中速柴油機(jī)盤車機(jī)開發(fā)與設(shè)計(jì)

洪德新

（中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

0 引言

大功率柴油機(jī)通常作為船用主機(jī)，是船舶最重要、最核心的設(shè)備之一。作為船用主機(jī)的盤車機(jī)構(gòu)，盤車機(jī)可以帶動(dòng)主機(jī)飛輪的盤車運(yùn)轉(zhuǎn)，通過外力調(diào)整主機(jī)活塞位置，使主機(jī)活塞處于最佳位置；在船用主機(jī)組裝時(shí)，通過盤車機(jī)帶動(dòng)飛輪可用來檢驗(yàn)主機(jī)活塞等部件的配合是否滿足要求；盤車機(jī)還可用于調(diào)整主機(jī)缸體內(nèi)的空間位置，方便裝配和試驗(yàn)，也方便使用人員觀察缸體的情況。根據(jù)柴油機(jī)規(guī)格及功率大小的不同，盤車機(jī)的性能指標(biāo)、外形結(jié)構(gòu)、安裝方式會(huì)有所不同。PA機(jī)為法國熱機(jī)協(xié)會(huì)開發(fā)的中速機(jī)型，在國外，其盤車機(jī)是成熟產(chǎn)品，主要使用蝸輪蝸桿和行星輪 2種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該產(chǎn)品供貨周期長、產(chǎn)品外形單一、采購成本和維修成本較高。目前，國內(nèi)盤車機(jī)制造廠商推出的、能夠滿足船用主機(jī)實(shí)際使用要求的盤車機(jī)產(chǎn)品一般使用行星輪或蝸輪蝸桿這 2種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，比對(duì) 2種機(jī)構(gòu)的可靠性，優(yōu)先選用采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的盤車機(jī)。

1 盤車機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證

在熟悉PA機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以16PA6盤車機(jī)為例，進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

1.1 盤車機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

盤車機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：1）扭矩為440 N·m；2）減速比為 1∶40；3）柴油機(jī)/電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比為1∶765.3；4）啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)。盤車機(jī)使用 Y-H型船用電機(jī)，電機(jī)功率2.2 kW、轉(zhuǎn)速940 r/min（同步轉(zhuǎn)速960 r/min）、防護(hù)等級(jí)IP55、絕緣等級(jí)F級(jí)。輸入電源為三相AC380 V/50 Hz。

盤車機(jī)減速機(jī)構(gòu)中，蝸輪輪轂材料為合金鑄鐵，輪緣材料為磷青銅，蝸桿材料為淬火鋼。盤車機(jī)殼體由鑄鐵澆鑄而成。

1.2 盤車機(jī)的基本設(shè)計(jì)計(jì)算

蝸桿頭數(shù)Z1=1，減速比i=40，蝸輪齒數(shù)Z2=i×Z1=1×40=40，電機(jī)效率 79%，P2=0.79×P=0.79×2.2=1.738 kW，蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率η≈65%，輸入扭矩[1]T1=9 550×P2/n=9 550×1.738/940 =17.66 N·m，輸出扭矩T2=η×i×T1=0.65×40×17.66≈459.2 N·m。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)PA機(jī)盤車機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速及自鎖的要求，同時(shí)考慮到空間的限制，采用具備體積小、減速精度高、自鎖性好、輸出扭矩穩(wěn)定、噪音低等優(yōu)點(diǎn)的蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。同時(shí)，對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)部件的加工精度、材料強(qiáng)度提出要求。盤車機(jī)外形總圖如圖1所示。

圖1 盤車機(jī)外形總圖

1.3.1 傳動(dòng)減速裝置

盤車機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一是減速裝置，電機(jī)通過減速裝置帶動(dòng)盤齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)主機(jī)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。減速裝置使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，如圖2、圖3所示。設(shè)計(jì)減速裝置時(shí)，需要將電機(jī)轉(zhuǎn)速和盤齒的轉(zhuǎn)速要求作為基礎(chǔ)數(shù)值，并綜合考慮額定負(fù)載、超載的工作時(shí)間等因素。結(jié)合減速箱形狀大小的要求，確定蝸輪蝸桿的形狀大小、尺寸模數(shù)以及所用材料，再進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度校核計(jì)算。

圖2 蝸輪

圖3 蝸桿

根據(jù)盤車機(jī)的工況條件，參照1.1和1.2中盤車機(jī)的技術(shù)要求和初步計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行蝸輪的強(qiáng)度校驗(yàn)。蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力[σH]為393.762 N/mm2，許用彎曲應(yīng)力[σF]為 158.333 N/mm2。

1）蝸輪齒面的接觸應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中：KA為使用系數(shù)；KV為動(dòng)載系數(shù)；Kβ為載荷分布系數(shù)。

2）蝸輪齒根的彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的計(jì)算公式為

必須同時(shí)保證σH≤[σH]和σF≤[σF]，否則校驗(yàn)失敗，須重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)[2]。計(jì)算得：蝸輪齒面接觸強(qiáng)度σH為379.514 N/mm2，蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度σF為84.932 N/mm2。σH≤[σH]，σF≤[σF]，蝸輪蝸桿的強(qiáng)度滿足使用要求。

1.3.2 提升正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸出扭矩的穩(wěn)定性和一致性

盤車機(jī)在運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來改變柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，此時(shí)，要求正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的輸出扭矩穩(wěn)定一致。

利用磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載，搭建了盤車機(jī)扭矩測試平臺(tái)和測試設(shè)備，如圖 4所示。通過轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，讀取盤車機(jī)扭矩和功率信息，配合輸入電流電壓，得出盤車機(jī)的運(yùn)行效率。

圖4 盤車機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)、測試設(shè)備

盤車機(jī)按試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行了試驗(yàn)，包括一般檢查、空載運(yùn)行試驗(yàn)、額定負(fù)載試驗(yàn)、啟動(dòng)停止試驗(yàn)等項(xiàng)目，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目

通過調(diào)整蝸輪蝸桿的間隙，記錄正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的各1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2、表3。

表2 負(fù)載試驗(yàn)（正轉(zhuǎn)）記錄表

表3 負(fù)載試驗(yàn)（反轉(zhuǎn)）記錄表

從表 2、表 3可以看出：盤車機(jī)實(shí)測正轉(zhuǎn)扭矩在475 N·m～480 N·m 之間；實(shí)測反轉(zhuǎn)扭矩在 475 N·m～483 N·m之間；2組正、反轉(zhuǎn)扭矩均大于459.2 N·m，能滿足設(shè)計(jì)要求，也大于技術(shù)要求的440 N·m，可認(rèn)為該盤車機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸出扭矩的穩(wěn)定性好、一致性較好。

1.3.3 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳動(dòng)效率的驗(yàn)證計(jì)算

讀取表2、表3中盤車機(jī)扭矩和功率信息，配合輸入電流電壓，來驗(yàn)證計(jì)算盤車機(jī)的運(yùn)行效率。

從上文可知：輸入扭矩Tin=9550×P/n；輸出扭矩Tout=η×i×Tin[3]。當(dāng)輸出扭矩取 475 N·m 時(shí)，代入可得傳動(dòng)效率η=0.67，大于設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所取得 0.65的傳動(dòng)效率。

2 結(jié)論

在盤車機(jī)的開發(fā)過程中，進(jìn)行了理論計(jì)算、解決了關(guān)鍵技術(shù)、進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算驗(yàn)證，得到的盤車機(jī)正、反轉(zhuǎn)扭矩穩(wěn)定性好、一致性較好，能夠滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。在與柴油機(jī)實(shí)際聯(lián)機(jī)試驗(yàn)后，也取得了良好的效果。