船舶大功率齿轮传动装置的技术发展现状与展望

朱林华

（杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，浙江 杭州 311203）

对于现代船舶而言，更高功率密度及混合驱动的齿轮转动装置发展现状良好，而且具有非常可观的前景。

1 船用传动装置的发展现状

在中国，最早的齿轮使用可以追溯到公元前400—200年，而国内现代化船舶传动装置的发展起于新中国成立后的50年代，典型的产品有杭州前进齿轮箱厂的HC、GW系列，重庆齿轮箱厂的GW、GC、GV系列。随着科技的不断发展，动力传动齿轮正在向着轻量化、高速化和多元化的方向发展。

目前，为了达到将齿轮轻量化的目的，普遍的解决方式是利用硬齿面技术，以提高传递功率密度的方式缩小齿轮的尺寸。实践研究表明，当圆周速度超过100 m/s时，运转所产生的热效应将会对齿轮传动装置造成不可忽视的影响，使齿轮产生磨损、变形，影响齿轮传动装置的正常工作。这样的实际情况，要求齿轮设计人员在齿轮装置的设计初始，就对将会产生的热变形进行修正，保证齿轮的正常啮合，这也是船舶大功率齿轮传动装置的关键技术之一。在齿轮制造技术方面想要解决这个问题，一个行之有效的方案就是在现有的硬齿面齿轮技术的基础上，进一步提高齿轮材料的性能。比如采用更高屈服强度、抗拉强度的Cr、Mo、Ni低合金钢。除了对齿面用钢的材料有特殊要求以外，还可以采用齿轮齿面修形、齿根抛丸强化、齿面特殊涂层等先进工艺技术提高齿轮的强度，从而满足大功率齿轮传动装置的需求。

随着船舶主机的发展以及大功率电机技术的成熟，使得大功率齿轮传动装置在大型船舶上的应用越加广泛，另外电力驱动或混合驱动的船舶也越来越多。

2 传动装置的主要失效形式

船用齿轮传动装置的故障主要有轮齿的失效、轴承的失效、离合器故障。其中，最多的是轮齿的失效，而由于齿轮传动具有的高精度性质，细微的侵蚀也能够对轮齿造成比较大的影响。轴承的失效、离合器故障也是常见故障原因，特别是这两类失效也会直接导致轮齿的失效。

2.1 轮齿失效

这类失效形式包括轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面剥落、齿面胶合、齿面塑性变形。其中，轮齿折断失效最严重，由于轮齿在进行传动时，每一个轮齿都相当于是一个悬臂梁，其齿根部的弯曲应力是最大的，有着比较高的应力集中，导致轮齿的折断通常都发生在齿根部分。轮齿的折断将直接导致齿轮传动装置无法运转，船舶将完全失去动力。因此，设计时一定要充分考虑船舶工况，避免发生此类失效。为了避免齿轮折断，目前常常采用加大齿根圆角半径、提高齿面制造精度以及进行齿面喷丸处理等方式。

2.2 轴承失效

这类失效形式包括剥离烧伤、裂纹缺陷、保持架破损、擦伤卡伤、生锈腐蚀、磨损、压痕碰伤、蠕变等。其中，磨损一般来说是不可避免的，轴承在高速运转过程中，随着时间的推移，滚道及滚子表面不可避免地产生磨损，导致间隙变大，长期大量磨损后将影响轮齿啮合精度，大修周期时一般要求更换轴承。另外，失效模式中，以擦伤卡伤最多，剥离烧伤最典型，上述失效形式主要因安装不当、润滑油清洁度不够、润滑冷却不充分引起。主要措施有保证安装清洁度、轴承间隙调整恰当、润滑冷却充分等。

2.3 离合器故障

此类失效主要发生在船舶动力顺车及倒车接排过程中，主要分为摩擦片打滑、摩擦片烧坏、离合器不动作等。操作不当、离合器传递能力不足、液压系统故障是产生以上失效的主要原因。综上所述，可以发现船舶齿轮传动装置的失效的原因有设计不合理、安装操作不当、荷载过大之外，润滑油的不恰当使用也会造成很大的损坏，影响齿轮的传动效率。

3 电力驱动的应用

电力驱动船舶的历史至今有170多年，与齿轮传动的源远流长相比，电力驱动是一项新生的技术。船舶主机功率要求大，特别是海船，传统的电力技术局限性大，但随着最新电子技术的突破，大功率变频器、整流装置的应用越来越广泛，电力驱动的优势也越来越明显。

电力推进装置有响应快、在紧急状态时能够更加高效地处理问题的特点，提高了安全指数。电力推进装置轴系布置灵活，柴油发电机组可以放在机舱任何位置，大大提高了船舶的空间利用率。对于大型船舶而言，电力驱动的另一高效应用方式为PTO、PTI模式的应用，该项技术特别对于单机单桨的船舶可以大大提供船舶的经济性及安全性。

混合驱动作为船舶推进系统的一种创新应用模式，在高速游艇等小型船舶上最受欢迎。该类船舶对整船质量要求极度敏感，而一般游船需要配置相对较大的发电系统，以满足船舶娱乐及特殊设备供电需要。当正常航行时，该发电机组多数处于闲置状态，而混合驱动的运用完美地解决了上述问题——当需要航速时，该发电机组的能源可以通过齿轮传动装置使主柴油机与电机同时驱动螺旋桨，从而实现高航速的需求。混合驱动作为新技术，仍然存在一些问题，比如结构复杂、功率分配不均等，仍需要对其进行进一步的研究。

4 结束语

大功率齿轮传动装置作为一种效率高、寿命长的高精密装置，在船舶工程中的应用是非常广泛的，就目前的发展情况而言是很乐观的。但随着主机的发展、大功率电机技术的成熟，船舶的电气化以及智能化是新型船舶的必然趋势。因此，传统的船舶齿轮传动装置局限性将越来越大，电力驱动、混合驱动各类新形式将会不断出现。同时，随着机械自动化的不断推进，性能优秀的新材料也在不断地被研发出来，相信在不久的将来，大功率齿轮传动装置的现有问题也会得到解决，船舶齿轮传动装置的前景广阔。