雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)

王 婷 周鋒巍 馬 牛

節(jié)能減排是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的大勢(shì)所趨，各行各業(yè)都在跟進(jìn)，船舶行業(yè)也出臺(tái)了《綠色船舶規(guī)范》和《船舶能效管理認(rèn)證規(guī)范》。在提高“船舶設(shè)計(jì)效能”方面，雙速比齒輪箱設(shè)計(jì)一直是重要的課題之一。本文側(cè)重于拖網(wǎng)漁船雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)，拖輪雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)大同小異。

拖帶船舶螺旋槳設(shè)計(jì)工況的選擇

拖帶船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)工況，一般有三種航速可供選擇，其分別為自由航速、拖帶航速和折中航速。就定距槳而言，如果按自由航行工況設(shè)計(jì)螺旋槳，當(dāng)自由航行時(shí)，船、機(jī)、槳的匹配達(dá)到最佳狀態(tài)，主機(jī)功率可以全部發(fā)揮，自由航行的航速會(huì)達(dá)到最大值；但在拖帶時(shí)，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)變小，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩系數(shù)加大，主機(jī)受額定轉(zhuǎn)矩的限制，功率不能全部發(fā)揮，螺旋槳的推力會(huì)相對(duì)偏小。反之，如果按拖帶工況設(shè)計(jì)螺旋槳，當(dāng)拖帶航行時(shí)，船、機(jī)、槳的匹配達(dá)到最佳狀態(tài)，主機(jī)功率可以全部發(fā)揮，螺旋槳的推力達(dá)到最大值；但在自由航行時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)矩變小，主機(jī)受額定轉(zhuǎn)速所限，功率也不能全部發(fā)揮，航速會(huì)相對(duì)偏低。為均衡上述利弊，也可以選折中的航速進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體工況的選擇，需要抓住主要矛盾之后再行決定。例如，救助拖輪應(yīng)盡快趕到發(fā)生事故的水域進(jìn)行救助，其主要矛盾是追求最大航速，拖力略低一些則無關(guān)大局，故螺旋槳應(yīng)按自由航行的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)；港作拖輪的主要矛盾是獲取最大的拖力，其航程有限，航速略低沒有關(guān)系，故螺旋槳應(yīng)按拖航工況設(shè)計(jì)；其他拖輪的螺旋槳視情況也可以按折中工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

拖網(wǎng)漁船作業(yè)的特點(diǎn)

拖網(wǎng)漁船存在兩種典型的作業(yè)工況，一種是自由航行工況，另一種是拖網(wǎng)工況。多年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在航次作業(yè)中，拖網(wǎng)時(shí)間要占70%，自由航行時(shí)間只占30%。大部分漁船的拖網(wǎng)航速約為3.5kn～4.5kn，自由航行的航速約為10kn～12kn。在不同的航速中，船舶阻力、螺旋槳推力與所需主機(jī)功率大不相同。從經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的角度考慮，不論是拖網(wǎng)還是自由航行，若主機(jī)功率都能充分發(fā)揮，并達(dá)到與船舶阻力和螺旋槳推力良好的匹配，就能取得經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。該類設(shè)計(jì)可以有兩種選擇，一是采用可調(diào)螺距螺旋槳，二是采用雙速比齒輪箱。兩者相比，雙速比齒輪箱具有簡(jiǎn)單可靠、維修方便和造價(jià)低廉等特點(diǎn)，漁民樂于接受，推廣應(yīng)用會(huì)更加容易。

拖網(wǎng)漁船雙速比齒輪箱設(shè)計(jì)工況的選擇

對(duì)于雙速比齒輪箱的設(shè)計(jì)，有一級(jí)減速比和二級(jí)減速比之分。一級(jí)減速比就是按初選設(shè)計(jì)工況為自由航行（或拖網(wǎng)）設(shè)計(jì)螺旋槳，在船機(jī)槳最佳匹配時(shí)，求取航速（或推力）最大的螺旋槳轉(zhuǎn)速所決定的減速比。二級(jí)減速比就是按已經(jīng)確定的螺旋槳，調(diào)整在另一個(gè)工況下的轉(zhuǎn)速，在主機(jī)發(fā)揮全功率的情況下，由推力（或航速）最大的螺旋槳轉(zhuǎn)速所決定的減速比。

拖網(wǎng)漁船不會(huì)先按折中工況設(shè)計(jì)好螺旋槳之后，再反推自航和拖網(wǎng)工況的雙級(jí)減速比。但在一級(jí)減速比究竟按自航工況設(shè)計(jì)還是按拖網(wǎng)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題上，一直存在有不同的見解，畢竟一級(jí)減速比追求的目標(biāo)都會(huì)小有優(yōu)勢(shì)。有人認(rèn)為按自由航行設(shè)計(jì)時(shí)航速快，可以快去、快回和快速轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)，節(jié)省時(shí)間，增加捕撈效益，故一級(jí)減速比按自由航行設(shè)計(jì)為好。有人認(rèn)為按拖網(wǎng)工況設(shè)計(jì)時(shí)螺旋槳推力大，拖速快，逃魚率低，同樣拖網(wǎng)時(shí)間掃海面積大，捕撈量大，效益高，故一級(jí)減速比按拖網(wǎng)工況設(shè)計(jì)為好。究竟如何，應(yīng)以經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)論為準(zhǔn)。

兩種方案經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比

現(xiàn)有某441kW拖網(wǎng)漁船，其方案A的一級(jí)減速比按自由航行設(shè)計(jì)，航速可達(dá)11.50kn，其在二級(jí)減速比拖網(wǎng)時(shí)最大拖速是3.78kn；其方案B的一級(jí)減速比按拖網(wǎng)4.00kn的工況設(shè)計(jì)，其在二級(jí)減速比自由航行時(shí)，最大航速是11.31kn。現(xiàn)按十天一個(gè)航次作業(yè)240h計(jì)，其中，拖網(wǎng)時(shí)間占70%，自由航行時(shí)間占30%，兩方案時(shí)效對(duì)比的情況如下：

方案A一個(gè)航次作業(yè)240h的全程，由方案B完成所需要的時(shí)間。

240（11.50/11.31×0.3+3.78/4.00×0.7）=231.97h

方案B一個(gè)航次作業(yè)240h的全程，由方案A完成所需要的時(shí)間。

240（11.31/11.50×0.3+4.00/3.78×0.7）=248.59h

以上計(jì)算表明，一個(gè)航次相同的作業(yè)過程，方案B要比方案A節(jié)省8個(gè)多小時(shí)。大約相當(dāng)于每個(gè)航次可以多拖3個(gè)網(wǎng)次，若概略估算，大約可以增收4.78%（8.03/（240×0.7）=0.478）。可以說，拖網(wǎng)漁船齒輪箱的一級(jí)減速比按拖網(wǎng)航速設(shè)計(jì)是最佳方案。

設(shè)計(jì)案例

以上是拖網(wǎng)漁船雙級(jí)減速箱設(shè)計(jì)的工況選擇，具體設(shè)計(jì)尚需注意若干問題。例如，理論上是低轉(zhuǎn)速大直徑的螺旋槳效率高，但并不是直徑越大轉(zhuǎn)速越低越好，超過一定限度后其效率反而會(huì)下降，這從圖譜環(huán)形的等效曲線可以明顯地看出，最高效率的極值點(diǎn)很小很小，且只能有唯一的組合，其他組合偏離了極值點(diǎn)的效率都會(huì)下降。另外，螺旋槳直徑還要受到船體艉框的限制，低轉(zhuǎn)速也要受到大減速比齒輪箱的尺度、生產(chǎn)工藝等限制，故設(shè)計(jì)時(shí)只能取得某種條件下的最佳，而不是絕對(duì)的最佳。現(xiàn)將其設(shè)計(jì)步驟分述如下：

1.已知條件

主機(jī)額定轉(zhuǎn)速NH=1500r/min，主機(jī)額定功率PB=635ps；軸系傳遞效率ηS=0.945，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηR=1.0，螺旋槳收到功率PD=PBηS=600ps；伴流分?jǐn)?shù)w=0.213，推力減額分?jǐn)?shù)t=0.205；拖網(wǎng)速度Vt=4.0kn，VA=0.5145（1-w）Vt=1.62m/s ；船身效率ηH=（1-t）/（1-w）=1.01 ；船舶有效馬力曲線PE=（VK）。

2.按拖網(wǎng)工況設(shè)計(jì)確定第一級(jí)轉(zhuǎn)速N1及減速比i1

（1）先按艉框允許最大螺旋槳直徑D（本船D=2.4m）及齒輪箱可取的最低轉(zhuǎn)速N設(shè)計(jì)螺旋槳，最低轉(zhuǎn)速N由齒輪箱廠的生產(chǎn)能力以及齒輪箱尺寸大小的限制來確定，本船取N=180r/min；

（2）保持轉(zhuǎn)速N不變，降低一檔槳徑（本計(jì)算取D2=2.2m）進(jìn)行計(jì)算，然后和（1）D=2.4m計(jì)算的推力大小進(jìn)行比較；

（3）若直徑減小后推力增大，則再降低一檔槳徑進(jìn)行第3次計(jì)算；若推力變小，則第3次用反向插值中間的槳徑（本計(jì)算取2.3m）來計(jì)算推力；直至可以畫出曲線的走勢(shì)，并能按曲線極值點(diǎn)插值出最佳直徑的螺旋槳為止（曲線的走勢(shì)一般有3點(diǎn)就可以大致決定）。

上述（1）（2）（3）的計(jì)算步驟見表1。

（4）由表1可以看出，槳徑2.4m推力最大。現(xiàn)保持槳型不變，變換轉(zhuǎn)速，計(jì)算高于最低轉(zhuǎn)速180r/min時(shí)的推力，看看是否有推力更佳的轉(zhuǎn)速。方法類似上述（3），找出曲線走勢(shì)后，按曲線極值插值出最佳轉(zhuǎn)速N1，具體計(jì)算見表2。

由表1、表2計(jì)算可以看出，由最大推力T=8425kg決定的MAU4-55螺旋槳要素為:

D=2.4m；P/D=0.76；N1=180r/min；雙速箱的第一級(jí)減速比為i1=1500 ：180=8.33:1。

（5）此時(shí)可以先進(jìn)行空泡校核，因空泡多發(fā)生在螺旋槳重負(fù)荷工況，滿足拖網(wǎng)空泡的螺旋槳，自由航行時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生空泡。其校核方法（過程省略）是：

①若不滿足空泡要求，直接按上述決定的D及N1，加大葉面比為0.70選取螺旋槳，然后插值出葉面比滿足空泡要求的螺旋槳（葉面比AE/AO=XX、螺距比P/D及推力T）。直接按D及N1進(jìn)行計(jì)算比較簡(jiǎn)單，且對(duì)最佳螺旋槳并無大的影響。當(dāng)然，如果以新的葉面比按表1～表2的形式確定出另一只新槳，再去插值滿足空泡的螺旋槳，當(dāng)然更好了；

②若已經(jīng)滿足空泡要求，且空泡余量有限，可以確認(rèn)該MAU4-55螺旋槳即為設(shè)計(jì)槳。

③若已經(jīng)滿足空泡要求，且空泡的余量較大，可以減小葉面比為0.40按上述D及N1選取螺旋槳，然后插值出新的葉面比為XX滿足空泡的螺旋槳。

表1 變換直徑選擇最大推力的螺旋槳（按MAU4-55）

表2 變換轉(zhuǎn)速選擇第一級(jí)轉(zhuǎn)速N1（按MAU4-55）

表3 求取可達(dá)到的自由航速（MAU4-XX槳，D=2.4m，P/D=0.76）

3.按自由航行工況計(jì)算第二級(jí)轉(zhuǎn)速N2及減速比i2

（1）按上述最終確定D=2.4m、P/D=0.76的MAU4-XX槳，用變換轉(zhuǎn)速來求取可達(dá)的自由航速，具體步驟見表3。

（2）用表3插值出的VK，在假定的轉(zhuǎn)速上插值出對(duì)應(yīng)的第二級(jí)轉(zhuǎn)速N2。

（3）用N2可以計(jì)算出第二級(jí)轉(zhuǎn)速比i2=（1500/N2）: 1

4.其他

（1） 經(jīng)拖網(wǎng)工況校核滿足空泡要求的螺旋槳，其自由航行一般都不會(huì)發(fā)生空泡，可以不再進(jìn)行空泡校核。

（2）圖譜槳雖然極少產(chǎn)生強(qiáng)度問題，但螺旋槳強(qiáng)度校核的程序仍要履行。

（3）以上僅為演示計(jì)算的過程，表列的圖譜插值等難免有誤，僅供參考。