船用减速齿轮箱技术状态评估指标构建研究

朱晴，耿俊豹，牛建钊，刘凌刚

（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）

船用减速齿轮箱技术状态评估指标构建研究

朱晴，耿俊豹，牛建钊，刘凌刚

（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）

根据船用减速齿轮箱的结构和功能，构建减速齿轮箱技术评估指标体系。主要确定了齿轮、轴和滑动轴承3个关键部件的技术状态评估参数。评估齿轮技术状态的指标定为啮合频率和谐波分量两个参数；轴的技术状态评估选择振动偏移量参数；滑动轴承技术状态评估选择轴承温度参数。

技术状态评估；减速齿轮箱；指标体系

减速齿轮箱作为一种动力系统部件具有改变速度、转向、分配动力、离合的重要功能，是船用动力系统完备的不可或缺的组成部分。船舶运行环境恶劣，一旦出海，船舶动力系统的完好程度直接影响船舶的安全性，因此，减速齿轮箱是船舶装备中比较关键部件，对减速齿轮箱的技术状态评估也尤为重要。

设备技术状态评估方法比较多，但是首先需要构建的是评估指标体系[1]。本文，将根据船用减速齿轮箱的结构和功能，构建减速齿轮箱技术评估指标体系。首先简单介绍减速齿轮箱的基本功能和结构；其次构建减速齿轮箱技术评估指标体系；最后，简单介绍基于本文评估指标体系的减速齿轮箱技术评估方法。

1 船用减速齿轮箱基本功能和结构

船用减速齿轮箱的主要功能是将主机工作时产生的动力传递给动力轴系，最终传给螺旋桨[1]。通常船用主机输出端的转速很高，对于螺旋桨和轴系而言这样高的转速是超负荷的，易打坏桨叶，造成轴系金属损伤。所以船用通常使用齿轮箱齿轮副的减速作用来实现。

根据输入输出轴的布置形式不同，有单轴输入单轴输出的水平异心式、垂直异心式、功率二分支水平同心式、功率二分支垂直异心式等；双轴输入单轴输出的主要布置形式如三齿轮结构、五齿轮结构以及七齿轮结构等；以及双轴输入单轴输出、双轴输入双轴输出和三轴输入双轴输出等形式。根据达到减速要求的方法不同，有一级减速、二级减速以及行星齿轮减速器等。本文所参考的齿轮箱为通用型的单级船用齿轮箱[2]。

单级齿轮箱属于一级减速，所以称为单级齿轮箱。这种齿轮箱结构简单，性能可靠。常见的单级减速齿轮箱主要部件包括：齿轮副、轴、滑动轴承。

2 船用减速齿轮箱技术状态评估指标

速齿轮箱主要部件包括：齿轮副、轴、滑动轴承。根据这3个部件来确定其评估指标体系。

2.1 齿轮副技术状态评估指标

对于齿轮而言，在它的工作过程全程，都会伴随着振动和振动信号的产生，比较明显集中体现在频谱上的啮合频率和高次谐波的变化上。选用齿轮箱齿轮的啮合频率和谐波分量作为齿轮的技术状态评估参数。齿轮箱齿轮的振动特点有[3]：

（1）断齿的振动信号特征：轴系在转动时，在断齿参与啮合处会发生很大的冲击振动，在频域上表现为啮合频率及其高次谐波附近出现了间隔为断齿轴转频的边频带，边频带数量多、幅值较大、分布较宽。同时会激起固有频率，产生齿轮固有频率调制现象，出现以齿轮各阶固有频率为中心频率，断齿所在轴的转频及其高次谐波为调制频率的调制边频带。

（2）齿型误差的振动信号特征：从齿轮故障诊断的角度，凡是造成齿轮齿型改变的故障，都是齿型误差。发生齿型误差时，测得的齿轮箱箱体振动信号主要特征表现为：会产生齿轮啮合频率和高次谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频和其倍频为调制频率的啮合频率调制现象。一般的齿型误差产生的调制边频带窄，以一阶转频调制为主，且边频带幅值低，当齿型误差严重时，会产生较大的冲击激励，此时能量较大，调制产生的边频带幅值宽度都很大，出现以齿轮各阶固有频率f载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频mf（m为1、2、3）为调制频率的齿轮共振调制频率。

（3）齿轮均匀磨损：在齿轮箱均匀磨损时，一般不会对齿型产生大的改变，振动信号在频谱上表现为啮合频率及高次谐波的幅值明显增大，但不会产生明显的调制现象。

2.2 轴的技术状态评估指标

齿轮箱内的轴，在它的工作过程全程，同样都会伴随着振动和振动信号的产生。比较容易测取的参数是通过电涡流传感器测取的振动偏移量信号。因此，本文选用齿轮箱轴的振动偏移量作为转轴的技术状态评估参数。

通常采用的评价标准有两种：一是测量偏移量的峰峰值，二是稳定运行时振动幅度变化量。当轴发生故障时，普遍会发生峰峰值的增大，且故障越严重轴振动偏移量峰峰值越大。

2.3 滑动轴承的技术状态评估指标

对于滑动轴承，当轴承发生故障时，轴承温度会明显上升，且温度过高会对轴承进一步造成危害。轴承中的热量主要是由摩擦损失的功率转变而来的，当轴承发生故障时，轴承温度会明显上升，且温度过高会对轴承进一步造成危害。因此，选用轴承温度作为齿轮箱滑动轴承的的技术状态评估参数。

如果滑动轴承的热平衡平均温度超过了90℃，则说明轴承在工作中存在异常现象，诸如过载、磨损严重、供油系统不正常等，必须采取措施，防止故障进一步扩大。

3 船用减速齿轮箱技术状态评估方法

在确定考虑各关键部件的技术状态评估指标后，下一步选取合适的技术状态评估方法。本文建议采取模糊理论来开展技术状态评估，该方法的基本步骤如下所示[4]：

（1）建立二级评价因素集。其中，B为齿轮，S为轴，R为滑动轴承；

（2）根据专家评议确定评价因素的权重；

（3）构建船用减速齿轮箱和各关键部件的技术状态等级；

（4）对齿轮、轴和轴承开展基于各自评估指标的技术状态，得到3个关键部件的技术状态等级；

（5）采用模糊理论，根据各关键部件的技术状态评估出船用减速齿轮箱的整体技术状态。

4 结束语

本文将船用减速齿轮箱技术状态评估细分为齿轮、轴和滑动轴承的技术状态评估，简化船用减速齿轮箱技术状态评估的复杂性，使得技术状态评估趋于明朗化。同时，参考国内有关文献，分别构建了齿轮、轴和滑动轴承的精练的技术状态评估指标，值得在工程应用中参考。

[1]耿俊豹，邱玮，孔祥存，等.基于粗糙集和D-S证据理论的设备技术状态评估[J].系统工程与电子技术，2008，30（1）：112-115.

[2]丁康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005：23-24.

[3]程超.船用齿轮箱状态评估技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[4]陈水利，李敬功，王向公．模糊集理论及其应用[M]．北京：科学出版社，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，江苏镇江人，工学学士，研究方向：舰船动力工程；耿俊豹（1973-），男，江苏徐州人，博士，副教授，研究方向：可靠性维修性保障性工程；牛建钊（1991-），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：可靠性维修性保障性工程；刘凌刚（1992-），男，江西吉安人，硕士研究生，研究方向：可靠性维修性保障性工程。