一種新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置的設(shè)計

何旺星，周增康，朱發(fā)新，李偉觀，盧瑋，姚凱慧，張慧玲，鄧淇文, 周帥

（浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316022）

0 引言

船舶抵達(dá)港口時，經(jīng)常因為等候泊位、引水及接受檢疫、避風(fēng)或過泊等情況，需要在錨地拋錨，船舶一般采用電動錨機(jī)、液壓錨機(jī)或電液錨機(jī)來拋錨，以實(shí)現(xiàn)船舶制動，保持船位不變。在風(fēng)、浪、流等影響下，錨鏈產(chǎn)生很大拉力時，錨鏈輪與驅(qū)動軸、卷筒不能很好地實(shí)現(xiàn)制動，錨鏈被進(jìn)一步釋放，導(dǎo)致船舶的運(yùn)動范圍變大，可能造成船舶擱淺、碰撞等事故[1]。

為防止錨鏈進(jìn)一步被釋放，需在錨鏈輪上附加一個抵抗外界突變拉力的約束力來保持平衡。本文利用蝸桿蝸輪傳動裝置的自鎖原理[2-4]，并加以改進(jìn)，將新型蝸桿蝸輪自鎖裝置應(yīng)用于錨鏈輪上，實(shí)現(xiàn)錨鏈輪與驅(qū)動軸、卷筒的可靠制動。其改進(jìn)體現(xiàn)在兩方面：1）采用蝸桿蝸輪傳動機(jī)構(gòu)，可獲得較大傳動比，有利于船舶繃直錨鏈、回收錨爪；2）新型蝸桿蝸輪自鎖裝置的實(shí)質(zhì)是采用雙蝸桿結(jié)構(gòu)，自鎖性較好，且利用了PLC監(jiān)測裝置，可精準(zhǔn)控制錨鏈放縮的長度，有利于規(guī)范船舶在港口的停泊位置及增大停泊空間。

1 傳統(tǒng)蝸桿蝸輪傳動機(jī)構(gòu)的自鎖原理

1.1 傳統(tǒng)蝸輪蝸桿減速器基本組成及工作原理

傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪減速器[5]由傳動零件蝸桿蝸輪、軸、軸承、箱體及其附件所構(gòu)成?？煞譃槿蠡窘Y(jié)構(gòu)部分：箱體、蝸桿蝸輪、軸承與軸組合。其本質(zhì)是一種動力傳動機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電動機(jī)（馬達(dá)）減速到所要的回轉(zhuǎn)速度，從而達(dá)到傳遞幾百倍的較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)。其中箱體的作用是所有配件的基座，起固定支撐作用；蝸桿蝸輪的主要作用是傳遞兩交錯軸之間的運(yùn)動和動力。在作動力輸出時，以蝸桿為主動端，蝸輪為從動端，獲得較大傳動比，而在作自鎖時則反向，以蝸輪為主動端，蝸桿從動端；軸承與軸的作用是動力傳遞及提高效率。

1.2 傳統(tǒng)蝸桿蝸輪減速器自鎖條件

蝸桿蝸輪發(fā)生自鎖的條件[6-7]是蝸桿上升的螺旋角φ小于蝸桿蝸輪接觸的摩擦角ρ，即φ<ρ。其實(shí)際原理與斜面上的物體不下滑是一樣的，就是要求G·sin φ

工程上對于不同的蝸輪，其摩擦因數(shù)也不一樣，造成自鎖所需要的蝸桿導(dǎo)程角也不同：一般摩擦因數(shù)ρ=0.6時，蝸桿的導(dǎo)程角應(yīng)小于3°29′11″;當(dāng)摩擦因數(shù)ρ=0.7時，蝸桿導(dǎo)程角應(yīng)小于4°03′57″；當(dāng)蝸輪摩擦因數(shù)為ρ=0.8時，蝸桿的導(dǎo)程角應(yīng)小于4°38′39″。由上述數(shù)據(jù)可表明，隨著當(dāng)量摩擦因數(shù)的增加，自鎖所需的導(dǎo)程角逐漸放緩。

1.3 蝸桿蝸輪自鎖存在的問題

蝸桿蝸輪作為傳動輸出時，產(chǎn)生的摩擦損失較多，導(dǎo)致其效率比其他形式齒輪之間的傳動效率要低得多。而作為自鎖裝置時，由于摩擦損失較多，當(dāng)量摩擦因數(shù)也就相應(yīng)發(fā)生變化，螺旋升角無法低于當(dāng)量摩擦因數(shù)，自鎖也就間接失效。

其次，考慮到摩擦因數(shù)受材料表面潤滑狀態(tài)的影響，蝸桿傳動時輪齒的接觸有油膜的黏附，其結(jié)果是蝸桿的導(dǎo)程角增大，無法保持系統(tǒng)的平衡，自鎖性能大大降低。

此外，蝸桿蝸輪作為減速的裝置，其工作環(huán)境較為復(fù)雜。輪船在海上航行的過程中，容易造成輪齒之間的振動，這時蝸輪與蝸桿之間的運(yùn)動很有可能從靜摩擦變成動摩擦，摩擦因數(shù)變大，自鎖性能也變得較低。所以合理布置蝸輪與蝸桿之間的安裝位置，減少振動變得尤為重要。

2 一種新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計要求分析

本設(shè)計方案以防止錨鏈進(jìn)一步被釋放為目的，在錨鏈輪的一端加裝可調(diào)傳動比的蝸桿蝸輪自鎖裝置，配以PLC信號監(jiān)測裝置。蝸桿蝸輪自鎖裝置采用可切換動力輸入的同步器和電動機(jī)，PLC監(jiān)測裝置采用PLC控制模塊[8]、傳感器和電磁離合器[9]。本設(shè)計裝置須滿足GB/T 549-2017電焊錨鏈[10]所能夠承載的最大載荷476 kN，信號監(jiān)測裝置采用DAM-5161高速脈沖型號，滿足每一潯錨鏈（約1.822 m）的收縮信號能夠?qū)崟r傳輸，精準(zhǔn)自鎖。具體應(yīng)用于船用蝸桿蝸輪裝置的設(shè)計要求如下：1）為滿足蝸桿蝸輪自鎖配合，蝸桿設(shè)計要求應(yīng)為模數(shù)m接近15的單頭螺紋線；2）為盡可能減少潤滑帶來的人工成本，設(shè)計出由PLC控制的點(diǎn)噴噴油裝置；3）船用電動機(jī)設(shè)計功率P滿足實(shí)際市場標(biāo)準(zhǔn)，即不低于30 kW，不高于50 kW。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺設(shè)計出新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置（錨鏈固定）的工作原理如圖1所示。

圖1 蝸桿蝸輪自鎖示意圖

由圖1可知，整個蝸桿蝸輪自鎖裝置由3個部分組成：潤滑機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪傳動機(jī)構(gòu)及由PLC控制的自鎖機(jī)構(gòu)。潤滑系統(tǒng)中的活性碳罐18一方面可以通過吸收空氣中的多余的油氣，使得蝸桿蝸輪之間的嚙合潤滑效果更好；另一方面，油量傳感器17會收集活性碳罐18的油量信號反饋給PLC控制模塊13，模塊再根據(jù)油箱油液傳感器信號16，打開單向閥12，潤滑油會通過噴油嘴11均勻地噴灑而出。下面通過蝸桿蝸輪的工作狀態(tài)來進(jìn)一步說明減速傳動機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)。

1）蝸桿3為主動件，蝸輪5為從動件。當(dāng)蝸桿作為動力輸出時，此時錨爪1′處于海底底部，與錨鏈輪呈一定角度鏈接，伴隨蝸輪5和中間雙蝸桿3的轉(zhuǎn)動，船舶整體向右移動，錨爪逐步從位置1′轉(zhuǎn)為垂直位置1，位置傳感器15檢測到錨爪1位置的變化；轉(zhuǎn)速傳感器7檢測到齒輪箱6三級齒輪轉(zhuǎn)速的變化，并同時把兩者的信號反饋給PLC控制模塊8，模塊記錄錨爪垂直狀態(tài)的信號，此時錨爪開始上升。模塊8通過計算錨鏈輪所需的收縮錨鏈的速率，把錨爪1的運(yùn)動需求傳達(dá)給電磁離合器9，切換單級輸入為多級輸入，此時同步器10再對多級輸入的傳動比進(jìn)行合理地?fù)Q擋，獲得較合適的傳動比80。此為減速傳動過程。

2）蝸輪5為主動件，蝸桿3為從動件。當(dāng)錨爪1逐步上升至船舶的甲板頂端，位置傳感器15檢測到錨鏈可縮短的最大極限，立即把信號反饋給PLC控制模塊8，模塊8即刻命令同步器10由較大齒輪嚙合逐步減少為較小齒輪嚙合，傳動比減少至30。當(dāng)錨爪1到達(dá)船舶甲板時，位置傳感器15把立即停止蝸桿3轉(zhuǎn)動的信號輸送給PLC，電磁離合器9收到命令后由多級輸入轉(zhuǎn)為單級輸入固定端，并切斷動力，使得蝸桿3停止轉(zhuǎn)動。但由于蝸輪5受慣性力的影響，仍有一定的轉(zhuǎn)速。此時，兩側(cè)的蝸桿3起到了雙倍減速自鎖的作用，此為自鎖過程。

2.3 新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置主要組成零部件

1）電磁離合器。上述采用的是固定線圈式電磁離合器，有2個從動件連接孔，頂端孔用以單級輸入，尾部的孔用以多級輸入，以此改變傳動比。其作用是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩（或功率）從主動軸一側(cè)傳到從動軸一側(cè)，根據(jù)PLC的指令做出快速反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)快速啟動、制動、正反轉(zhuǎn)或調(diào)速等功能。其工作原理是通過內(nèi)外摩擦片之間的摩擦力，使機(jī)械傳動系統(tǒng)中2個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件，在主動部件不停止旋轉(zhuǎn)的情況下，從動部件可以與其結(jié)合或分離的電磁機(jī)械連接器，是一種自動執(zhí)行的電器件。

2）同步器。當(dāng)與蝸桿相連的從動齒輪和輸入端的主動齒輪發(fā)生嚙合時，如需要變換擋位，必然會發(fā)生沖擊碰撞，這存在“同步”的問題，這時設(shè)計出1個同步器就尤為關(guān)鍵。其基本原理是靠同步環(huán)的錐面在2個齒輪之間摩擦，使快的減慢，慢的加快，這里采用的是慣性同步器。

3）PLC控制模塊。該控制模塊由中央處理器、存儲器、編碼器、信號輸入輸出模塊組成，普遍用于精密零件工作狀態(tài)的監(jiān)控，其特點(diǎn)是傳輸速度快，通信功能好，不易被外界環(huán)境干擾，與其他控制器、傳感器配合使用。CAD簡圖中輸入的信號有液位傳感器、油量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位置傳感器，輸出信號為電磁離合器、油管噴嘴、齒輪箱、同步器。

4）傳感器。上述應(yīng)用的傳感器有油液傳感器、油量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及位置傳感器。其中油液傳感器的工作原理是通過感受液壓的變化，隨著液壓變化，阻值也相應(yīng)變化；油量傳感器的工作原理是根據(jù)活性碳罐收集的油量的大小，判斷空氣中的含油量信號，并反饋給處理器，從而決定是否噴油；位置傳感器的作用是傳遞錨爪上升的信號；轉(zhuǎn)速傳感器的作用是檢測蝸桿蝸輪的運(yùn)動情況。

2.4 船用新型蝸桿蝸輪自鎖裝置選型設(shè)計

2.4.1 蝸輪連接桿承受的轉(zhuǎn)矩參數(shù)

據(jù)現(xiàn)有的GB/T 549-2017 電焊錨鏈標(biāo)準(zhǔn)，選擇其中的AM3-24錨鏈。它的拉力載荷為332 kN，單位質(zhì)量為12.61 kg/m。應(yīng)用于實(shí)際船舶的受力錨鏈為6節(jié)，每節(jié)規(guī)定長度為27.5 m，錨爪的質(zhì)量為3.2 kg。錨鏈的許用應(yīng)力載荷為拉力載荷和自身重力載荷的矢量和。而錨鏈與蝸輪之間的動力輸入輸出則由一剛性連接桿傳遞，其上所承受的轉(zhuǎn)矩等同于錨鏈的切應(yīng)力載荷與受力距離的乘積，計算數(shù)值為55 110 N·mm，記為T1。

2.4.2 蝸桿蝸輪選型

對于蝸輪選型，其齒形較為復(fù)雜，由于其輸出存在較大的轉(zhuǎn)矩，蝸輪輪齒表面常常出現(xiàn)膠合、點(diǎn)蝕和磨損等失效現(xiàn)象。為盡量避免出現(xiàn)此類失效現(xiàn)象，本文敘述的蝸桿傳動均為開式傳動。其次，為獲得良好的減摩性和一定強(qiáng)度。假定蝸桿為20Cr鋼，表面淬火，硬度為58～63 HRC；蝸輪為錫青銅ZCuSn5Pb5Zn5，砂型鑄造。最后通過以下計算校核選用蝸桿蝸輪材料。

1）確定蝸輪許用應(yīng)力、蝸桿許用撓度。a.許用接觸應(yīng)力，查文獻(xiàn)[5]表12-4得［σH］=200 MPa；b.許用彎曲應(yīng)力，查文獻(xiàn)[5]表12-6得［σF］=32 MPa；c.許用撓度，由式［Y］=0.001×d1可得。

2）選擇蝸桿頭數(shù)z1，并估計傳動效率η。由i12=50查文獻(xiàn)[5]表12-2，取z1=1，則z2=i12×z1=50；由z1=1查文獻(xiàn)[5]表12-8，估計η為0.65。

3）確定蝸輪轉(zhuǎn)矩T2。T2=T1×η×i12=55110×0.65×50=1791075 N·mm。

其值小于導(dǎo)程角γ=3°30′，自鎖性較好。

7）校核彎曲強(qiáng)度。

a.確定蝸輪齒形系數(shù)YFa2，以下列公式計算當(dāng)量齒數(shù)zv：

2.4.3 電動機(jī)功率選型

蝸輪的轉(zhuǎn)動需要一定的傳動比，電動機(jī)掌握著輸入功率的大小，由以下公式可估算出保證蝸輪所需要的最少功率：

由計算可得，選擇同步轉(zhuǎn)速n1=1000 r/min擋位時，T1為55 110 N·mm可得最小功率P為5.8 kW。再由查找文獻(xiàn)可知，選擇型號為Y160M-6電動機(jī)，它的功率為7.5k W，額定轉(zhuǎn)速為n2=970 r/min。

3 結(jié)語

1）分析了傳統(tǒng)蝸輪蝸桿減速器基本組成及工作原理，并指出了現(xiàn)有蝸桿蝸輪自鎖存在的傳動輸出時，產(chǎn)生的摩擦損失較大、蝸桿的導(dǎo)程角增大時自鎖性能大大降低等問題。

2）針對現(xiàn)有蝸桿蝸輪自鎖存在的傳動輸出時產(chǎn)生的摩擦損失較大等問題，本文從其結(jié)構(gòu)、參數(shù)及組成等方面總結(jié)出一種新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置的設(shè)計要求。為滿足錨鏈固定的設(shè)計要求，從組成、結(jié)構(gòu)、成本等方面分析了該新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置，從而使錨鏈輪在監(jiān)測錨爪收縮和釋放的過程更具有可操控性。

3）利用AutoCAD平面設(shè)計軟件設(shè)計出了一種新型船用蝸桿蝸輪自鎖裝置，該裝置主要由齒輪箱、轉(zhuǎn)速傳感器、活性碳罐等組成，依靠傳遞齒輪箱上的轉(zhuǎn)速傳感器信號，實(shí)現(xiàn)蝸桿蝸輪減速傳動和自鎖的需求。而活性碳罐則提供自鎖所需要的潤滑環(huán)境。并從電磁離合器、同步器、PLC控制模塊及傳感器等方面介紹了該裝置的主要組成零部件。

4）為能夠適用于各式鋼板船，在工作性能層面對蝸輪連接桿、蝸桿蝸輪、電動機(jī)等方面進(jìn)行了選型設(shè)計。

本文的船用蝸桿蝸輪自鎖裝置屬于前期理論研究，是在滿足拋錨自鎖的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)得到的，該裝置也存在一定的不足，如蝸桿蝸輪自鎖的可靠性，兩側(cè)的雙蝸桿與蝸輪的合理布局，PLC控制模塊信號的準(zhǔn)確性，改變傳動比的同步器換擋順暢性需要進(jìn)一步討論分析。因此今后可從PLC控制系統(tǒng)的信號傳輸研究，蝸桿蝸輪自鎖力的提升，新型換擋實(shí)驗?zāi)Ｐ脱邪l(fā)、新型蝸桿蝸布局結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、實(shí)船實(shí)驗等方面做進(jìn)一步的研究。