某型大功率中速柴油機齒輪箱模塊優化設計

秦立新，張艷軍，李 帆

（1.海軍裝備部駐上海地區第十一軍事代表室，上海200129；2.滬東重機有限公司，上海200129）

0 引言

大型中、高速柴油機是一種集成度非常高的專業設備，廣泛用于各種大型水面船舶、陸用發電站和核電應急設備等。隨著柴油機設計、制造技術的不斷進步，用戶也要求柴油機在功率密度更高、功能特性更強的同時，在功能、可靠性、維護操作方面也不斷優化提高。然而，作為設計和生產這些機械設備的制造商，為了滿足這些要求并降低生產成本，必定會不斷改進設計、優化工藝路線[1]。某型大功率中速柴油機是一款由我國自主開發設計的柴油機，其關鍵技術指標均處于世界先進水平。柴油機齒輪箱模塊就是其中一個非常關鍵的模塊，為確保該型柴油機可靠性高、維護性強，滬東重機有限公司對其開展了一系列優化設計。

1 某型柴油機齒輪箱組件結構介紹與分析

1.1 齒輪箱組件結構介紹

某型大功率中速柴油機是一種V 型布置的柴油機，其齒輪箱模塊組件布置于柴油機A列功率輸出端，組件主要包括若干傳動齒輪、齒輪軸、機帶燃油輸送泵、機帶燃油微噴泵、調速器執行器。其主要功能為：通過齒輪機構傳動，將柴油機曲軸動力傳遞到機帶燃油輸送泵、機帶燃油微噴泵、調速器執行器這3個部件，使其發揮各自功效，為柴油機的正常運行輸送燃油并執行油門控制指令。

圖1為現有齒輪箱模塊組件總體布置及安裝效果圖，圖2 為齒輪箱模塊組件裝配圖。由圖2可以看出，燃油輸送泵/微噴燃油泵（共軸）通過1個中間齒輪與柴油機正時中間齒輪傳動，調速器執行器安裝于模塊組件上部，通過直角齒輪箱與柴油機凸輪軸齒輪傳動，齒輪箱組件在總裝安裝后，與柴油機機架本體有2組齒輪裝配關系。

圖1 現有齒輪箱模塊組件布置圖

圖2 齒輪箱組件裝配圖

1.2 齒輪箱組件結構分析

了解上述齒輪箱布置及傳動方式，通過三維仿真裝配工藝設計進行分析，發現現有齒輪箱組件有如下幾點不足的之處：

1）結構布置不合理。齒輪箱模塊中布置有1個直角齒輪箱，而直角齒輪箱單元在日常運行中需要檢查其內部油位和定期加注齒輪油；一旦齒輪箱模塊組件總轉安裝后，直角齒輪箱單元包裹在其內部，則無法進行日常維護。

2）工藝性要求過高。齒輪箱模塊組件有2個齒輪需要分別與柴油機本體上正時齒輪進行嚙合傳動。因此，在齒輪箱模塊總裝時，需要同時保證2 組齒輪副的配合關系，這無疑增加了齒輪箱（特別是齒輪箱罩殼）各零部件的加工精度和總裝裝配難度。

3）運行可靠性低。直角齒輪箱為市場成品件，安裝在齒輪箱模塊中僅用4只M8螺栓固定，連接可靠性低；再者，齒輪傳動時會有沖擊振動，更加增加運行風險。同時，直角齒輪箱裝配時，需同時保證兩端的精密配合，也增加了裝配難度，工藝性差。

1.3 試驗驗證

為驗證上述設計是否可行，在該型柴油機樣機上開展了負荷試驗，柴油機進行啟動準備運行100%負荷時發生故障，啟動失敗；經拆檢發現，直角齒輪箱輸入軸斷裂。截止事故發生，柴油機樣機總共運行不到5h 時間，該事故表明齒輪箱組件設計存在不足，齒輪箱模塊需進行優化設計，以確保其可靠性。

2 齒輪箱模塊優化設計

2.1 優化設計邊界條件

齒輪箱模塊組件的優化，主要是對現有方案的布置不足進行改進設計，同時需兼顧齒輪組件傳遞有效性。因此，方案設計階段主要考慮以下幾點設計邊界條件：

1）齒輪箱（殼體）外形尺寸、組件數量

緊湊性、集成化是柴油機總體設計追求的目標。因此，為優化齒輪箱組件，要減小其外形，同時需減少其組件數量。

2）可靠性、維修性

齒輪箱各組件運行可靠、易于維護是優化設計的要求，也是最終的目的。為此，在設計優化時，理論上需進行力學校核，同時需從經驗上，盡可能避免隱性的風險。

3）工藝性

現代機床設備技術逐漸提高，能加工出精度高、結構復雜的零部件。齒輪箱模塊優化設計，需充分合理地利用現有科學技術，零部件設計精度既需滿足現有齒輪箱使用要求，也需合理，保證零部件的加工精度，間接降低裝配人為調整要求，提高裝配精度和零部件的互換性。

4）齒輪傳動有效

齒輪箱組件上主要有燃油輸送泵、微噴燃油泵、調速器執行器3個柴油機零部件。為使3個零部件有效運行并發揮功效，須在齒輪箱模塊優化設計時，布置好齒輪傳動的轉速比和傳遞力矩。

2.2 總體方案設計

基于以上優化設計條件，優化齒輪箱組件方案設計圖如圖3所示，相較于原齒輪箱模塊組件，新優化方案外形尺寸高度與原設計基本不變，長度縮短了120 mm。在齒輪總體傳遞布置上，齒輪箱模塊組件與柴油機本體間僅有1組燃油輸送泵齒輪嚙合。調速器運行需要的動力，可通過增加1組直齒輪嚙合傳動來實現，由燃油輸泵傳動齒輪軸提供，進而簡化傳動。燃油輸送泵齒輪及其中間齒輪的齒形參數保持原有設計不變，但燃油輸送泵齒輪中心位置越靠近柴油機，傳動會越緊湊。

圖3 齒輪箱組件優化設計布置圖

圖3 齒輪箱組件優化設計布置圖

從內部傳動結構布置看，優化齒輪箱組件取消了直角齒輪箱單元，改用傳統可靠的錐齒輪和傳動軸布置。齒輪箱殼體上各軸系固定加工孔，通過機加工保證其位置精度，簡化了裝配工藝的同時保證了精密配合，又保證了運行可靠性。同時，原直角齒輪箱單元取消，避免了其加注油的困難，優化齒輪箱組件的日常檢查維護，僅僅通過齒輪箱殼體的觀察窗進行，齒輪箱模塊維護方便。

通過建立齒輪箱傳動組件模型，進行各齒輪傳動安全校核[2,3]。其結果表明，各齒輪安全系數大于要求的最小許用值，齒輪設計安全。各新設計齒輪安全系數見下表1。

增加的調速器傳動中間齒輪軸采用傳統固定方法，通過力學計算，強度遠高于安全許用值。因此，齒輪箱模塊組件總體設計校核能滿足使用要求。

2.3 詳細設計

1）齒輪箱殼體

齒輪箱組件多個軸系、齒輪的運行需要有滑油提供，而新齒輪箱殼體延續了原殼體的優點，利用殼體上加工的腔道輸送滑油，因此，齒輪箱模塊組件總裝后，無需外接滑油管系，簡化了布置，提高了潤滑可靠性。見圖4。

表1 齒輪安全系數表

圖4 齒輪箱殼體油道布置圖

2）齒輪傳動軸

原燃油輸送泵中間齒輪傳動軸為“中間軸＋軸承蓋”設計，為了設計集成、簡化結構，優化時，對此傳動軸和新設計的調速器中間齒輪傳動軸與“軸承蓋”一體化設計，利用齒輪箱殼體上的傳動軸中心孔進行固定。見圖5。

圖5 齒輪傳動軸設計效果圖

2齒輪傳動軸一端依托殼體上一體化澆鑄軸承孔固定，模塊組件零部件數量減少，結構簡化，也間接提高了運行可靠性。

3）齒輪

對于燃油輸送泵中間齒輪，原設計齒輪輪轂部分寬度大于齒寬，此設計不利于齒輪的批量化生產；新設計中，也對此進行了優化。調速器執行器傳動錐齒輪與花鍵集成化設計，使齒輪箱上部占據空間更小，布置緊湊。

圖6 原燃油中間齒輪設計效果圖

圖7 優化后燃油中間齒輪設計效果圖

圖8 錐齒輪軸設計效果圖

3 結論

通過對該型大功率中速柴油機齒輪箱模塊組件開展優化設計，解決了設計中可靠性、集成化不高、不便于維護的不足，并經過設計評審、工藝評審對局部進行微小調整，使整個齒輪箱模塊組件裝配工藝性更強。后續將持續跟蹤實際裝機使用運行效果。

為避免受制于人，掌握產品核心技術和設計主動權，我國已經意識到必須走自主設計道路，才能研發出屬于自己知識產權的產品。完成一個個類似上述部件的自主優化設計，不斷積累設計實踐經驗，相信不久的將來定會設計出不論外觀還是性能都優于國際上同時期的產品。