挖泥船疏浚传动齿轮箱全生命周期管理系统研究

挖泥船疏浚传动齿轮箱全生命周期管理系统研究
作者：张雷袁瑞军杜巧玲李娜吴育芳
来源：《广东造船》2024年第02期
摘要：本文簡要介绍了挖泥船疏浚传动齿轮箱的全生命周期管理系统研究。

通过滑油在线检测和其他辅助检测手段，对大型传动齿轮箱关键运动部件的磨损和潜在故障进行建模分析，提出解决传动齿轮箱动态诊断和计划维护方案，以提高挖泥船传动齿轮箱全生命周期维护使用的科学性和经济性。

关键词：挖泥船；传动齿轮箱；滑油；温度；健康管理
中图分类号：U664.22 文献标识码：A
Full Lifecycle Management System for Dredging Transmission Gearboxes of Dredger
ZHANG Lei， YUAN Ruijun， DU Qiaoling， LI Na， WU Yufang
（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd.， Guangzhou 511462 ）
Abstract： This paper outlines the full lifecycle management system research on dredging transmission gearbox of dredger. Through lubeoil on-line detection and other auxiliary checking methods， a model is established for analyzing the wear & tear and potential faults for key moving parts of large transmission gearbox and the dynamic diagnosis and plan maintenance schemes are proposed for solvement of transmission gearbox， so as to improve the scientific & economic full lifecycle usage and maintenance for dredger transmission gearbox.
Key words： dredger; driving gearbox;L.O.; temperature; health management
1 前言
传动齿轮箱是挖泥船疏浚系统的常用设备，在泥泵和绞刀等疏浚装备的驱动系统真起作重要作用。

在疏浚作业工况下，传动齿轮箱往往会受到各种震动因素影响而造成其部件受损，其中轴承和传动齿轮尤其频繁。

而传动齿轮箱通常结构紧凑，有效检修空间受限，其故障检测难，且难以有效预测。

发生故障后往往易造成较大的经济损失。

本文对挖泥船传动齿轮箱全生命周期管理系统进行研究，以减少其故障隐患，提高产品全生命周期内维护使用的科学性和经济性。

2 传动齿轮箱基本情况
以绞吸式挖泥船为例，通常其疏浚作业装备系统包括：泥泵系统、绞刀系统、高压冲水泵系统等。

主要设备由原动机（电机或柴油机）、传动齿轮箱、疏浚设备（泥泵、绞刀、高压冲水泵）组成。

疏浚传动齿轮箱在系统中起着变速和传递动力的作用。

一旦传动齿轮箱出现故障，会造成疏浚作业装备系统瘫痪。

因此传动齿轮箱的健康是疏浚系统连续作业的重要保障。

3 挖泥船传递齿轮箱的健康运维分析
针对传动齿轮箱运维的重点目标，通过故障的特征提取和共性整合，采取振动在线检测系统、滑油检测系统和温度检测系统方案进行复合评估，实施对传动齿轮箱多维度的健康诊断。

基于齿轮箱的磨损和机械损伤具有时间累积性的特点，采用基于微分求导的数学方法进行诊断分析，通过基于时间的微分比对，通过不同的取样参数变化率实现对未来恶性事故的预判。

3.1 动齿轮箱轴承的磨损检测
传动齿轮箱的轴承通常有两种型式：滚动轴承和滑动轴承。

采用问题反向推导法，可以得出轴承的损伤所会引起以下主要问题：1）因为轴承损伤造成摩擦系数增加，而引起轴承成温
度升高；2）单点损伤会在旋转运动中引起轴承异常周期振动；3）滑动轴承采用循环滑油进行润滑冷却的过程中会带走超出正常的机械磨损金属屑。

基于以上的目标问题，可以采用以下方案进行数学建模解决：
1）承机械损伤的直接反应就是轴承温度升高。

轴承工作温度与轴承的冷却方式和设备工作负荷直接相关，因此轴承温度的判定需要和环境温度及工作负荷关联起来，可以通过以下模型公式实现诊断：
TM=Ax<TS-（TF1-TF0）>xLW/L0 （1）
诊断策略说明：
D=（TM2-TM1）/（t2-t1）（2）
C=（D2-D1）/（t2-t1）（3）
式中：D ——轴承工作温度变化率；
TM ——轴承等效工作温度；
C ——轴承温升恶化指数；
t ——信号采样时间；
A ——工程系数，初定取1，实际中根据相关数据进行修正；
TF1 ——环境温度，为即时环境温度值；
TF0 ——标定环境温度，为设备工作设计或起始标定的环境温度；
L0 ——轴承设计满负荷，为对应设备的最大负荷值或系统标定时负荷值）；
LW ——轴承工作负荷，为设备即时工作负荷。

系统中设置三个报警：轴承工作温度高Ta报警--安全停机报警；轴承工作温度变化率Da 报警--工作温度变化率超标，存在机械磨损可能；轴承温升恶化指数Ca报警--机械磨损加剧报警，需要尽快维修。

轴承维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Ta-TW）/D/C （4）
式中：T ——轴承维护周期预判时间；
Ta ——轴承高温报警值；
TW ——本次轴承温度等效检测值；
D ——最新单位时间变化率；
C ——最新的轴承温升恶化指数。

轴承的维护管理方案则基于以上的研究成果和轴承备件的订购制造时间和转运管理时间来制定备件采购管理计划。

轴承订购管理时间可以采用如下数学模型表达：
T预期=Ax（T订货+T转运管理）（5）
式中：T预期：轴承备件到货周期；
A ——管理安全系数，一般取1-1.2，根据具体疏浚管理公司的管理效率；
T订货——轴承制造公司的交货周期；
T转运管理——轴承转运到需求目标位置的时间。

2）产生振动原因通常是由于传动齿机械损伤造成。

随着损伤程度增加，振动振幅加剧。

因此可以基于监测数据和时间轴进行求导。

例如，某7 800 kW绞吸挖泥船在线振动检测系统设计方案如下：
采用以下诊断模型公式进行磨损诊断，确定监测传感器频段（检测转速）：
f=（V2-V1）/（t2-t1）（6）
α=（f2-f1）/（t2-t1）（7）
式中：f ——振動幅度变化率；
α ——振动恶化指数；
V ——特定频率的振幅；
t ——信号采样时间。

系统中设置三个报警：振幅Va报警；振幅变化率f报警；振动恶化指数α报警。

轴承的维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Va-V）/ f /α （8）
式中：T ——安全检修维护周期预判时间；
Va ——最大振幅报警值；
V ——本次振幅检测值；
f ——最新振幅单位时间变化率；
α ——最新振幅恶化指数。

3）采用滑动轴承型式的齿轮箱，可以进一步采用滑油在线监测系统对滑油内磨损金属颗粒度的变化进行进一步的诊断。

液位金属颗粒度密度的增加会造成滑油颗粒度监测或介电常数监测值的变化和报警，因此可以采用基于时间轴的滑油介电常数变化率进行辅助监测，可以采用以下诊断模型公式进行磨损诊断：
μ=（Ω2-Ω1）/（t2-t1）（9）
C=（D2-D1）/（t2-t1）（3）
式中：D ——轴承工作温度变化率；
TM ——轴承等效工作温度；
C ——轴承温升恶化指数；
t ——信号采样时间；
A ——工程系数，初定取1，实际中根据相关数据进行修正；
TF1 ——环境温度，为即时环境温度值；
TF0 ——标定环境温度，为设备工作设计或起始标定的环境温度；
L0 ——轴承设计满负荷，为对应设备的最大负荷值或系统标定时负荷值）；
LW ——轴承工作负荷，为设备即时工作负荷。

系统中设置三个报警：轴承工作温度高Ta报警--安全停机报警；轴承工作温度变化率Da 报警--工作温度变化率超标，存在机械磨损可能；轴承温升恶化指数Ca报警--机械磨损加剧报警，需要尽快维修。

轴承维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Ta-TW）/D/C （4）
式中：T ——轴承维护周期预判时间；
Ta ——轴承高温报警值；
TW ——本次轴承温度等效检测值；
D ——最新单位时间变化率；
C ——最新的轴承温升恶化指数。

轴承的维护管理方案则基于以上的研究成果和轴承备件的订购制造时间和转运管理时间来制定备件采购管理计划。

轴承订购管理时间可以采用如下数学模型表达：
T预期=Ax（T订货+T转运管理）（5）
式中：T预期：轴承备件到货周期；
A ——管理安全系数，一般取1-1.2，根据具体疏浚管理公司的管理效率；
T订货——轴承制造公司的交货周期；
T转运管理——轴承转运到需求目标位置的时间。

2）产生振动原因通常是由于传动齿机械损伤造成。

随着损伤程度增加，振动振幅加剧。

因此可以基于监测数据和时间轴进行求导。

例如，某7 800 kW绞吸挖泥船在线振动检测系统设计方案如下：
采用以下诊断模型公式进行磨损诊断，确定监测传感器频段（检测转速）：
f=（V2-V1）/（t2-t1）（6）
α=（f2-f1）/（t2-t1）（7）
式中：f ——振動幅度变化率；
α ——振动恶化指数；
V ——特定频率的振幅；
t ——信号采样时间。

系统中设置三个报警：振幅Va报警；振幅变化率f报警；振动恶化指数α报警。

轴承的维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Va-V）/ f /α （8）
式中：T ——安全检修维护周期预判时间；
Va ——最大振幅报警值；
V ——本次振幅检测值；
f ——最新振幅单位时间变化率；
α ——最新振幅恶化指数。

3）采用滑动轴承型式的齿轮箱，可以进一步采用滑油在线监测系统对滑油内磨损金属颗粒度的变化进行进一步的诊断。

液位金属颗粒度密度的增加会造成滑油颗粒度监测或介电常数监测值的变化和报警，因此可以采用基于时间轴的滑油介电常数变化率进行辅助监测，可以采用以下诊断模型公式进行磨损诊断：
μ=（Ω2-Ω1）/（t2-t1）（9）
C=（D2-D1）/（t2-t1）（3）
式中：D ——轴承工作温度变化率；
TM ——轴承等效工作温度；
C ——轴承温升恶化指数；
t ——信号采样时间；
A ——工程系数，初定取1，实际中根据相关数据进行修正；
TF1 ——环境温度，为即时环境温度值；
TF0 ——标定环境温度，为设备工作设计或起始标定的环境温度；
L0 ——轴承设计满负荷，为对应设备的最大负荷值或系统标定时负荷值）；
LW ——轴承工作负荷，为设备即时工作负荷。

系统中设置三个报警：轴承工作温度高Ta报警--安全停机报警；轴承工作温度变化率Da 报警--工作温度变化率超标，存在机械磨损可能；轴承温升恶化指数Ca报警--机械磨损加剧报警，需要尽快维修。

轴承维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Ta-TW）/D/C （4）
式中：T ——轴承维护周期预判时间；
Ta ——轴承高温报警值；
TW ——本次轴承温度等效检测值；
D ——最新单位时间变化率；
C ——最新的轴承温升恶化指数。

轴承的维护管理方案则基于以上的研究成果和轴承备件的订购制造时间和转运管理时间来制定备件采购管理计划。

轴承订购管理时间可以采用如下数学模型表达：
T预期=Ax（T订货+T转运管理）（5）
式中：T预期：轴承备件到货周期；
A ——管理安全系数，一般取1-1.2，根据具体疏浚管理公司的管理效率；
T订货——轴承制造公司的交货周期；
T转运管理——轴承转运到需求目标位置的时间。

2）产生振动原因通常是由于传动齿机械损伤造成。

随着损伤程度增加，振动振幅加剧。

因此可以基于监测数据和时间轴进行求导。

例如，某7 800 kW绞吸挖泥船在线振动检测系统设计方案如下：
采用以下诊断模型公式进行磨损诊断，确定监测传感器频段（检测转速）：
f=（V2-V1）/（t2-t1）（6）
α=（f2-f1）/（t2-t1）（7）
式中：f ——振動幅度变化率；
α ——振动恶化指数；
V ——特定频率的振幅；
t ——信号采样时间。

系统中设置三个报警：振幅Va报警；振幅变化率f报警；振动恶化指数α报警。

轴承的维护周期T可以采用以下维护计算模型：
T=（Va-V）/ f /α （8）
式中：T ——安全检修维护周期预判时间；
Va ——最大振幅报警值；
V ——本次振幅检测值；
f ——最新振幅单位时间变化率；
α ——最新振幅恶化指数。

3）采用滑动轴承型式的齿轮箱，可以进一步采用滑油在线监测系统对滑油内磨损金属颗粒度的变化进行进一步的诊断。

液位金属颗粒度密度的增加会造成滑油颗粒度监测或介电常数
监测值的变化和报警，因此可以采用基于时间轴的滑油介电常数变化率进行辅助监测，可以采用以下诊断模型公式进行磨损诊断：
μ=（Ω2-Ω1）/（t2-t1）（9）。