挖泥船疏浚傳動齒輪箱全生命周期管理系統(tǒng)研究

張雷 袁瑞軍 杜巧玲 李娜 吳育芳

摘? ? 要：本文簡要介紹了挖泥船疏浚傳動齒輪箱的全生命周期管理系統(tǒng)研究。通過滑油在線檢測和其他輔助檢測手段，對大型傳動齒輪箱關鍵運動部件的磨損和潛在故障進行建模分析，提出解決傳動齒輪箱動態(tài)診斷和計劃維護方案，以提高挖泥船傳動齒輪箱全生命周期維護使用的科學性和經(jīng)濟性。

關鍵詞：挖泥船；傳動齒輪箱；滑油；溫度；健康管理

中圖分類號：U664.22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Full Lifecycle Management System for Dredging Transmission Gearboxes of Dredger

ZHANG Lei，? YUAN Ruijun，? DU Qiaoling，? LI Na，? WU Yufang

（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd.，? Guangzhou 511462 ）

Abstract： This paper outlines the full lifecycle management system research on dredging transmission gearbox of dredger. Through lubeoil on-line detection and other auxiliary checking methods， a model is established for analyzing the wear & tear and potential faults for key moving parts of large transmission gearbox and the dynamic diagnosis and plan maintenance schemes are proposed for solvement of transmission gearbox， so as to improve the scientific & economic full lifecycle usage and maintenance for dredger transmission gearbox.

Key words： dredger;? driving gearbox;L.O.;? temperature;? health management

1? ? ?前言

傳動齒輪箱是挖泥船疏浚系統(tǒng)的常用設備，在泥泵和絞刀等疏浚裝備的驅(qū)動系統(tǒng)真起作重要作用。在疏浚作業(yè)工況下，傳動齒輪箱往往會受到各種震動因素影響而造成其部件受損，其中軸承和傳動齒輪尤其頻繁。而傳動齒輪箱通常結構緊湊，有效檢修空間受限，其故障檢測難，且難以有效預測。發(fā)生故障后往往易造成較大的經(jīng)濟損失。本文對挖泥船傳動齒輪箱全生命周期管理系統(tǒng)進行研究，以減少其故障隱患，提高產(chǎn)品全生命周期內(nèi)維護使用的科學性和經(jīng)濟性。

2? ?傳動齒輪箱基本情況

以絞吸式挖泥船為例，通常其疏浚作業(yè)裝備系統(tǒng)包括：泥泵系統(tǒng)、絞刀系統(tǒng)、高壓沖水泵系統(tǒng)等。主要設備由原動機（電機或柴油機）、傳動齒輪箱、疏浚設備（泥泵、絞刀、高壓沖水泵）組成。疏浚傳動齒輪箱在系統(tǒng)中起著變速和傳遞動力的作用。一旦傳動齒輪箱出現(xiàn)故障，會造成疏浚作業(yè)裝備系統(tǒng)癱瘓。因此傳動齒輪箱的健康是疏浚系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)的重要保障。

3? ? 挖泥船傳遞齒輪箱的健康運維分析

針對傳動齒輪箱運維的重點目標，通過故障的特征提取和共性整合，采取振動在線檢測系統(tǒng)、滑油檢測系統(tǒng)和溫度檢測系統(tǒng)方案進行復合評估，實施對傳動齒輪箱多維度的健康診斷。

基于齒輪箱的磨損和機械損傷具有時間累積性的特點，采用基于微分求導的數(shù)學方法進行診斷分析，通過基于時間的微分比對，通過不同的取樣參數(shù)變化率實現(xiàn)對未來惡性事故的預判。

3.1? ?動齒輪箱軸承的磨損檢測

傳動齒輪箱的軸承通常有兩種型式：滾動軸承和滑動軸承。采用問題反向推導法，可以得出軸承的損傷所會引起以下主要問題：1）因為軸承損傷造成摩擦系數(shù)增加，而引起軸承成溫度升高；2）單點損傷會在旋轉(zhuǎn)運動中引起軸承異常周期振動；3）滑動軸承采用循環(huán)滑油進行潤滑冷卻的過程中會帶走超出正常的機械磨損金屬屑。

基于以上的目標問題，可以采用以下方案進行數(shù)學建模解決：

1）承機械損傷的直接反應就是軸承溫度升高。軸承工作溫度與軸承的冷卻方式和設備工作負荷直接相關，因此軸承溫度的判定需要和環(huán)境溫度及工作負荷關聯(lián)起來，可以通過以下模型公式實現(xiàn)診斷：

TM=AxxLW/L0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

診斷策略說明：

D=（TM2-TM1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

C=（D2-D1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：D ——軸承工作溫度變化率；

TM ——軸承等效工作溫度；

C ——軸承溫升惡化指數(shù)；

t ——信號采樣時間；

A ——工程系數(shù)，初定取1，實際中根據(jù)相關數(shù)據(jù)進行修正；

TF1 ——環(huán)境溫度，為即時環(huán)境溫度值；

TF0 ——標定環(huán)境溫度，為設備工作設計或起始標定的環(huán)境溫度；

L0 ——軸承設計滿負荷，為對應設備的最大負荷值或系統(tǒng)標定時負荷值）；

LW ——軸承工作負荷，為設備即時工作負荷。

系統(tǒng)中設置三個報警：軸承工作溫度高Ta報警--安全停機報警；軸承工作溫度變化率Da報警--工作溫度變化率超標，存在機械磨損可能；軸承溫升惡化指數(shù)Ca報警--機械磨損加劇報警，需要盡快維修。

軸承維護周期T可以采用以下維護計算模型：

T=（Ta-TW）/D/C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：T ——軸承維護周期預判時間；

Ta ——軸承高溫報警值；

TW ——本次軸承溫度等效檢測值；

D ——最新單位時間變化率；

C ——最新的軸承溫升惡化指數(shù)。

軸承的維護管理方案則基于以上的研究成果和軸承備件的訂購制造時間和轉(zhuǎn)運管理時間來制定備件采購管理計劃。軸承訂購管理時間可以采用如下數(shù)學模型表達：

T預期=Ax（T訂貨+T轉(zhuǎn)運管理）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：T預期：軸承備件到貨周期；

A ——管理安全系數(shù)，一般取1-1.2，根據(jù)具體疏浚管理公司的管理效率；

T訂貨 ——軸承制造公司的交貨周期；

T轉(zhuǎn)運管理 ——軸承轉(zhuǎn)運到需求目標位置的時間。

2）產(chǎn)生振動原因通常是由于傳動齒機械損傷造成。隨著損傷程度增加，振動振幅加劇。因此可以基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和時間軸進行求導。例如，某7 800 kW絞吸挖泥船在線振動檢測系統(tǒng)設計方案如下：

采用以下診斷模型公式進行磨損診斷，確定監(jiān)測傳感器頻段（檢測轉(zhuǎn)速）：

f=（V2-V1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

α=（f2-f1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：f ——振動幅度變化率；

α ——振動惡化指數(shù)；

V ——特定頻率的振幅；

t ——信號采樣時間。

系統(tǒng)中設置三個報警：振幅Va報警；振幅變化率f報警；振動惡化指數(shù)α報警。

軸承的維護周期T可以采用以下維護計算模型：

T=（Va-V）/ f /α? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

式中：T ——安全檢修維護周期預判時間；

Va ——最大振幅報警值；

V ——本次振幅檢測值；

f ——最新振幅單位時間變化率；

α ——最新振幅惡化指數(shù)。

3）采用滑動軸承型式的齒輪箱，可以進一步采用滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)對滑油內(nèi)磨損金屬顆粒度的變化進行進一步的診斷。液位金屬顆粒度密度的增加會造成滑油顆粒度監(jiān)測或介電常數(shù)監(jiān)測值的變化和報警，因此可以采用基于時間軸的滑油介電常數(shù)變化率進行輔助監(jiān)測，可以采用以下診斷模型公式進行磨損診斷：

μ=（Ω2-Ω1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

r=（λ2-λ1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中：μ ——滑油介電常數(shù)變化率；

Ω ——滑油介電常數(shù)；

r ——滑油介電常數(shù)惡化指數(shù)；

t ——信號采樣時間。

系統(tǒng)中設置三個報警：

介電常數(shù)Ω報警：滑油介電常數(shù)超標，滑油更換報警；

介電常數(shù)變化率λ報警：滑油介電常數(shù)變化率超標，有異常金屬磨損產(chǎn)生；

滑油惡化指數(shù)r報警：齒輪箱機械磨損量高報警，需要盡快停機維修。

滑動軸承滑油維護周期T可以采用以下維護數(shù)學模型計算：

T=（Ωa-Ω）/μ/r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中：T ——滑油更換維護周期預判時間；

Ωa ——介電常數(shù)報警值；

Ω ——介電常數(shù)本次檢測值；

μ ——介電常數(shù)最新單位時間變化率。

3.2? ?齒輪箱潤滑油維護方案

周期性更換齒輪箱滑油是其運維工作的主要任務之一。目前疏浚傳動齒輪箱的滑油日常維護是基于時間進行的，與該機械傳動系統(tǒng)滑油運維的實際需求不一致。為了保證設備潤滑安全，采用周期性更新滑油的運維方法，其滑油的物理和化學性質(zhì)往往未能達到極限值，勢必會造成浪費。為此，推薦采用滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)基于滑油性質(zhì)變化的滑油按需維護，其可對傳動齒輪中的異常故障實現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)和預警。

在船舶工程應用中，同類設備往往采用相同品牌和規(guī)格的滑油，通常其滑油的參數(shù)不會產(chǎn)生跳躍式變化。因此，可以采用巡檢方式對多個齒輪箱進行周期性監(jiān)控，以提高其維護經(jīng)濟性。

基于傳動齒輪箱滑油物理和化學特性安全，對滑油的含水量、介電常數(shù)、粘度和顆粒度進行檢測和數(shù)學分析，通過建立負復合數(shù)學表達模型實現(xiàn)齒輪箱滑油的運維管理。

1）含水量檢測：滑油含水量的提高主要來源于空氣含水量、滑油相關成分的分解和水冷卻器泄露等。通常齒輪箱長期處于封閉運行，空氣含水量對滑油含水量的影響不大，因此含水量的變化主要來源于冷卻器泄露和滑油成分的分解。

滑油含水量的分析主要采用基于時間的一次導數(shù)和二次導數(shù)實現(xiàn)原因分析和維護預測。運維診斷公式可以表達如下：

λ=（?2- ?1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

θ=（λ2-λ1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

式中：λ —— 滑油含水量變化率；

? ——滑油含水量參數(shù)；

θ——滑油含水量惡化指數(shù)；

t ——信號采樣時間。

系統(tǒng)中設置三個報警：含水量?a報警；含水量變化率λ報警；滑油惡化指數(shù)θ報警。

滑油維護周期T可以建立滑油運維管理數(shù)學模型，其表達為：

T=（?a- ?）/λ/θ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

式中：T ——滑油更換維護周期預判時間；

?a ——含水量報警值；

? ——含水量本次檢測值；

λ ——含水量最新單位時間變化率。

2）介電常數(shù)檢測與分析：滑油介電常數(shù)的升高主要原因是來源于含水量提高和滑油內(nèi)金屬顆粒密度的提高，因此介電常數(shù)結合含水量的檢測可以反應出滑油內(nèi)金屬顆粒密度。

滑油介電常數(shù)的分析方法主要采用基于時間的一次導數(shù)和二次導數(shù)實現(xiàn)原因分析和維護預測，運維診斷公式可以表達為：

μ=（Ω2-Ω1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

r=（λ2-λ1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（16）

式中：μ ——滑油介電常數(shù)變化率；

Ω ——滑油介電常數(shù)；

r ——滑油介電常數(shù)惡化指數(shù)。

系統(tǒng)中設置三個報警：介電常數(shù)Ωa報警；介電常數(shù)變化率λ報警；滑油惡化指數(shù)r報警。

滑油維護周期T可以建立滑油運維管理數(shù)學模型，其表達為：

T=（Ωa-Ω）/μ/r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（17）

式中：T ——滑油更換維護周期預判時間；

Ωa ——介電常數(shù)報警值；

Ω ——介電常數(shù)本次檢測值；

μ ——介電常數(shù)最新單位時間變化率。

3）滑油粘度檢測：滑油粘度指標是滑油有效作業(yè)的基本指標數(shù)據(jù)?；驼扯仁艿綔囟群突捅旧淼奈锢硖匦噪p重影響，因此滑油粘度需要結合滑油溫度進行修正，以有效反應出滑油粘度的狀態(tài)。對于離線式檢測，可采取標定溫度下的粘度檢測，避免溫度帶來的粘度誤差。

滑油粘度的分析方法主要采用基于時間的一次導數(shù)和二次導數(shù)實現(xiàn)維護預測，運維診斷公式可以表達為：

a=（ρ2-ρ1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （18）

b=（a2-a1）/（t2-t1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（19）

式中：a ——滑油粘度變化率；

ρ ——滑油粘度系數(shù)；

b ——滑油粘度惡化指數(shù)。

系統(tǒng)中設置三個報警：粘度ρ報警；滑油粘度變化率a報警；滑油粘度惡化指數(shù)b報警。

滑油維護周期T可以建立滑油運維管理數(shù)學模型，管理數(shù)學模型表達為：

T=（ρa-ρ）/a? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （20）

式中：T ——滑油更換維護周期預判時間；

ρa ——滑油粘度報警值；

ρ ——滑油粘度本次檢測值；

a ——滑油粘度最新單位時間變化率。

4）顆粒度監(jiān)測：滑油顆粒度指標是表示滑油內(nèi)含有技術顆粒的指標數(shù)據(jù)，異常大尺寸的顆粒反應齒輪箱內(nèi)的有異常磨損。顆粒度監(jiān)測指標直接反應機械構件的異常磨損，顆粒度報警反應異常損傷：顆粒度Ma報警—異常磨損或損傷。

滑油的維護管理方案宜參照以上的研究成果，基于滑油的訂購時間和轉(zhuǎn)運管理時間來制定滑油更換、采購管理計劃?；陀嗁徆芾頃r間可以采用如下數(shù)學模型表達：

T預期=Ax（T訂貨+T轉(zhuǎn)運管理）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（21）

式中：T預期——滑油備品到貨周期；

A——管理安全系數(shù)，一般取1～1.2，根據(jù)具體公司的管理效率；

T訂貨——滑油供應商的交貨周期；

T轉(zhuǎn)運管理——滑油轉(zhuǎn)運到需求目標位置的時間。

在維護預期時間的選擇上，取滑油含水量維護預警時間、滑油介電常數(shù)維護預警時間、滑油粘度維護預警時間三者中短者，即以三者維護預警時間先到達滑油備用采購管理維護周期預設定時間為準，激活滑油備用采購管理流程，進行相應滑油備用的采購管理。

3.3? ?輪輪箱傳動齒異常檢測

齒輪箱的正常作業(yè)是通過傳動傳動齒輪的齒間嚙合實現(xiàn)的。其傳動齒輪的機械損傷通常反應兩種現(xiàn)象：異常振動和滑油顆粒度異常。

異常振動的檢測報警方法也是基于特定頻率下振幅的變化，定位損傷齒輪的位置則基于異常振動的頻率點。根據(jù)齒輪箱的設計數(shù)據(jù)可以得到傳動齒的齒數(shù)為N1、N21、N22、N31、...Nn2，則特定傳動齒輪的旋轉(zhuǎn)周期是基于驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速和其齒數(shù)，可以建立診斷模型采樣頻率f：

f1=N

f2=NxN21/N1

f3=NxN21/N1xN31/N22…

結合每個采樣頻率點的異常振幅變化率，可以實現(xiàn)對損傷齒輪的初步定位。通過異常振幅的重疊頻率點可以精確定位具體損傷齒輪的位置。齒輪損傷惡化評估可采用振動檢測法，即系統(tǒng)中設置三個報警用于評估異常齒輪的惡化程度：振幅V報警；振幅變化率f報警；振動惡化指數(shù)α報警。

4? ? 結束語

不同挖泥船型往往采用不同功率、不同結構和不同型式的傳動齒輪箱。而不同結構和型式的傳動齒輪箱，其全生命周期管理系統(tǒng)構建模型和方案也具有較大差異。采用智能分析技術協(xié)助實現(xiàn)疏浚裝備全面技術提升是當前疏浚行業(yè)須迫切解決的問題，為此，需要不斷完善和補充配套智能診斷技術以滿足各種需求，以提高疏浚裝備系統(tǒng)運營的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，提升挖泥船的作業(yè)效率和運營經(jīng)濟性。

參考文獻

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[2] 董國寶.艦船柴油機滑油含水量的自動檢測與報警[J]．機電設備，2000（02）．

基金項目：疏浚船舶智能作業(yè)系統(tǒng)開發(fā)項目[工信部裝函（2019）360號]

作者簡介：張? 雷（1973- ），男，研究員級高工。主要從事船舶與海洋工程設計與研究工作。

袁瑞軍（1971- ），男，研究員級高工。主要從事船舶與海洋工程項目開發(fā)與研究工作。

收稿日期：2022-12-03