中速柴油机盘车机开发与设计

洪德新

（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）

0 引言

大功率柴油机通常作为船用主机，是船舶最重要、最核心的设备之一。作为船用主机的盘车机构，盘车机可以带动主机飞轮的盘车运转，通过外力调整主机活塞位置，使主机活塞处于最佳位置；在船用主机组装时，通过盘车机带动飞轮可用来检验主机活塞等部件的配合是否满足要求；盘车机还可用于调整主机缸体内的空间位置，方便装配和试验，也方便使用人员观察缸体的情况。根据柴油机规格及功率大小的不同，盘车机的性能指标、外形结构、安装方式会有所不同。PA机为法国热机协会开发的中速机型，在国外，其盘车机是成熟产品，主要使用蜗轮蜗杆和行星轮 2种传动机构。该产品供货周期长、产品外形单一、采购成本和维修成本较高。目前，国内盘车机制造厂商推出的、能够满足船用主机实际使用要求的盘车机产品一般使用行星轮或蜗轮蜗杆这 2种传动机构，比对 2种机构的可靠性，优先选用采用蜗轮蜗杆机构的盘车机。

1 盘车机的关键技术及试验验证

在熟悉PA机技术特点的基础上，以16PA6盘车机为例，进行开发设计。

1.1 盘车机的主要技术指标

盘车机的主要技术指标包括：1）扭矩为440 N·m；2）减速比为 1∶40；3）柴油机/电动机转速比为1∶765.3；4）启动方式为直接启动。盘车机使用 Y-H型船用电机，电机功率2.2 kW、转速940 r/min（同步转速960 r/min）、防护等级IP55、绝缘等级F级。输入电源为三相AC380 V/50 Hz。

盘车机减速机构中，蜗轮轮毂材料为合金铸铁，轮缘材料为磷青铜，蜗杆材料为淬火钢。盘车机壳体由铸铁浇铸而成。

1.2 盘车机的基本设计计算

蜗杆头数Z1=1，减速比i=40，蜗轮齿数Z2=i×Z1=1×40=40，电机效率 79%，P2=0.79×P=0.79×2.2=1.738 kW，蜗轮蜗杆传动效率η≈65%，输入扭矩[1]T1=9 550×P2/n=9 550×1.738/940 =17.66 N·m，输出扭矩T2=η×i×T1=0.65×40×17.66≈459.2 N·m。

1.3 关键技术

根据PA机盘车机扭矩、转速及自锁的要求，同时考虑到空间的限制，采用具备体积小、减速精度高、自锁性好、输出扭矩稳定、噪音低等优点的蜗轮蜗杆减速机构传动。同时，对蜗轮蜗杆传动部件的加工精度、材料强度提出要求。盘车机外形总图如图1所示。

图1 盘车机外形总图

1.3.1 传动减速装置

盘车机的关键技术之一是减速装置，电机通过减速装置带动盘齿的转动，从而带动主机飞轮的转动。减速装置使用蜗轮蜗杆机构，如图2、图3所示。设计减速装置时，需要将电机转速和盘齿的转速要求作为基础数值，并综合考虑额定负载、超载的工作时间等因素。结合减速箱形状大小的要求，确定蜗轮蜗杆的形状大小、尺寸模数以及所用材料，再进行相应的强度校核计算。

图2 蜗轮

图3 蜗杆

根据盘车机的工况条件，参照1.1和1.2中盘车机的技术要求和初步计算结果，进行蜗轮的强度校验。蜗轮材料的许用接触应力[σH]为393.762 N/mm2，许用弯曲应力[σF]为 158.333 N/mm2。

1）蜗轮齿面的接触应力强度的计算公式为

式中：KA为使用系数；KV为动载系数；Kβ为载荷分布系数。

2）蜗轮齿根的弯曲应力强度的计算公式为

必须同时保证σH≤[σH]和σF≤[σF]，否则校验失败，须重新进行参数设计[2]。计算得：蜗轮齿面接触强度σH为379.514 N/mm2，蜗轮齿根弯曲强度σF为84.932 N/mm2。σH≤[σH]，σF≤[σF]，蜗轮蜗杆的强度满足使用要求。

1.3.2 提升正转、反转输出扭矩的稳定性和一致性

盘车机在运行时，需要进行正转和反转来改变柴油机旋转方向，此时，要求正转、反转的输出扭矩稳定一致。

利用磁粉制动器作为负载，搭建了盘车机扭矩测试平台和测试设备，如图 4所示。通过转速扭矩传感器，读取盘车机扭矩和功率信息，配合输入电流电压，得出盘车机的运行效率。

图4 盘车机试验平台、测试设备

盘车机按试验大纲要求进行了试验，包括一般检查、空载运行试验、额定负载试验、启动停止试验等项目，试验数据见表1。

表1 试验项目

通过调整蜗轮蜗杆的间隙，记录正转和反转时的各1组试验数据，见表2、表3。

表2 负载试验（正转）记录表

表3 负载试验（反转）记录表

从表 2、表 3可以看出：盘车机实测正转扭矩在475 N·m～480 N·m 之间；实测反转扭矩在 475 N·m～483 N·m之间；2组正、反转扭矩均大于459.2 N·m，能满足设计要求，也大于技术要求的440 N·m，可认为该盘车机正转、反转输出扭矩的稳定性好、一致性较好。

1.3.3 对试验数据进行传动效率的验证计算

读取表2、表3中盘车机扭矩和功率信息，配合输入电流电压，来验证计算盘车机的运行效率。

从上文可知：输入扭矩Tin=9550×P/n；输出扭矩Tout=η×i×Tin[3]。当输出扭矩取 475 N·m 时，代入可得传动效率η=0.67，大于设计计算时所取得 0.65的传动效率。

2 结论

在盘车机的开发过程中，进行了理论计算、解决了关键技术、进行了试验验证及试验数据计算验证，得到的盘车机正、反转扭矩稳定性好、一致性较好，能够满足相关技术指标要求。在与柴油机实际联机试验后，也取得了良好的效果。