朱晴，耿俊豹，牛建釗，劉凌剛

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033）

船用減速齒輪箱技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建研究

朱晴，耿俊豹，牛建釗，劉凌剛

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033）

根據(jù)船用減速齒輪箱的結(jié)構(gòu)和功能，構(gòu)建減速齒輪箱技術(shù)評(píng)估指標(biāo)體系。主要確定了齒輪、軸和滑動(dòng)軸承3個(gè)關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估參數(shù)。評(píng)估齒輪技術(shù)狀態(tài)的指標(biāo)定為嚙合頻率和諧波分量?jī)蓚€(gè)參數(shù)；軸的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估選擇振動(dòng)偏移量參數(shù)；滑動(dòng)軸承技術(shù)狀態(tài)評(píng)估選擇軸承溫度參數(shù)。

技術(shù)狀態(tài)評(píng)估；減速齒輪箱；指標(biāo)體系

減速齒輪箱作為一種動(dòng)力系統(tǒng)部件具有改變速度、轉(zhuǎn)向、分配動(dòng)力、離合的重要功能，是船用動(dòng)力系統(tǒng)完備的不可或缺的組成部分。船舶運(yùn)行環(huán)境惡劣，一旦出海，船舶動(dòng)力系統(tǒng)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(guān)鍵部件，對(duì)減速齒輪箱的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估也尤為重要。

設(shè)備技術(shù)狀態(tài)評(píng)估方法比較多，但是首先需要構(gòu)建的是評(píng)估指標(biāo)體系[1]。本文，將根據(jù)船用減速齒輪箱的結(jié)構(gòu)和功能，構(gòu)建減速齒輪箱技術(shù)評(píng)估指標(biāo)體系。首先簡(jiǎn)單介紹減速齒輪箱的基本功能和結(jié)構(gòu)；其次構(gòu)建減速齒輪箱技術(shù)評(píng)估指標(biāo)體系；最后，簡(jiǎn)單介紹基于本文評(píng)估指標(biāo)體系的減速齒輪箱技術(shù)評(píng)估方法。

1 船用減速齒輪箱基本功能和結(jié)構(gòu)

船用減速齒輪箱的主要功能是將主機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給動(dòng)力軸系，最終傳給螺旋槳[1]。通常船用主機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)速很高，對(duì)于螺旋槳和軸系而言這樣高的轉(zhuǎn)速是超負(fù)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)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(jié)構(gòu)、五齒輪結(jié)構(gòu)以及七齒輪結(jié)構(gòu)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(jù)達(dá)到減速要求的方法不同，有一級(jí)減速、二級(jí)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(jí)船用齒輪箱[2]。

單級(jí)齒輪箱屬于一級(jí)減速，所以稱為單級(jí)齒輪箱。這種齒輪箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。常見(jiàn)的單級(jí)減速齒輪箱主要部件包括：齒輪副、軸、滑動(dòng)軸承。

2 船用減速齒輪箱技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

速齒輪箱主要部件包括：齒輪副、軸、滑動(dòng)軸承。根據(jù)這3個(gè)部件來(lái)確定其評(píng)估指標(biāo)體系。

2.1 齒輪副技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

對(duì)于齒輪而言，在它的工作過(guò)程全程，都會(huì)伴隨著振動(dòng)和振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生，比較明顯集中體現(xiàn)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(shù)狀態(tài)評(píng)估參數(shù)。齒輪箱齒輪的振動(dòng)特點(diǎn)有[3]：

（1）斷齒的振動(dòng)信號(hào)特征：軸系在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在斷齒參與嚙合處會(huì)發(fā)生很大的沖擊振動(dòng)，在頻域上表現(xiàn)為嚙合頻率及其高次諧波附近出現(xiàn)了間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻帶，邊頻帶數(shù)量多、幅值較大、分布較寬。同時(shí)會(huì)激起固有頻率，產(chǎn)生齒輪固有頻率調(diào)制現(xiàn)象，出現(xiàn)以齒輪各階固有頻率為中心頻率，斷齒所在軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波為調(diào)制頻率的調(diào)制邊頻帶。

（2）齒型誤差的振動(dòng)信號(hào)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(fā)生齒型誤差時(shí)，測(cè)得的齒輪箱箱體振動(dòng)信號(hào)主要特征表現(xiàn)為：會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)頻和其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象。一般的齒型誤差產(chǎn)生的調(diào)制邊頻帶窄，以一階轉(zhuǎn)頻調(diào)制為主，且邊頻帶幅值低，當(dāng)齒型誤差嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊激勵(lì)，此時(shí)能量較大，調(diào)制產(chǎn)生的邊頻帶幅值寬度都很大，出現(xiàn)以齒輪各階固有頻率f載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻mf（m為1、2、3）為調(diào)制頻率的齒輪共振調(diào)制頻率。

（3）齒輪均勻磨損：在齒輪箱均勻磨損時(shí)，一般不會(huì)對(duì)齒型產(chǎn)生大的改變，振動(dòng)信號(hào)在頻譜上表現(xiàn)為嚙合頻率及高次諧波的幅值明顯增大，但不會(huì)產(chǎn)生明顯的調(diào)制現(xiàn)象。

2.2 軸的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

齒輪箱內(nèi)的軸，在它的工作過(guò)程全程，同樣都會(huì)伴隨著振動(dòng)和振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生。比較容易測(cè)取的參數(shù)是通過(guò)電渦流傳感器測(cè)取的振動(dòng)偏移量信號(hào)。因此，本文選用齒輪箱軸的振動(dòng)偏移量作為轉(zhuǎn)軸的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估參數(shù)。

通常采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有兩種：一是測(cè)量偏移量的峰峰值，二是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅度變化量。當(dāng)軸發(fā)生故障時(shí)，普遍會(huì)發(fā)生峰峰值的增大，且故障越嚴(yán)重軸振動(dòng)偏移量峰峰值越大。

2.3 滑動(dòng)軸承的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

對(duì)于滑動(dòng)軸承，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，軸承溫度會(huì)明顯上升，且溫度過(guò)高會(huì)對(duì)軸承進(jìn)一步造成危害。軸承中的熱量主要是由摩擦損失的功率轉(zhuǎn)變而來(lái)的，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，軸承溫度會(huì)明顯上升，且溫度過(guò)高會(huì)對(duì)軸承進(jìn)一步造成危害。因此，選用軸承溫度作為齒輪箱滑動(dòng)軸承的的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估參數(shù)。

如果滑動(dòng)軸承的熱平衡平均溫度超過(guò)了90℃，則說(shuō)明軸承在工作中存在異常現(xiàn)象，諸如過(guò)載、磨損嚴(yán)重、供油系統(tǒng)不正常等，必須采取措施，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 船用減速齒輪箱技術(shù)狀態(tài)評(píng)估方法

在確定考慮各關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)后，下一步選取合適的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估方法。本文建議采取模糊理論來(lái)開(kāi)展技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，該方法的基本步驟如下所示[4]：

（1）建立二級(jí)評(píng)價(jià)因素集。其中，B為齒輪，S為軸，R為滑動(dòng)軸承；

（2）根據(jù)專家評(píng)議確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重；

（3）構(gòu)建船用減速齒輪箱和各關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)等級(jí)；

（4）對(duì)齒輪、軸和軸承開(kāi)展基于各自評(píng)估指標(biāo)的技術(shù)狀態(tài)，得到3個(gè)關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)等級(jí)；

（5）采用模糊理論，根據(jù)各關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估出船用減速齒輪箱的整體技術(shù)狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將船用減速齒輪箱技術(shù)狀態(tài)評(píng)估細(xì)分為齒輪、軸和滑動(dòng)軸承的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，簡(jiǎn)化船用減速齒輪箱技術(shù)狀態(tài)評(píng)估的復(fù)雜性，使得技術(shù)狀態(tài)評(píng)估趨于明朗化。同時(shí)，參考國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)，分別構(gòu)建了齒輪、軸和滑動(dòng)軸承的精練的技術(shù)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)，值得在工程應(yīng)用中參考。

[1]耿俊豹，邱瑋，孔祥存，等.基于粗糙集和D-S證據(jù)理論的設(shè)備技術(shù)狀態(tài)評(píng)估[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，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(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：23-24.

[3]程超.船用齒輪箱狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[4]陳水利，李敬功，王向公．模糊集理論及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)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(zhèn)江人，工學(xué)學(xué)士，研究方向：艦船動(dòng)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。