朱陳程 趙新穎

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

雙機(jī)并車(chē)齒輪箱在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用分析

朱陳程 趙新穎

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)

電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)在船舶得到推廣應(yīng)用。為更好的匹配電力推進(jìn)船舶在多種工況下的運(yùn)行,可使用雙電動(dòng)機(jī)作為船舶的主動(dòng)力。本文通過(guò)分析雙電動(dòng)機(jī)的輸出狀態(tài),提出了推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)雙機(jī)并車(chē)齒輪箱的技術(shù)要求,并結(jié)合具體的電力推進(jìn)船型分析了一款齒輪箱的應(yīng)用特點(diǎn)。

齒輪箱 雙機(jī)并車(chē) 電力推進(jìn) 船舶

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成為船舶動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。對(duì)于有多工況作業(yè)要求的船舶，如拖船、漁船或工程船，為了更好的實(shí)現(xiàn)船機(jī)槳或船機(jī)槳網(wǎng)的匹配，采用雙電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力裝置。對(duì)于雙電動(dòng)機(jī)單螺旋槳的推進(jìn)系統(tǒng)，需要適用雙機(jī)并車(chē)齒輪箱來(lái)完成動(dòng)力輸出。另外，雙電機(jī)能適應(yīng)船舶一些特殊情況的發(fā)生，提高船舶的可靠性，如果一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)還能使用。

因此，雙機(jī)并車(chē)齒輪箱在電力推進(jìn)船舶上的應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。但是，由于電推系統(tǒng)還不夠成熟，在實(shí)踐中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題和不足，如電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷變化，以及單機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載不均，均會(huì)對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)造成影響。如何解決這些問(wèn)題成為一個(gè)重要的研究課題。本文主要從雙機(jī)運(yùn)行與單機(jī)運(yùn)行對(duì)齒輪箱的不同影響入手，優(yōu)化齒輪箱結(jié)構(gòu)，使其滿(mǎn)足要求。

2 雙機(jī)并車(chē)齒輪箱的技術(shù)要求

雙機(jī)并車(chē)齒輪箱多采用單級(jí)減速，具有倒順、離合等功能。推力軸承與離合器均設(shè)置在齒輪箱箱體中，與每一個(gè)輸入軸連接。

兩臺(tái)推進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，齒輪箱兩個(gè)輸入軸同時(shí)接受動(dòng)力輸入。由于兩根輸入軸的轉(zhuǎn)速會(huì)存在一定的差異，需要在齒輪設(shè)計(jì)中考慮最大差異值。由于推進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力輸出相對(duì)柴油機(jī)較為平緩，因此對(duì)齒輪的沖擊較小，抗沖擊冗余可適當(dāng)降低。

單臺(tái)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，齒輪箱只有一個(gè)輸入軸有動(dòng)力輸入，另外一個(gè)輸入軸的離合器脫開(kāi)。此時(shí)并車(chē)齒輪箱可等同于常規(guī)齒輪箱，但需要考慮的是在另一輸入軸突然失去動(dòng)力之后，輸出軸的慣性對(duì)還在轉(zhuǎn)動(dòng)的輸入軸的影響。

由上文可知，雙機(jī)并車(chē)齒輪箱在實(shí)際使用中面臨的問(wèn)題是解決不同輸出狀態(tài)下，齒輪載荷的匹配問(wèn)題;以及改進(jìn)并車(chē)齒輪箱的操控以實(shí)現(xiàn)多工況。

關(guān)于齒輪載荷的研究，現(xiàn)在較常使用有限元分析法對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在仿真平臺(tái)上驗(yàn)證齒輪是否能承受推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力變化沖擊。而對(duì)齒輪箱控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單輸入、雙輸入、倒順、接脫排等一系列動(dòng)作是通過(guò)齒輪箱并車(chē)控制器來(lái)完成。電信號(hào)由操作面板或按鈕給予，通過(guò)電磁閥控制液壓油實(shí)現(xiàn)各種工況。其中，對(duì)離合器的操縱是最關(guān)鍵的。

離合器按其傳遞扭矩形式可分為摩擦式離合器、牙嵌式離合器，磁粉式離合器以及轉(zhuǎn)差式離合器;按其工作條件可分為濕式離合器和干式離合器。轉(zhuǎn)差式離合器不傳遞扭振，對(duì)齒輪箱輸入軸與主動(dòng)力裝置輸出軸的安裝要求不高，一般在柴油機(jī)雙機(jī)并車(chē)的推進(jìn)系統(tǒng)中使用。而采用推進(jìn)電機(jī)作為主動(dòng)力時(shí)，動(dòng)力裝置輸出軸與齒輪箱輸入軸間振動(dòng)較平穩(wěn)，因此可采用傳遞效率更高的摩擦式離合器。

3 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)有一艘在南海作業(yè)的電力推進(jìn)金槍魚(yú)延繩釣船，考慮到南海的作業(yè)工況以及船東需求，采用雙機(jī)單槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，需要對(duì)雙機(jī)并車(chē)齒輪箱選型。

在設(shè)計(jì)該齒輪箱時(shí)，需要提供推進(jìn)電機(jī)的最大功率及轉(zhuǎn)速以及推進(jìn)曲線圖，并根據(jù)延繩釣船的作業(yè)特點(diǎn)，確定數(shù)個(gè)不同的工況點(diǎn)，如正常航行、高速航行、滿(mǎn)載航行、放釣、起釣等，提供各工況的數(shù)據(jù)，包括對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速。根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合確定齒輪的最佳減速比、所需承受的最大推力等。

雙機(jī)并車(chē)齒輪箱內(nèi)齒輪空間布置需要根據(jù)兩個(gè)輸入軸的相對(duì)位置、輸出軸的位置進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)艙布置允許情況下，輸入軸應(yīng)在同一個(gè)水平高度上，而與輸出軸可以有垂直方向上的高差。由于其推力軸承分置于兩側(cè)，因此齒輪箱安裝基座上的鉸制螺孔通常是設(shè)置于前后方向。由于漁船尾部空間非常狹小，需要在滿(mǎn)足齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，需要盡量減小齒輪箱的外形尺寸。

4 結(jié)語(yǔ)

雙機(jī)單槳推進(jìn)系統(tǒng)能在主動(dòng)力裝置部分失效時(shí)保證船舶能正常運(yùn)行，但由于柴油機(jī)雙機(jī)并車(chē)操作復(fù)雜，對(duì)齒輪箱要求較高，因此實(shí)際應(yīng)用不多。而由于推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，電推系統(tǒng)采用雙機(jī)單槳模式對(duì)電機(jī)并車(chē)操作簡(jiǎn)單，對(duì)齒輪箱沖擊不大，因此應(yīng)用前景更為廣泛。雙機(jī)并車(chē)齒輪箱在設(shè)計(jì)中需要從具體的使用條件出發(fā)，根據(jù)需求確定技術(shù)條件，并通過(guò)仿真模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終完成整個(gè)選型設(shè)計(jì)。

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