一種船用新型齒輪箱油池潤滑系統設計

郭澔楠，朱發新，殷攀登，李玉樂，許益雕，陳 甜

(浙江海洋大學 港航與交通運輸學院，浙江 舟山 316022)

齒輪箱是現代機械設備中使用最廣泛的基礎部件之一，在船上有著至關重要的作用。船用齒輪箱的主要作用是傳遞動力和改變機械設備的轉速，其具有傳動精度高、結構緊湊、傳動力矩大等一系列優點[1]。

為了滿足生產的要求，齒輪箱中的齒輪都會采用較高的加工精度以保證其使用壽命，但在長期工作過程中齒輪依然容易因磨損而出現局部失效，有研究證明在預期壽命內出現過度磨損的齒輪往往是由潤滑上的缺陷引起的[2]。

1 現有船用齒輪箱潤滑系統簡介

1.1 現有潤滑方式

開式齒輪傳動通常采用人工定期潤滑，潤滑劑采用潤滑油或潤滑脂[3]。

一般閉式齒輪傳動的潤滑方式根據齒輪的圓周速度v而定。當v≤12 m/s時，多采用油池潤滑，大齒輪浸入油池一定的深度，齒輪運轉時就把潤滑油帶到嚙合區，同時也甩到箱壁上，借以散熱。v較大時，浸入深度約為一個齒高；v較小時，如v=0.5～0.8 m/s，浸入深度達到齒輪半徑的1/6。在多級齒輪傳動中，當幾個大齒輪直徑不相等時，可以采用惰輪蘸油潤滑。當v≥12 m/s時，不宜采用油池潤滑，最好采用噴油潤滑[4-8]。這是因為圓周速度過高，齒輪上的油大多都被甩出去而到達不了嚙合區；攪油過于激烈，會導致油溫升高，影響潤滑油的品質，攪起來的沉淀物可能會加速齒輪磨損。

1.2 油池潤滑存在的問題

船舶晃蕩、潤滑油泄漏、潤滑油蒸發成油氣從透氣口逸出、放殘、工作時間過長、油液攪拌引起乳化等原因會引起齒輪箱內潤滑油液位變化，產生一些不良影響[9]。

如齒輪箱潤滑油液位上升，會出現齒輪攪油功率消耗增加，油池底部的雜質被攪起，加速齒輪磨損等現象。齒輪箱潤滑油液位下降，會出現軸承潤滑不良，磨損加速等[10]現象。

同時，齒輪轉速不同，輪齒浸入油池深度值要求也不同；齒輪轉速高，輪齒浸入油池深度值需要增加，齒輪轉速低，輪齒浸入油池深度值需要降低，而現有船用齒輪箱油池潤滑系統不能及時調整潤滑油液位。

2 一種新型船用齒輪箱油池潤滑系統設計

2.1 設計要求分析

針對傳統油池潤滑不能自動控制潤滑油液面高低的缺點，參考現有的潤滑技術，查閱了相關規范文件和文獻[9-10]，船用齒輪箱油池潤滑系統的設計要求如下：①系統技術成熟，適應性好，檢測精度高，速度快，周期短；②系統結構簡單，操作方便，可實現自動化操作，技術要求低；③系統成本低，便于維護保養，運營成本低。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺設計出新型船用齒輪油箱潤滑系統的工作原理示意圖，如圖1所示。

1-油箱；2-油泵；3-雜質過濾器；4-補油二位二通電磁閥；5-泄油二位二通電磁閥；6-齒輪；7-齒輪箱；8-液位傳感器；9-PLC控制模塊；10-單向閥；11-卸載二位二通電磁閥；12-溢流閥圖1 新型船用齒輪箱可控液位式油池潤滑系統原理圖

由圖1知，油箱和齒輪箱都裝有潤滑油，油箱可以給齒輪箱補充潤滑油，也可以回收齒輪箱多余的潤滑油。齒輪箱潤滑油液位的高低通過液位傳感器感知，并發送信號給PLC控制模塊，根據發送的信號，PLC控制模塊控制補油二位二通電磁閥和泄油二位二通電磁閥動作，不同二位二通電磁閥動作，實現齒輪箱的補油或泄油。下面通過齒輪箱內液位過高和過低2種情況來進一步介紹該系統的工作原理。

1)齒輪箱內油位過高。液位傳感器感知到油位過高，PLC控制模塊控制泄油二位二通電磁閥通電，泄油二位二通電磁閥打到右位接通油路，油液自齒輪箱流出，通過雜質過濾器回到油箱中。檢測到齒輪箱內油位回到正常高度，PLC控制模塊控制泄油二位二通電磁閥斷電，泄油二位二通電磁閥打到左位斷開油路。

2)齒輪箱內油位過低。液位傳感器感知到液位過低，PLC控制模塊啟動油泵，同時控制補油二位二通電磁閥通電接通油路，油液在油泵的驅動下自油箱中流出，流入到齒輪箱中。齒輪箱中的液位傳感器感知到潤滑油液面回到正常高度。PLC控制模塊控制補油二位二通電磁閥斷電，切斷油路。

2.3 主要組成零部件

1)液位傳感器。液位傳感器采用壓阻式應變原理，它的核心部件電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片2種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片2種。通常是將應變片通過特殊的黏合劑緊密的黏合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片隨之發生形變，使應變片的阻值改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。

2)PLC控制模塊。PLC控制模塊選用的西門子S7-200型PLC在實時模式下具有速度快、通訊功能好、生產力高的優點。一致的模塊化設計促進了低性能定制產品的創造和可擴展性。來自西門子的S7 - 200微型PLC既可以被當作獨立的微型PLC，也可以與其他控制器相結合使用。油池潤滑PLC控制模塊的符號表如表1和表2所示。

表1 PLC控制模塊輸入輸出符號表

表2 其他符號表

設定M1.0為正常工作狀態，M2.0為變速工作狀態。程序開始時先復位所有狀態。當齒輪圓周速度不發生改變時，齒輪箱處于正常工作狀態；當齒輪加速或減速時，齒輪箱處于變速工作狀態。初始狀態設置程序如圖2所示。

圖2 初始狀態設置程序

齒輪箱處于正常工作狀態M1.0時，如果液位低于低液位傳感器(I0.1)，那么I0.1的常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合，補油電磁閥(Q0.1)與油泵(Q0.3)通電，補油二位二通電磁閥打到左位，油路導通，同時油泵開始工作，補充油液使液位上升；如果液位高于高液位傳感器(I0.2)，那么(I0.2)的常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，泄油電磁閥(Q0.2)通電，泄油二位二通電磁閥打到右位油路導通，泄放油液使油位下降。正常工作狀態控制程序如圖3所示。

齒輪箱處于變速工作狀態M2.0時的程序分為加速與減速2個部分，齒輪加速(I1.3)且油位尚處于高液位傳感器(I0.2)與低液位傳感器(I0.1)之間時，補油電磁閥(Q0.1)與油泵(Q0.3)通電，補油二位二通電磁閥打到左位，油路導通，同時油泵開始工作，齒輪箱內潤滑油液位上升，但最高只能達到高液位傳感器(I0.2)所在位置。齒輪減速(I1.4)且油位處于高液位傳感器(I0.2)與低液位傳感器(I0.1)之間時，泄油電磁閥(Q0.2)通電，泄油二位二通電磁閥打到右位，油路導通，齒輪箱內油位下降。變速工作狀態控制程序如圖4所示。

圖3 正常工作狀態控制程序

圖4 變速工作狀態控制程序

3 船用新型齒輪箱油池潤滑系統可行性分析

3.1 技術可行性分析

本油池潤滑系統潤滑油液位的高低是由PLC控制，具體如下：液位傳感器感知齒輪箱潤滑油液位，并發送信號給PLC控制模塊，根據發送的信號，PLC控制模塊控制補油二位二通電磁閥和泄油二位二通電磁閥動作，不同二位二通電磁閥工作，實現齒輪箱的補油或泄油。這項技術非常成熟，并且在相關行業使用多年，效果較好，因此該系統具有技術可行性。

3.2 結構可行性分析

該系統組成零部件少，主要由油箱、二位二通電磁閥、溢流閥、雜質過濾器、傳感器等零部件組成，其零部件均為通用件或標準件，可以從市場直接選購。該設備或部件的強度、剛度等參數也符合要求。具體零部件可根據潤滑油性質與液位傳感器的類型選型。因此該系統具有結構可行性。

3.3 經濟可行性分析

該系統的大部分零部件為通用件或標準件，可以在市場上直接購買，成本可以估算及控制。該系統使用壽命高、維護保養簡單，日常使用、維護保養成本較低，具有經濟可行性。

4 結束語

本文通過分析船用齒輪箱潤滑方式，分析船用齒輪箱油池潤滑存在功耗增加、磨損加劇等缺點和不足。依據《鋼質海船入級與建造規范》及其他文獻資料，從技術、結構及成本分析船用齒輪箱油池潤滑系統的設計要求，設計出一套可控液位式油池潤滑液壓系統，介紹了該系統的工作原理，并進一步介紹液位傳感器和PLC控制模塊。該系統在技術、結構、經濟3個方面是可行的。