船用齿轮箱机械封闭式试验台开发及应用

摘 要：船用齿轮箱是船舶传动系统动力传递过程中的关键部件，其性能直接影响设备的动力性、经济性及可靠性；为了提高船用齿轮箱的性能测试及质量的控制，研制开发船用齿轮箱机械封闭式试验台；试验台采用模块化设计，实现动力装置、冷却装置、加载装置及检测装置的通用性。该文阐述了试验台的重要性及其结构原理和性能特点，并详细介绍了试验台硬件系统中主要部件的结构及设计过程。

关键词：船用齿轮箱 机械封闭试验台 液压加载

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0053-02

船用齿轮箱主要由传扭部件、离合器、液压系统、报警系统等部分组成。船用齿轮箱具有倒顺、离合、减速和承受螺旋桨推力的功能，与柴油机配套组成船舶动力系统，是船舶传动系统动力传递过程中的关键部件，其性能直接影响设备的动力性、经济性及可靠性。杭州前进齿轮箱集团股份有限公司（以下简称“杭齿前进”）是中国齿轮箱行业品牌的领军企业，是船用齿轮箱的专业厂家，主要产品有中小功率的135、300、400、600等产品及GW族系的60.66、70.76等，产品具有高稳定性及高耐用性。随着船舶行业的快速发展，对船用齿轮箱的要求也越来越高；同时船舶工作环境的恶劣，现场拆卸维修难度大，因此对船用齿轮箱的的使用寿命、承载载荷等提出了更高的要求；每台产品的出厂都必须进行台架试验，以检验产品的性能及质量。杭齿前进提出自主开发新型的试验台——船用齿轮箱机械封闭式试验台，为船用齿轮箱提升制造、测试水平奠定了基础。

1 试验台的总体构成及原理

船用齿轮箱机械封闭式试验台的总体构成如图1所示，它主要由主驱动变频电机、辅助齿轮箱、转矩转速传感器、液压加载器及配套液压系统、冷却系统、工控机及操作台等几部分组成；同时为满足振动、噪声、油温测定及报警系统的检测，配备有振动测试仪、声级计、报警测试装置等。

试验时，启动电机驱动试验台运转，按要求调节驱动转速；此时功率流向，从电机驱动动前辅助齿轮箱，从而驱动试验产品I运转，同时通过液压加载器（此时相当传动支撑），通过后辅助齿轮箱驱动试验产品II运转，此时两台被试产品的独立驱动，可以进行空负荷机械性能、液压系统、报警系统等试验。负载试验，按要求调节驱动转速，结合船用齿轮箱具有倒顺、功能，将两台试验产品某一离合器接合（倒、顺车），实现台位的封闭，然后按要求提高驱动转速，运行稳定后，通过液压加载器进行加载，形成封闭功率流的内部转矩；负载试验过程中，电机只需要补偿台位运行的功率损失，以达到节能功效。

2 试验台的基本参数

目前，杭齿前进研制的该类型试验台，主要适用于300、400、600系列船用齿轮箱的性能及其可靠性试验需要。

2.1 试验台的总体参数

（1）主驱动电机功率 132kW；

（2）试验台最高转速 2000r/min；

（3）试验台额定封闭功率 1000kW；

（4）试验台额定封闭扭矩 5500N.m。

2.2 试验台总体尺寸及重量

长度7m，宽度2.5m，中心高1.1m，台位总高1.75m，重量：12t。

3 试验台的硬件系统

3.1 动力设备

动力设备的选用。对比发动机输入动力的可控性差、噪声大、体积大且有污染环境的气体排放等，电机具有体积小、噪声小、操作性及维护性好等优点；通过对试验产品的技术参数及使用工况进行分析，结合船用产品离合、换向过程会带来冲击载荷的特点，确定系统的动力设备选择采用变频电机及变频器。

变频电机及变频器的参数确定，主要依据试验台本身机械部件的空耗、试验产品的空耗、船用产品的离合、换向的特性情况。例，600系列试验台，试验台本身空耗为40kW，两台被试产品空耗约45kW，结合600产品，空负荷状态下，离合器接合冲击扭矩特性，选择变频电机132kW、4级，变频器132kW；试验台调试结果，在转速1800r/min、封闭功率1000kW工况下，电机输出功率约105kW，同时满足试验中的离合、换向冲击的要求。

3.2 辅助齿轮箱

辅助齿轮箱设计时充分考虑了试验台运行时要求其可靠及长寿命的特点，齿轮件采用优质齿轮钢，渗碳淬火、磨齿、精度6级，箱体设计则主要考虑其刚度及分布的合理性等问题；结合船用齿轮箱具有倒顺、离合及自带油泵（有的是内置油泵）的特点，两台辅助齿轮箱的结构采用相同跨距、一台两级和一台三级布置，使两被试产品输入转向一致，实现两台试验产品同时进行试验，以提高测试效率；辅助齿轮箱的技术参数按试验台的额定封闭功率、额定封闭扭矩及最高转速设计。

3.3 转矩转速传感器

为满足不同产品的试验的精度要求，配备了5000 N.m、10000N.m两种量程的盘式传感器；为了方便更换时的安装及调整，系统采用模块化设计，将传感器、底座、支撑座、轴承、弹性联轴器进行整体组合；传感器的整体设计，有效解决了台架安装的附加转矩、弯矩对测量设备的影响，同时节省了其安装、调整时间。

3.4 液压加载器及液压系统

加载设备的选择。由于船用齿轮箱的结构、传动原理特点及机械封闭试验台的构成原理，系统采用液压加载器作为加载装置；其具有体积小、较大的扭转角、多种加载模式、反应迅速、传动噪声低且能实现自动及方便远程控制等优点。为提高试验台的维护方便及经济性，结合台架布置的空间及台位的测试功能，将加载器、配套液压系统、冷却装置进行的整体设计。

（1） 液压加载器构成及工作原理。

液压加载器主要由有缸体、转子轴、叶片、输出轴、分油器、联接法兰及油箱支撑座等组成；定子叶片和转子叶片将工作腔分成A、B两部分，工作时，压力油通过分油器，通入其中一腔，带动叶片旋转，同时通过输出轴带动负载转动，产生转矩；转矩值通过调节液压系统，以改变两腔的压力差实现。

（2） 液压加载器结构设计。

本加载器采用双叶片的结构，叶片联接采用分离式，通过螺栓与定位销实现与输出轴及有缸体的定位和联接；通过通过螺栓与定位销实现输出轴、轴承座与油缸体的定位和联接；转子轴通过轴承、轴承座与输出轴定位，处径向浮动状态；传动部件通过轴承安装于油箱支撑座；加载器的密封主要有两部分，叶片的端面及叶片与油缸体的间隙采用密封条密封，叶片转子轴的间隙采用O型圈密封，同时通过液压系统建立一定的背压提高密封效果。

（3）液压系统。

液压系统主要由配油座、油泵、安全阀、电磁换向阀、背压阀、电液比例阀及滤油器和温控器、冷却器等组成。安全阀作为系统的压力超过允许值时的压力自动释放装置元件，确保系统的正常运行；滤油器用于是对液压油进行过滤，控制油的洁净程度；被压阀用于调节低压回路的压力；通过电液比例阀调节系统的压力，同时实现远程的控制。

3.5 冷却系统

在试验过程中，被试件、辅助齿轮箱、加载器都会产生大量的热量，需要冷却；为达到节能及环保的需要，增加了冷却循环系统。

4 试验台的应用

杭齿前进研制的上述试验台，于2014年8月正式投入使用，其中以600产品为媒介，在输入转速1800r/min、封闭功率845kW的工况下，连续运转50h，另外对300、400系列产品进行了多次的负载试验；过程中除了对液压加载器部件、变频器控制一些调整外，其余都满足试验台的设计要求。

调试和运转过程中，出现了一些问题，如试验产品换向过程中，由于瞬间冲击扭矩，导致电流过大，带来变频器强制保护的情况；通过更改变频器的设置，当电流超过额定电流后，变频器会主动降频，使输出电流保持在额定电流以内，然后在回到系统要求频率，以避免了电机在冲击负荷时产生“闷车”现象；转子叶片的自由度由于转子叶片与油缸端面间隙过小而影响正常工作，在泄露可控的条件下，通过对间隙调整，由原来的0.05 mm，放大至0.1 mm，从而达到加载器扭转角预调整的效果。

5 结语

（1）船用齿轮箱机械封闭式试验台的主要功能，是采用小功率的驱动电机和液压加载的形式使系统产生较大的传动功率，以达到产品负载试验的需要；同时能满足产品的空负荷性能试验，包括低速液压性能、离合器性能、报警系统检测等。

（2） 试验台具有一定的通用性，通过对轴向位置的变动、产品输出端的对接装置的更改，即可实现对不同产品的试验。

参考文献

[1]李喜梅，容一鸣.机械封闭式功率刘试验台原理[J].机械研究与应用，2011.

[2]安永东.大扭矩封闭试验系统加载器研制及其均匀特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

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