分（見圖1），上部主要包括上油箱、齒輪箱、大板架，下部主要包括轉(zhuǎn)舵套、下箱體，此外還包括動力軸、螺桿、中間軸等軸類零件。

圖1 本體潤滑循環(huán)過程

潤滑油的循環(huán)路線起始于上油箱，潤滑油在重力的作用下進(jìn)入齒輪箱，對動力軸上的一對圓弧齒錐齒輪進(jìn)行油噴淋潤滑，然后向下進(jìn)入大板架。此時(shí)，潤滑油的流動分為兩部分，一部分繼續(xù)沿著轉(zhuǎn)舵套向下運(yùn)行，另一部分則流入大板架。流入大板架的潤滑油在齒輪泵的抽吸作用下，通過管路返回到上油箱內(nèi)，開始新一輪循環(huán)，此時(shí)在大板架內(nèi)完成潤滑油與大板架殼體的一次熱交換過程，并通過散熱片的作用進(jìn)行散熱降溫。沿轉(zhuǎn)舵套下行的潤滑油在螺桿的擠壓輸送作用下，直接進(jìn)入下箱體。由于螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓所造成的背壓效應(yīng)，使得潤滑油從中間軸的中心孔由下箱體往上升至齒輪箱，完成一次循環(huán)過程。工作時(shí)下箱體一直浸泡在水中，當(dāng)潤滑油進(jìn)入下箱體內(nèi)時(shí)，通過接觸熱傳導(dǎo)作用，完成另一次熱交換。在整個(gè)潤滑油循環(huán)過程中，通過管路的導(dǎo)引和開設(shè)小孔，對各軸類兩端的軸承進(jìn)行油噴淋潤滑。

綜上所述，以上油箱作為原點(diǎn)，整個(gè)潤滑循環(huán)過程線路包括兩條途經(jīng)：

（1）潤滑油主循環(huán)過程：從上油箱垂直向下一直進(jìn)入下箱體，然后在螺桿擠壓的作用下返回齒輪箱；

（2）潤滑油補(bǔ)償過程：通過齒輪泵的抽吸作用，使大板架的部分潤滑油返回上油箱內(nèi)，然后在重力作用下進(jìn)入齒輪箱。

因此，通過動力軸連接主機(jī)的齒輪箱成為整個(gè)潤滑油循環(huán)路線的交匯節(jié)點(diǎn)，如何控制齒輪箱內(nèi)的潤滑油液位變化成為推進(jìn)器設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。

2 齒輪箱潤滑油液位變化

潤滑油主循環(huán)過程和補(bǔ)償過程直接關(guān)系到齒輪箱內(nèi)的潤滑油液位高度的變化，對齒輪過度供油會影響齒輪形成彈流薄膜潤滑的效果；同時(shí)，過多的油量會帶來旋轉(zhuǎn)部件的攪油功率損失，不僅會損失動力軸傳遞的功率，而且會引起整個(gè)齒輪箱的溫度升高，導(dǎo)致潤滑油過熱氧化變質(zhì)，增加齒輪發(fā)生膠合、點(diǎn)蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)推進(jìn)器的使用工況和環(huán)境溫度的要求，潤滑油一般選用LCKC150中極壓閉式工業(yè)齒輪油，40℃時(shí)運(yùn)動粘度135～165 mm2/s，正常工作溫度為-15～70℃。齒輪箱內(nèi)加注潤滑油的初始油液高度為H0，正常工作以后，由于循環(huán)供油系統(tǒng)的運(yùn)作，潤滑油液位高度Hi會發(fā)生明顯變化。

2.1 數(shù)學(xué)模型

潤滑油供油過程基本屬于兩種類型的流動：管流和明渠流，質(zhì)量力為重力，并且具有設(shè)備（齒輪泵和螺桿）提供機(jī)械能，數(shù)學(xué)模型可選擇以下方程：

（1）連續(xù)性方程

潤滑油屬于粘性不可壓縮流體，簡化后的連續(xù)性方程為：

（2）納維-斯托克斯方程

對于不可壓縮流體，方程可以簡化為：

（3）粘性總流伯努利方程

在工程問題中，潤滑油的流動可以簡化為一元流動。

式中：對于湍流流動，α1和α2一般取值1；Hp為總流兩截面之間單位質(zhì)量流體被輸入的機(jī)械能；hw為總流機(jī)械能損失。

式中：Φ為流體的耗散功；q為體積流量。

2.2 油液位高度計(jì)算

齒輪箱油液位高度與潤滑油的輸入輸出關(guān)系密切，考慮到管流和明渠流的特點(diǎn)，在工程實(shí)際中，作為初始條件的多個(gè)物理量明確，便于方程的聯(lián)立求解。

2.2.1 潤滑油的輸入輸出

齒輪箱潤滑油的輸入輸出，主要包括三個(gè)方向：上油箱潤滑油輸入Q1，為齒輪泵的補(bǔ)償輸入；螺桿擠壓作用使得潤滑油由下箱體返回輸入Q2；齒輪箱潤滑油輸出Q3，參見圖2。

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中建立XYZ坐標(biāo)系，原點(diǎn)O為水平安裝的大齒輪的底面圓心。

因此，決定齒輪箱潤滑油液面高度的油量Q0為：

齒輪箱內(nèi)的潤滑油高度Hi

式中：q0為瞬態(tài)流量，m3/s；A0為齒輪箱的有效面積，m2。

2.2.2 上油箱輸入流量Q1

上油箱輸入流量由齒輪泵的排量所決定。

式中：n′為齒輪泵轉(zhuǎn)速，為主機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過一級減速所獲得，1/s；m′為泵的齒輪模數(shù)；K′為泵修正系數(shù)，一般取值1.05～1.15；D′為泵齒輪分度圓直徑，m；t為泵工作時(shí)間，s。

2.2.3 螺桿擠壓流量Q2

螺桿的擠壓流量Q2由螺桿的旋轉(zhuǎn)速度n和螺距p，以及螺桿幾何參數(shù)而定。

式中：d和D為螺桿內(nèi)、外徑，m；ψ為折損系數(shù)，由螺桿的泄漏量確定；n為螺桿轉(zhuǎn)速，為主機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級減速獲得，1/s；b為螺桿齒厚，m；α為螺牙壓力角。

根據(jù)流動的連續(xù)性方程，可獲得旋轉(zhuǎn)螺桿輸入輸出的速度參數(shù)

式中：v21、v22為螺桿輸入和輸出的速度分量，m/s；A21、A22為螺桿輸入和輸出的管流當(dāng)量面積，m2。

2.2.4 齒輪箱輸出流量Q3

齒輪箱輸出潤滑油的過程出現(xiàn)分流，其一成為螺桿擠壓的輸入流量；其二成為大板架輸入流量，再通過齒輪泵向上油箱供油。建立伯努利分流方程：

式中：下標(biāo)3的參數(shù)與齒輪箱輸出流量有關(guān)，下標(biāo)21的參數(shù)與螺桿擠壓流量有關(guān)，下標(biāo)4的參數(shù)與大板架輸入流量有關(guān)。

根據(jù)初始條件，位置量z和壓力量p均可獲得，只有三個(gè)速度分量v21、v3、v4是未知數(shù)，式（11）和式（12）以時(shí)間為步長進(jìn)行Gauss-Seidel迭代計(jì)算，即可獲得各分量的瞬態(tài)解，再由式（7）、式（8）、式（9）就可獲得齒輪箱內(nèi)的潤滑油高度Hi的逼近值。

2.3 攪油功率損失

在齒輪箱的設(shè)計(jì)過程中，攪油功率損失計(jì)算可依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z22559.1-2008《齒輪熱功率第1部分》的描述：單個(gè)齒輪的攪油損失包括三個(gè)方面：具有光滑外徑的軸類零件； 具有圓盤的光滑側(cè)面，例如齒輪盤面； 表面有齒零件，例如螺旋錐齒輪的齒頂圓弧面。由此，計(jì)算公式如下：

式中：PGW為單個(gè)齒輪的攪油損失，kW；ν為運(yùn)動粘度，mm2/s；Db為攪油零件外徑，m；Ag為齒輪排列常數(shù)，一般取值0.2；L為攪油零件長度，m；β為齒輪螺旋角；fg為齒輪浸油因子，取值范圍為0～1，對于中間狀態(tài)，可以采用線性插值來確定其結(jié)果。

3 結(jié)果分析比較

3.1 計(jì)算與試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)

以某A型推進(jìn)器為例，齒輪箱（圖2）水平安裝的大齒輪厚度為Hd，以其為基準(zhǔn)，初始添加潤滑油液位高度H0的不同狀態(tài)如表1所示。計(jì)算需要設(shè)定主機(jī)轉(zhuǎn)速和齒輪泵的額定流量，見表2。

表1 潤滑油初始液位高度

表2 主機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速和齒輪泵額定流量

臺架磨合試驗(yàn)如下頁圖3所示，通過試驗(yàn)檢測，可以獲得推進(jìn)器的各項(xiàng)參數(shù)，如油溫、噪聲、液位高度等。

圖3 臺架磨合試驗(yàn)圖片

3.2 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

通過模擬計(jì)算求得齒輪箱內(nèi)油的液位高度變化過程以及流動穩(wěn)定后的數(shù)值，并與臺架試驗(yàn)所獲得的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。限于篇幅，本文僅展示初始液位為0.5Hd條件下的計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果。

如圖4所示，齒輪泵額定流量（0.03 L/r）和主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)情況下的油液位隨時(shí)間的變化值。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流動穩(wěn)定后，油液位的水平高度趨向一定值。

圖4 油液位隨時(shí)間變化的結(jié)果

圖5 油液位隨泵流量與主機(jī)轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算結(jié)果

如圖5所示，通過不同齒輪泵流量和主機(jī)轉(zhuǎn)速條件下的油液位的最后穩(wěn)定值可以看出，在齒輪泵額定流量確定以后，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，潤滑油液位會不斷下降，但由于齒輪泵的補(bǔ)償作用，最低油液位的高度為-0.102 6 m且能保持穩(wěn)定。依據(jù)圖2所建立的坐標(biāo)系，大板架的最高油液位坐標(biāo)為-0.274 5 m，因此，齒輪箱最低油液位相對于大板架最高油液位依然具有高度差，即流動具有位置勢能，這是建立穩(wěn)定流動的限定條件之一。因此，在工程實(shí)際中，不希望發(fā)生初始油液位小于0.5Hd的狀態(tài)。

計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表3所示，在齒輪泵額定流量（0.03 L/r）的條件下，主機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)油液位高度值Hi?？梢钥闯觯?jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差小于2.5%。

表3 油液位計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

3.3 攪油功率損失計(jì)算

由于攪油損失較難測定，在試驗(yàn)過程中常以測量油溫來判定攪油損失的增減。眾所周知，影響油溫的因素包括：主機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪負(fù)荷、攪油損失等，攪油損失增加肯定會提升潤滑油的溫度，油液位的變化也必定帶來攪油損失的上下波動；因此，攪油損失是影響油溫變化的充分條件。在實(shí)際工況下，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪負(fù)荷等因素缺乏繼續(xù)調(diào)節(jié)的余地時(shí)，攪油損失就成為控制油溫的必要條件。要控制潤滑油的溫度，就必須控制攪油損失，即確保油液位在可控范圍內(nèi)處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6-圖8所示為不同初始油液位條件下的齒輪攪油功率損失計(jì)算結(jié)果。

圖6 初始油液位（0.5Hd）的攪油功率損失計(jì)算

圖7 初始油液位（1Hd）的攪油功率損失計(jì)算

圖8 初始油液位（2Hd）的攪油功率損失計(jì)算

結(jié)果表明：

（1）初始油液位分別為0.5Hd、1Hd和 2Hd時(shí)，2Hd狀況下攪油功率損失明顯增加，最大峰值比較如表4所示，2Hd狀況下比0.5Hd狀況下最大攪油功率損失放大了17.7倍。

表4 攪油功率損失計(jì)算峰值比較

（2）隨著齒輪泵流量的增加，攪油損失增長非常明顯。因此，較低流量的齒輪泵應(yīng)是工程應(yīng)用中的首選。

在臺架磨合試驗(yàn)中，選擇工況為：齒輪泵額定流量0.03 L/r，主機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min，測量和記錄了潤滑油溫度的變化，如下頁圖9所示。

結(jié)果表明：

（1）潤滑油溫度經(jīng)過振蕩后最終在穩(wěn)定值上下波動，從側(cè)面佐證齒輪箱潤滑油液位最終趨于穩(wěn)定值的事實(shí)；

（2）初始油液位過高（2Hd），會使?jié)櫥蜏囟瘸^70℃的臨界值，潤滑油表面出現(xiàn)明顯的汽化現(xiàn)象。顯然選擇0.5Hd的初始油液位比較合理。

圖9 潤滑油溫度測量結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過計(jì)算和試驗(yàn)獲得了齒輪箱潤滑油液位的變化過程，經(jīng)過比較表明，計(jì)算結(jié)果可為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)船使用提供參考，主要結(jié)論如下：

（1）推進(jìn)器工作過程中潤滑油液位變化結(jié)果最終趨向穩(wěn)定值，這為齒輪箱的溫度控制奠定了基礎(chǔ)。

（2）在推進(jìn)器工作之前，加注齒輪箱的潤滑油時(shí)，建議選擇0.5Hd的初始液位。

（3）不建議選用大流量的齒輪泵，一般齒輪泵流量不超過0.03 L/r。

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