雙速比齒輪箱的設計

王 婷 周鋒巍 馬 牛

節能減排是社會持續發展的大勢所趨，各行各業都在跟進，船舶行業也出臺了《綠色船舶規范》和《船舶能效管理認證規范》。在提高“船舶設計效能”方面，雙速比齒輪箱設計一直是重要的課題之一。本文側重于拖網漁船雙速比齒輪箱的設計，拖輪雙速比齒輪箱的設計大同小異。

拖帶船舶螺旋槳設計工況的選擇

拖帶船舶螺旋槳的設計工況，一般有三種航速可供選擇，其分別為自由航速、拖帶航速和折中航速。就定距槳而言，如果按自由航行工況設計螺旋槳，當自由航行時，船、機、槳的匹配達到最佳狀態，主機功率可以全部發揮，自由航行的航速會達到最大值；但在拖帶時，螺旋槳的進速系數變小，轉速降低，轉矩系數加大，主機受額定轉矩的限制，功率不能全部發揮，螺旋槳的推力會相對偏小。反之，如果按拖帶工況設計螺旋槳，當拖帶航行時，船、機、槳的匹配達到最佳狀態，主機功率可以全部發揮，螺旋槳的推力達到最大值；但在自由航行時，螺旋槳轉矩變小，主機受額定轉速所限，功率也不能全部發揮，航速會相對偏低。為均衡上述利弊，也可以選折中的航速進行設計。具體工況的選擇，需要抓住主要矛盾之后再行決定。例如，救助拖輪應盡快趕到發生事故的水域進行救助，其主要矛盾是追求最大航速，拖力略低一些則無關大局，故螺旋槳應按自由航行的工況進行設計；港作拖輪的主要矛盾是獲取最大的拖力，其航程有限，航速略低沒有關系，故螺旋槳應按拖航工況設計；其他拖輪的螺旋槳視情況也可以按折中工況進行設計。

拖網漁船作業的特點

拖網漁船存在兩種典型的作業工況，一種是自由航行工況，另一種是拖網工況。多年的統計結果表明，在航次作業中，拖網時間要占70%，自由航行時間只占30%。大部分漁船的拖網航速約為3.5kn～4.5kn，自由航行的航速約為10kn～12kn。在不同的航速中，船舶阻力、螺旋槳推力與所需主機功率大不相同。從經濟、節能的角度考慮，不論是拖網還是自由航行，若主機功率都能充分發揮，并達到與船舶阻力和螺旋槳推力良好的匹配，就能取得經濟節能的效果。該類設計可以有兩種選擇，一是采用可調螺距螺旋槳，二是采用雙速比齒輪箱。兩者相比，雙速比齒輪箱具有簡單可靠、維修方便和造價低廉等特點，漁民樂于接受，推廣應用會更加容易。

拖網漁船雙速比齒輪箱設計工況的選擇

對于雙速比齒輪箱的設計，有一級減速比和二級減速比之分。一級減速比就是按初選設計工況為自由航行（或拖網）設計螺旋槳，在船機槳最佳匹配時，求取航速（或推力）最大的螺旋槳轉速所決定的減速比。二級減速比就是按已經確定的螺旋槳，調整在另一個工況下的轉速，在主機發揮全功率的情況下，由推力（或航速）最大的螺旋槳轉速所決定的減速比。

拖網漁船不會先按折中工況設計好螺旋槳之后，再反推自航和拖網工況的雙級減速比。但在一級減速比究竟按自航工況設計還是按拖網工況進行設計的問題上，一直存在有不同的見解，畢竟一級減速比追求的目標都會小有優勢。有人認為按自由航行設計時航速快，可以快去、快回和快速轉移漁場，節省時間，增加捕撈效益，故一級減速比按自由航行設計為好。有人認為按拖網工況設計時螺旋槳推力大，拖速快，逃魚率低，同樣拖網時間掃海面積大，捕撈量大，效益高，故一級減速比按拖網工況設計為好。究竟如何，應以經濟分析的結論為準。

兩種方案經濟效益的對比

現有某441kW拖網漁船，其方案A的一級減速比按自由航行設計，航速可達11.50kn，其在二級減速比拖網時最大拖速是3.78kn；其方案B的一級減速比按拖網4.00kn的工況設計，其在二級減速比自由航行時，最大航速是11.31kn。現按十天一個航次作業240h計，其中，拖網時間占70%，自由航行時間占30%，兩方案時效對比的情況如下：

方案A一個航次作業240h的全程，由方案B完成所需要的時間。

240（11.50/11.31×0.3+3.78/4.00×0.7）=231.97h

方案B一個航次作業240h的全程，由方案A完成所需要的時間。

240（11.31/11.50×0.3+4.00/3.78×0.7）=248.59h

以上計算表明，一個航次相同的作業過程，方案B要比方案A節省8個多小時。大約相當于每個航次可以多拖3個網次，若概略估算，大約可以增收4.78%（8.03/（240×0.7）=0.478）。可以說，拖網漁船齒輪箱的一級減速比按拖網航速設計是最佳方案。

設計案例

以上是拖網漁船雙級減速箱設計的工況選擇，具體設計尚需注意若干問題。例如，理論上是低轉速大直徑的螺旋槳效率高，但并不是直徑越大轉速越低越好，超過一定限度后其效率反而會下降，這從圖譜環形的等效曲線可以明顯地看出，最高效率的極值點很小很小，且只能有唯一的組合，其他組合偏離了極值點的效率都會下降。另外，螺旋槳直徑還要受到船體艉框的限制，低轉速也要受到大減速比齒輪箱的尺度、生產工藝等限制，故設計時只能取得某種條件下的最佳，而不是絕對的最佳。現將其設計步驟分述如下：

1.已知條件

主機額定轉速NH=1500r/min，主機額定功率PB=635ps；軸系傳遞效率ηS=0.945，相對旋轉效率ηR=1.0，螺旋槳收到功率PD=PBηS=600ps；伴流分數w=0.213，推力減額分數t=0.205；拖網速度Vt=4.0kn，VA=0.5145（1-w）Vt=1.62m/s ；船身效率ηH=（1-t）/（1-w）=1.01 ；船舶有效馬力曲線PE=（VK）。

2.按拖網工況設計確定第一級轉速N1及減速比i1

（1）先按艉框允許最大螺旋槳直徑D（本船D=2.4m）及齒輪箱可取的最低轉速N設計螺旋槳，最低轉速N由齒輪箱廠的生產能力以及齒輪箱尺寸大小的限制來確定，本船取N=180r/min；

（2）保持轉速N不變，降低一檔槳徑（本計算取D2=2.2m）進行計算，然后和（1）D=2.4m計算的推力大小進行比較；

（3）若直徑減小后推力增大，則再降低一檔槳徑進行第3次計算；若推力變小，則第3次用反向插值中間的槳徑（本計算取2.3m）來計算推力；直至可以畫出曲線的走勢，并能按曲線極值點插值出最佳直徑的螺旋槳為止（曲線的走勢一般有3點就可以大致決定）。

上述（1）（2）（3）的計算步驟見表1。

（4）由表1可以看出，槳徑2.4m推力最大。現保持槳型不變，變換轉速，計算高于最低轉速180r/min時的推力，看看是否有推力更佳的轉速。方法類似上述（3），找出曲線走勢后，按曲線極值插值出最佳轉速N1，具體計算見表2。

由表1、表2計算可以看出，由最大推力T=8425kg決定的MAU4-55螺旋槳要素為:

D=2.4m；P/D=0.76；N1=180r/min；雙速箱的第一級減速比為i1=1500 ：180=8.33:1。

（5）此時可以先進行空泡校核，因空泡多發生在螺旋槳重負荷工況，滿足拖網空泡的螺旋槳，自由航行時一般不會產生空泡。其校核方法（過程省略）是：

①若不滿足空泡要求，直接按上述決定的D及N1，加大葉面比為0.70選取螺旋槳，然后插值出葉面比滿足空泡要求的螺旋槳（葉面比AE/AO=XX、螺距比P/D及推力T）。直接按D及N1進行計算比較簡單，且對最佳螺旋槳并無大的影響。當然，如果以新的葉面比按表1～表2的形式確定出另一只新槳，再去插值滿足空泡的螺旋槳，當然更好了；

②若已經滿足空泡要求，且空泡余量有限，可以確認該MAU4-55螺旋槳即為設計槳。

③若已經滿足空泡要求，且空泡的余量較大，可以減小葉面比為0.40按上述D及N1選取螺旋槳，然后插值出新的葉面比為XX滿足空泡的螺旋槳。

表1 變換直徑選擇最大推力的螺旋槳（按MAU4-55）

表2 變換轉速選擇第一級轉速N1（按MAU4-55）

表3 求取可達到的自由航速（MAU4-XX槳，D=2.4m，P/D=0.76）

3.按自由航行工況計算第二級轉速N2及減速比i2

（1）按上述最終確定D=2.4m、P/D=0.76的MAU4-XX槳，用變換轉速來求取可達的自由航速，具體步驟見表3。

（2）用表3插值出的VK，在假定的轉速上插值出對應的第二級轉速N2。

（3）用N2可以計算出第二級轉速比i2=（1500/N2）: 1

4.其他

（1） 經拖網工況校核滿足空泡要求的螺旋槳，其自由航行一般都不會發生空泡，可以不再進行空泡校核。

（2）圖譜槳雖然極少產生強度問題，但螺旋槳強度校核的程序仍要履行。

（3）以上僅為演示計算的過程，表列的圖譜插值等難免有誤，僅供參考。