船用減速齒輪箱技術狀態評估指標構建研究

朱晴，耿俊豹，牛建釗，劉凌剛

（海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033）

船用減速齒輪箱技術狀態評估指標構建研究

朱晴，耿俊豹，牛建釗，劉凌剛

（海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033）

根據船用減速齒輪箱的結構和功能，構建減速齒輪箱技術評估指標體系。主要確定了齒輪、軸和滑動軸承3個關鍵部件的技術狀態評估參數。評估齒輪技術狀態的指標定為嚙合頻率和諧波分量兩個參數；軸的技術狀態評估選擇振動偏移量參數；滑動軸承技術狀態評估選擇軸承溫度參數。

技術狀態評估；減速齒輪箱；指標體系

減速齒輪箱作為一種動力系統部件具有改變速度、轉向、分配動力、離合的重要功能，是船用動力系統完備的不可或缺的組成部分。船舶運行環境惡劣，一旦出海，船舶動力系統的完好程度直接影響船舶的安全性，因此，減速齒輪箱是船舶裝備中比較關鍵部件，對減速齒輪箱的技術狀態評估也尤為重要。

設備技術狀態評估方法比較多，但是首先需要構建的是評估指標體系[1]。本文，將根據船用減速齒輪箱的結構和功能，構建減速齒輪箱技術評估指標體系。首先簡單介紹減速齒輪箱的基本功能和結構；其次構建減速齒輪箱技術評估指標體系；最后，簡單介紹基于本文評估指標體系的減速齒輪箱技術評估方法。

1 船用減速齒輪箱基本功能和結構

船用減速齒輪箱的主要功能是將主機工作時產生的動力傳遞給動力軸系，最終傳給螺旋槳[1]。通常船用主機輸出端的轉速很高，對于螺旋槳和軸系而言這樣高的轉速是超負荷的，易打壞槳葉，造成軸系金屬損傷。所以船用通常使用齒輪箱齒輪副的減速作用來實現。

根據輸入輸出軸的布置形式不同，有單軸輸入單軸輸出的水平異心式、垂直異心式、功率二分支水平同心式、功率二分支垂直異心式等；雙軸輸入單軸輸出的主要布置形式如三齒輪結構、五齒輪結構以及七齒輪結構等；以及雙軸輸入單軸輸出、雙軸輸入雙軸輸出和三軸輸入雙軸輸出等形式。根據達到減速要求的方法不同，有一級減速、二級減速以及行星齒輪減速器等。本文所參考的齒輪箱為通用型的單級船用齒輪箱[2]。

單級齒輪箱屬于一級減速，所以稱為單級齒輪箱。這種齒輪箱結構簡單，性能可靠。常見的單級減速齒輪箱主要部件包括：齒輪副、軸、滑動軸承。

2 船用減速齒輪箱技術狀態評估指標

速齒輪箱主要部件包括：齒輪副、軸、滑動軸承。根據這3個部件來確定其評估指標體系。

2.1 齒輪副技術狀態評估指標

對于齒輪而言，在它的工作過程全程，都會伴隨著振動和振動信號的產生，比較明顯集中體現在頻譜上的嚙合頻率和高次諧波的變化上。選用齒輪箱齒輪的嚙合頻率和諧波分量作為齒輪的技術狀態評估參數。齒輪箱齒輪的振動特點有[3]：

（1）斷齒的振動信號特征：軸系在轉動時，在斷齒參與嚙合處會發生很大的沖擊振動，在頻域上表現為嚙合頻率及其高次諧波附近出現了間隔為斷齒軸轉頻的邊頻帶，邊頻帶數量多、幅值較大、分布較寬。同時會激起固有頻率，產生齒輪固有頻率調制現象，出現以齒輪各階固有頻率為中心頻率，斷齒所在軸的轉頻及其高次諧波為調制頻率的調制邊頻帶。

（2）齒型誤差的振動信號特征：從齒輪故障診斷的角度，凡是造成齒輪齒型改變的故障，都是齒型誤差。發生齒型誤差時，測得的齒輪箱箱體振動信號主要特征表現為：會產生齒輪嚙合頻率和高次諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻和其倍頻為調制頻率的嚙合頻率調制現象。一般的齒型誤差產生的調制邊頻帶窄，以一階轉頻調制為主，且邊頻帶幅值低，當齒型誤差嚴重時，會產生較大的沖擊激勵，此時能量較大，調制產生的邊頻帶幅值寬度都很大，出現以齒輪各階固有頻率f載波頻率，齒輪所在軸轉頻及其倍頻mf（m為1、2、3）為調制頻率的齒輪共振調制頻率。

（3）齒輪均勻磨損：在齒輪箱均勻磨損時，一般不會對齒型產生大的改變，振動信號在頻譜上表現為嚙合頻率及高次諧波的幅值明顯增大，但不會產生明顯的調制現象。

2.2 軸的技術狀態評估指標

齒輪箱內的軸，在它的工作過程全程，同樣都會伴隨著振動和振動信號的產生。比較容易測取的參數是通過電渦流傳感器測取的振動偏移量信號。因此，本文選用齒輪箱軸的振動偏移量作為轉軸的技術狀態評估參數。

通常采用的評價標準有兩種：一是測量偏移量的峰峰值，二是穩定運行時振動幅度變化量。當軸發生故障時，普遍會發生峰峰值的增大，且故障越嚴重軸振動偏移量峰峰值越大。

2.3 滑動軸承的技術狀態評估指標

對于滑動軸承，當軸承發生故障時，軸承溫度會明顯上升，且溫度過高會對軸承進一步造成危害。軸承中的熱量主要是由摩擦損失的功率轉變而來的，當軸承發生故障時，軸承溫度會明顯上升，且溫度過高會對軸承進一步造成危害。因此，選用軸承溫度作為齒輪箱滑動軸承的的技術狀態評估參數。

如果滑動軸承的熱平衡平均溫度超過了90℃，則說明軸承在工作中存在異常現象，諸如過載、磨損嚴重、供油系統不正常等，必須采取措施，防止故障進一步擴大。

3 船用減速齒輪箱技術狀態評估方法

在確定考慮各關鍵部件的技術狀態評估指標后，下一步選取合適的技術狀態評估方法。本文建議采取模糊理論來開展技術狀態評估，該方法的基本步驟如下所示[4]：

（1）建立二級評價因素集。其中，B為齒輪，S為軸，R為滑動軸承；

（2）根據專家評議確定評價因素的權重；

（3）構建船用減速齒輪箱和各關鍵部件的技術狀態等級；

（4）對齒輪、軸和軸承開展基于各自評估指標的技術狀態，得到3個關鍵部件的技術狀態等級；

（5）采用模糊理論，根據各關鍵部件的技術狀態評估出船用減速齒輪箱的整體技術狀態。

4 結束語

本文將船用減速齒輪箱技術狀態評估細分為齒輪、軸和滑動軸承的技術狀態評估，簡化船用減速齒輪箱技術狀態評估的復雜性，使得技術狀態評估趨于明朗化。同時，參考國內有關文獻，分別構建了齒輪、軸和滑動軸承的精練的技術狀態評估指標，值得在工程應用中參考。

[1]耿俊豹，邱瑋，孔祥存，等.基于粗糙集和D-S證據理論的設備技術狀態評估[J].系統工程與電子技術，2008，30（1）：112-115.

[2]丁康，李巍華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M].北京：機械工業出版社，2005：23-24.

[3]程超.船用齒輪箱狀態評估技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[4]陳水利，李敬功，王向公．模糊集理論及其應用[M]．北京：科學出版社，2005：187-223．

Indexes for Technical Condition Evaluation of Ship Drop-down Gearbox

ZHU Qing，GENG Jun-bao，NIU Jian-zhao，LIU Lin-gang
（School of Power Engineering，Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033，China）

According to the structure and function of drop-down gearbox，the index system is set up. The indexes for the technical condition evaluation for gear，axis and bearing are set up. The indexes for the gear are joggle frequency and harmonic. The index for the axis is vibration deviation. The index for the bearing is the temperature.

technical condition evaluation；drop-down gearbox；index system

U692.7

B

1672-545X（2016）09-0166-02

2016-06-01

朱晴（1991-），男，江蘇鎮江人，工學學士，研究方向：艦船動力工程；耿俊豹（1973-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向：可靠性維修性保障性工程；牛建釗（1991-），男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：可靠性維修性保障性工程；劉凌剛（1992-），男，江西吉安人，碩士研究生，研究方向：可靠性維修性保障性工程。