雙機并車齒輪箱在電力推進船舶上的應用分析

朱陳程 趙新穎

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092)

雙機并車齒輪箱在電力推進船舶上的應用分析

朱陳程 趙新穎

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092)

電力推進系統已經在船舶得到推廣應用。為更好的匹配電力推進船舶在多種工況下的運行,可使用雙電動機作為船舶的主動力。本文通過分析雙電動機的輸出狀態,提出了推進系統對雙機并車齒輪箱的技術要求,并結合具體的電力推進船型分析了一款齒輪箱的應用特點。

齒輪箱 雙機并車 電力推進 船舶

1 應用現狀

電力推進系統已經成為船舶動力系統的一個重要分支。對于有多工況作業要求的船舶，如拖船、漁船或工程船，為了更好的實現船機槳或船機槳網的匹配，采用雙電動機作為主動力裝置。對于雙電動機單螺旋槳的推進系統，需要適用雙機并車齒輪箱來完成動力輸出。另外，雙電機能適應船舶一些特殊情況的發生，提高船舶的可靠性，如果一臺電動機出現故障，另外一臺還能使用。

因此，雙機并車齒輪箱在電力推進船舶上的應用具有積極的現實意義。但是，由于電推系統還不夠成熟，在實踐中的應用還存在一些問題和不足，如電動機在運行過程中的負荷變化，以及單機運行時負載不均，均會對齒輪箱結構造成影響。如何解決這些問題成為一個重要的研究課題。本文主要從雙機運行與單機運行對齒輪箱的不同影響入手，優化齒輪箱結構，使其滿足要求。

2 雙機并車齒輪箱的技術要求

雙機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置在齒輪箱箱體中，與每一個輸入軸連接。

兩臺推進電機同時運行時，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速會存在一定的差異，需要在齒輪設計中考慮最大差異值。由于推進電機的動力輸出相對柴油機較為平緩，因此對齒輪的沖擊較小，抗沖擊冗余可適當降低。

單臺推進電機運行時，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動的輸入軸的影響。

由上文可知，雙機并車齒輪箱在實際使用中面臨的問題是解決不同輸出狀態下，齒輪載荷的匹配問題;以及改進并車齒輪箱的操控以實現多工況。

關于齒輪載荷的研究，現在較常使用有限元分析法對齒輪結構進行優化。在仿真平臺上驗證齒輪是否能承受推進系統的動力變化沖擊。而對齒輪箱控制系統來說，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現各種工況。其中，對離合器的操縱是最關鍵的。

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，一般在柴油機雙機并車的推進系統中使用。而采用推進電機作為主動力時，動力裝置輸出軸與齒輪箱輸入軸間振動較平穩，因此可采用傳遞效率更高的摩擦式離合器。

3 應用實例

現有一艘在南海作業的電力推進金槍魚延繩釣船，考慮到南海的作業工況以及船東需求，采用雙機單槳動力系統，需要對雙機并車齒輪箱選型。

在設計該齒輪箱時，需要提供推進電機的最大功率及轉速以及推進曲線圖，并根據延繩釣船的作業特點，確定數個不同的工況點，如正常航行、高速航行、滿載航行、放釣、起釣等，提供各工況的數據，包括對應的電機功率、螺旋槳轉速。根據這些數據綜合確定齒輪的最佳減速比、所需承受的最大推力等。

雙機并車齒輪箱內齒輪空間布置需要根據兩個輸入軸的相對位置、輸出軸的位置進行調整。在機艙布置允許情況下，輸入軸應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，因此齒輪箱安裝基座上的鉸制螺孔通常是設置于前后方向。由于漁船尾部空間非常狹小，需要在滿足齒輪結構強度的基礎上，需要盡量減小齒輪箱的外形尺寸。

4 結語

雙機單槳推進系統能在主動力裝置部分失效時保證船舶能正常運行，但由于柴油機雙機并車操作復雜，對齒輪箱要求較高，因此實際應用不多。而由于推進電機運行的平穩性，電推系統采用雙機單槳模式對電機并車操作簡單，對齒輪箱沖擊不大，因此應用前景更為廣泛。雙機并車齒輪箱在設計中需要從具體的使用條件出發，根據需求確定技術條件，并通過仿真模擬優化結構，最終完成整個選型設計。

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