船用齒輪箱機械封閉式試驗臺開發及應用

曾翰雅++任早早++安康

摘 要：船用齒輪箱是船舶傳動系統動力傳遞過程中的關鍵部件，其性能直接影響設備的動力性、經濟性及可靠性；為了提高船用齒輪箱的性能測試及質量的控制，研制開發船用齒輪箱機械封閉式試驗臺；試驗臺采用模塊化設計，實現動力裝置、冷卻裝置、加載裝置及檢測裝置的通用性。該文闡述了試驗臺的重要性及其結構原理和性能特點，并詳細介紹了試驗臺硬件系統中主要部件的結構及設計過程。

關鍵詞：船用齒輪箱 機械封閉試驗臺 液壓加載

中圖分類號：U664 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0053-02

船用齒輪箱主要由傳扭部件、離合器、液壓系統、報警系統等部分組成。船用齒輪箱具有倒順、離合、減速和承受螺旋槳推力的功能，與柴油機配套組成船舶動力系統，是船舶傳動系統動力傳遞過程中的關鍵部件，其性能直接影響設備的動力性、經濟性及可靠性。杭州前進齒輪箱集團股份有限公司（以下簡稱“杭齒前進”）是中國齒輪箱行業品牌的領軍企業，是船用齒輪箱的專業廠家，主要產品有中小功率的135、300、400、600等產品及GW族系的60.66、70.76等，產品具有高穩定性及高耐用性。隨著船舶行業的快速發展，對船用齒輪箱的要求也越來越高；同時船舶工作環境的惡劣，現場拆卸維修難度大，因此對船用齒輪箱的的使用壽命、承載載荷等提出了更高的要求；每臺產品的出廠都必須進行臺架試驗，以檢驗產品的性能及質量。杭齒前進提出自主開發新型的試驗臺——船用齒輪箱機械封閉式試驗臺，為船用齒輪箱提升制造、測試水平奠定了基礎。

1 試驗臺的總體構成及原理

船用齒輪箱機械封閉式試驗臺的總體構成如圖1所示，它主要由主驅動變頻電機、輔助齒輪箱、轉矩轉速傳感器、液壓加載器及配套液壓系統、冷卻系統、工控機及操作臺等幾部分組成；同時為滿足振動、噪聲、油溫測定及報警系統的檢測，配備有振動測試儀、聲級計、報警測試裝置等。

試驗時，啟動電機驅動試驗臺運轉，按要求調節驅動轉速；此時功率流向，從電機驅動動前輔助齒輪箱，從而驅動試驗產品I運轉，同時通過液壓加載器（此時相當傳動支撐），通過后輔助齒輪箱驅動試驗產品II運轉，此時兩臺被試產品的獨立驅動，可以進行空負荷機械性能、液壓系統、報警系統等試驗。負載試驗，按要求調節驅動轉速，結合船用齒輪箱具有倒順、功能，將兩臺試驗產品某一離合器接合（倒、順車），實現臺位的封閉，然后按要求提高驅動轉速，運行穩定后，通過液壓加載器進行加載，形成封閉功率流的內部轉矩；負載試驗過程中，電機只需要補償臺位運行的功率損失，以達到節能功效。

2 試驗臺的基本參數

目前，杭齒前進研制的該類型試驗臺，主要適用于300、400、600系列船用齒輪箱的性能及其可靠性試驗需要。

2.1 試驗臺的總體參數

（1）主驅動電機功率 132kW；

（2）試驗臺最高轉速 2000r/min；

（3）試驗臺額定封閉功率 1000kW；

（4）試驗臺額定封閉扭矩 5500N.m。

2.2 試驗臺總體尺寸及重量

長度7m，寬度2.5m，中心高1.1m，臺位總高1.75m，重量：12t。

3 試驗臺的硬件系統

3.1 動力設備

動力設備的選用。對比發動機輸入動力的可控性差、噪聲大、體積大且有污染環境的氣體排放等，電機具有體積小、噪聲小、操作性及維護性好等優點；通過對試驗產品的技術參數及使用工況進行分析，結合船用產品離合、換向過程會帶來沖擊載荷的特點，確定系統的動力設備選擇采用變頻電機及變頻器。

變頻電機及變頻器的參數確定，主要依據試驗臺本身機械部件的空耗、試驗產品的空耗、船用產品的離合、換向的特性情況。例，600系列試驗臺，試驗臺本身空耗為40kW，兩臺被試產品空耗約45kW，結合600產品，空負荷狀態下，離合器接合沖擊扭矩特性，選擇變頻電機132kW、4級，變頻器132kW；試驗臺調試結果，在轉速1800r/min、封閉功率1000kW工況下，電機輸出功率約105kW，同時滿足試驗中的離合、換向沖擊的要求。

3.2 輔助齒輪箱

輔助齒輪箱設計時充分考慮了試驗臺運行時要求其可靠及長壽命的特點，齒輪件采用優質齒輪鋼，滲碳淬火、磨齒、精度6級，箱體設計則主要考慮其剛度及分布的合理性等問題；結合船用齒輪箱具有倒順、離合及自帶油泵（有的是內置油泵）的特點，兩臺輔助齒輪箱的結構采用相同跨距、一臺兩級和一臺三級布置，使兩被試產品輸入轉向一致，實現兩臺試驗產品同時進行試驗，以提高測試效率；輔助齒輪箱的技術參數按試驗臺的額定封閉功率、額定封閉扭矩及最高轉速設計。

3.3 轉矩轉速傳感器

為滿足不同產品的試驗的精度要求，配備了5000 N.m、10000N.m兩種量程的盤式傳感器；為了方便更換時的安裝及調整，系統采用模塊化設計，將傳感器、底座、支撐座、軸承、彈性聯軸器進行整體組合；傳感器的整體設計，有效解決了臺架安裝的附加轉矩、彎矩對測量設備的影響，同時節省了其安裝、調整時間。

3.4 液壓加載器及液壓系統

加載設備的選擇。由于船用齒輪箱的結構、傳動原理特點及機械封閉試驗臺的構成原理，系統采用液壓加載器作為加載裝置；其具有體積小、較大的扭轉角、多種加載模式、反應迅速、傳動噪聲低且能實現自動及方便遠程控制等優點。為提高試驗臺的維護方便及經濟性，結合臺架布置的空間及臺位的測試功能，將加載器、配套液壓系統、冷卻裝置進行的整體設計。

（1） 液壓加載器構成及工作原理。

液壓加載器主要由有缸體、轉子軸、葉片、輸出軸、分油器、聯接法蘭及油箱支撐座等組成；定子葉片和轉子葉片將工作腔分成A、B兩部分，工作時，壓力油通過分油器，通入其中一腔，帶動葉片旋轉，同時通過輸出軸帶動負載轉動，產生轉矩；轉矩值通過調節液壓系統，以改變兩腔的壓力差實現。

（2） 液壓加載器結構設計。

本加載器采用雙葉片的結構，葉片聯接采用分離式，通過螺栓與定位銷實現與輸出軸及有缸體的定位和聯接；通過通過螺栓與定位銷實現輸出軸、軸承座與油缸體的定位和聯接；轉子軸通過軸承、軸承座與輸出軸定位，處徑向浮動狀態；傳動部件通過軸承安裝于油箱支撐座；加載器的密封主要有兩部分，葉片的端面及葉片與油缸體的間隙采用密封條密封，葉片轉子軸的間隙采用O型圈密封，同時通過液壓系統建立一定的背壓提高密封效果。

（3）液壓系統。

液壓系統主要由配油座、油泵、安全閥、電磁換向閥、背壓閥、電液比例閥及濾油器和溫控器、冷卻器等組成。安全閥作為系統的壓力超過允許值時的壓力自動釋放裝置元件，確保系統的正常運行；濾油器用于是對液壓油進行過濾，控制油的潔凈程度；被壓閥用于調節低壓回路的壓力；通過電液比例閥調節系統的壓力，同時實現遠程的控制。

3.5 冷卻系統

在試驗過程中，被試件、輔助齒輪箱、加載器都會產生大量的熱量，需要冷卻；為達到節能及環保的需要，增加了冷卻循環系統。

4 試驗臺的應用

杭齒前進研制的上述試驗臺，于2014年8月正式投入使用，其中以600產品為媒介，在輸入轉速1800r/min、封閉功率845kW的工況下，連續運轉50h，另外對300、400系列產品進行了多次的負載試驗；過程中除了對液壓加載器部件、變頻器控制一些調整外，其余都滿足試驗臺的設計要求。

調試和運轉過程中，出現了一些問題，如試驗產品換向過程中，由于瞬間沖擊扭矩，導致電流過大，帶來變頻器強制保護的情況；通過更改變頻器的設置，當電流超過額定電流后，變頻器會主動降頻，使輸出電流保持在額定電流以內，然后在回到系統要求頻率，以避免了電機在沖擊負荷時產生“悶車”現象；轉子葉片的自由度由于轉子葉片與油缸端面間隙過小而影響正常工作，在泄露可控的條件下，通過對間隙調整，由原來的0.05 mm，放大至0.1 mm，從而達到加載器扭轉角預調整的效果。

5 結語

（1）船用齒輪箱機械封閉式試驗臺的主要功能，是采用小功率的驅動電機和液壓加載的形式使系統產生較大的傳動功率，以達到產品負載試驗的需要；同時能滿足產品的空負荷性能試驗，包括低速液壓性能、離合器性能、報警系統檢測等。

（2） 試驗臺具有一定的通用性，通過對軸向位置的變動、產品輸出端的對接裝置的更改，即可實現對不同產品的試驗。

參考文獻

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