半滑差齒輪箱在新建20米級測量船上的適用性研究與分析

夏 兵 李 松

（交通運輸部東海航海保障中心上海海事測繪中心，上海 200137）

1 概 況

20米級測量船主要服務于上海港附近的港口航道圖測量、應急掃測水下障礙物、通航尺度核定測量、水深監(jiān)測、水文測量及其他海洋要素的測量，為船舶的安全航行提供保障，同時也向通航管理部門及社會提供技術支持和服務保障工作。

上海港位于長江三角洲前緣，居中國18 000 km大陸海岸線的中部、扼長江入海口， 世界著名港口，地處長江東西運輸通道與海上南北運輸通道的交匯點，是中國沿海的主要樞紐港，中國對外開放，參與國際經(jīng)濟大循環(huán)的重要口岸。因此，快速、準確的測量是新建測量船要求目標之一。

目前，我們常用的20米級測量船搭載的測量設備主要有雙頻測深儀（33 kHz+200 kHz）1套，淺水多波束測深系統(tǒng)1套，聲速剖面儀、表面聲速儀、GPS等，推進裝置采用的是雙機雙槳齒輪箱傳動定距槳推進。這種類型的船舶特點是柴油機功率小，船舶航速低，僅僅能滿足測量過程船速要求，不能滿足快速航行的需求。而黃浦江航道由于先天條件原因，存在航道寬度窄、轉彎多、橋梁多、河床深淺變化大、枯水對水深影響大、通航密度大，過往船舶的興波對鄰船的搖擺升沉影響大等特點。這些特點對用于內(nèi)河測量的新建20米級測量船的操縱性、可靠性和安全性有較高的要求。因此，有必要針對內(nèi)河航道的特點，建造適用的專業(yè)測量船舶。根據(jù)測量作業(yè)要求和應急測繪的需要，新建20級測量船應具有較高的巡航速度和測量作業(yè)時4～6 kn穩(wěn)定作業(yè)航速。

2 船舶推進組合方式分析

新建20米級測量船采用2臺150 kW的高速機作為主機，如果用常規(guī)齒輪箱和定距槳推進，雖滿足了高速巡航的要求，但不能滿足低速測量的需求。我們經(jīng)過仔細的分析，在柴油機推進的情況下可以采用以下三種方式實現(xiàn)測量船的低速航行要求：

一是采用異形齒輪箱連接，2臺主機輸入，一根尾軸輸出。在船舶巡航時開2臺主機，實現(xiàn)高速航行的目的，在測量工作時開1臺主機運行，滿足測量低速航行的要求。但此種方式選擇的齒輪箱需特殊定制，而且體積較大，由于船舶只有1臺螺旋槳推進可靠性降低，在黃浦江等復雜水域測量時，增加了測量風險，因此我們否決了該種形式。

另外2種方式一種是常規(guī)齒輪箱加可調槳組合推進方式；一種是半程滑差齒輪箱加定距槳組合推進方式。經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)常規(guī)齒輪箱加可調槳和半滑差齒輪箱加定距槳推進各有優(yōu)缺點。對兩種方式進行比較見表1。

表1 半滑差齒輪箱帶FPP與CPP推進方案比較

經(jīng)過比較可以看出使用半滑差齒輪箱初期投資和維護保養(yǎng)費用都比可調槳的要低，最重要的是對平時維護保養(yǎng)和管理的要求較低，對于我們老齡化的船員的船舶來說更適合。20米級測量船主要是碼頭和淺灘作業(yè)，這種區(qū)域內(nèi)垃圾石頭等雜物較多，容易磕碰螺旋槳，一旦損壞可調槳的修理難度和修理費用較大，所以采用半滑差齒輪箱加定距槳也更加適合測量船舶使用。

3 半滑差齒輪箱性能特點

齒輪箱通過齒輪系將柴油機的功率傳給螺旋槳。主要有減速齒輪箱、倒順減速齒輪箱、并車減速齒輪箱，起到減速、倒順、離合、并車、分車等作用[1]。半滑差齒輪箱相較一般齒輪箱具有以下特性：

（1）合排快速,在低扭矩下合排更平滑，保護發(fā)動機。為了實現(xiàn)更快、更平穩(wěn)的離合器合排，采用了按序合排方式，依照設計自動分兩級進行，不需要任何調節(jié)。在合排的第一階段，它先為占離合器活塞總面積20%的第一級活塞建立起80%的最大油壓，而傳統(tǒng)的單級離合器必須在四到五倍于此的壓力下才能完全充滿油。這使得離合器的充油速度更快，從而大大減少換檔響應時間。只有這樣，順序閥才打開第二級通道，允許離合器油流向整個活塞區(qū)域，使變速箱完全合排。第一階段業(yè)已達到的高扭矩傳動能力與全扭矩的差距微小，為其后柔順、無縫合排提供了條件。

（2）系統(tǒng)采用了兩級活塞模式，自動分二級合排實現(xiàn)柔和接排，做到柔性換擋。由于液力系統(tǒng)的壓力不再是定壓，而是可調的，扭矩的傳遞就可以逐漸增加，使換擋平穩(wěn)變化，如圖1所示。

圖1 分級活塞示意圖

（3）離合器的合排幾乎沒有延時，船長隨時可以得到動力，使得操船變得簡單容易。半滑差齒輪箱采用的GP閥結合了先進的液壓技術和電子技術，組成了一個全新的驅動系統(tǒng)，由兩個比例電磁閥和電控發(fā)生器（控制液壓上升速率）組成。這種簡單的“防彈”堅固設計只包括21個現(xiàn)有的部件，如圖2所示。由于精密組件的公差等級 極高，使用時不需要任何調整。它堅固、可靠、高效無需墊片、彈簧、節(jié)流孔用于安裝或調整。也就是說對于船廠或船員不存在安裝或設置問題。

圖2 GP閥型

（4）正倒車可以隨時響應，使得測量作業(yè)時安全性更高。20米級測量船舶測量范圍內(nèi)船舶通航密度大，需要靈活、快速的反應性能。由于采用GP閥實現(xiàn)了離合器的快速充油，合排時間僅需0.05 s，與之相比，標準齒輪箱的合排時間為0.75 s。齒輪箱達到全扭矩輸出的時間為0.2 s，而標準變速箱需要2 s。雙環(huán)QuickShift齒輪箱即使工作在滑差模式下，其離合器的響應時間也不過0.05 s左右。這比任何使用傳統(tǒng)滑差閥的齒輪箱快[2]。

（5）最低限度降低油溫變化的影響，甚至在齒輪箱滑油溫度還是冷的情況下也不影響齒輪箱的合排速度。

圖3 雙環(huán)QuickShift齒輪箱

圖4 常規(guī)齒輪箱

4 結 語

半滑動齒輪箱和FPP組合的方式，還可接入 DP 系統(tǒng)。通過調節(jié)齒輪箱的滑差功能，實現(xiàn)螺旋槳低轉速長時間穩(wěn)定運行，實現(xiàn)CPP的大部分功能。簡單可靠。這樣通過駕駛臺控制手柄，就可以控制發(fā)動機轉速、螺旋槳轉度和方向，以及瞬間達到全功率--或者主機怠速和全速之間的任何所需負荷狀態(tài)。這特別適用于需要頻繁正倒車，頻繁掉頭上線測量，微速航行和快速機動性操控結合的小型測量船舶。

綜上所述，采用半滑差齒輪箱和定距槳推進方式既能滿足高速巡航的要求又能滿足低速測量工作的需要，而且初置成本低，維修簡便，對管理人員的要求不高，是新建20米級測量船合適的選擇。