減速器箱體阻尼結(jié)構(gòu)工作變形分析

張 猛，葛仁超，張智博，安文迪

(1. 中國人民解放軍海軍駐哈爾濱703所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

對于艦船燃氣輪機發(fā)電機組動力系統(tǒng)，如果燃氣輪機的輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速無法一致，則需要通過減速器進行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換，以達到較好的匹配性，因此減速器是艦船燃氣輪機發(fā)電機組動力系統(tǒng)的重要部件之一，既是動力系統(tǒng)的傳遞和分配裝置，又是艦船動力系統(tǒng)主要的振動和噪聲源[1]。減速器通過填充阻尼吸能材料，可提高減速器的吸振和隔振性能，進而降低整體的振動噪聲水平。于洋等[2]針對某功率分流式行星齒輪減速器，通過動力學(xué)仿真分析獲得了軸承部位的動載荷時域曲線。胡宗成等[3]討論了艦船推進軸系離合器接合時產(chǎn)生的沖擊載荷對減速器二級齒輪的影響。本文主要針對灌裝阻尼吸能材料的減速器和沒有灌裝阻尼材料的減速器機座進行工作變形分析及對比試驗，比較減速器在2種狀態(tài)下對相同激勵參數(shù)的變形響應(yīng)。

1 試驗原理

理想狀況時，輪齒參數(shù)一致均勻，加工裝配并無誤差或故障，運轉(zhuǎn)載荷及轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。那么在這種時變剛度激勵力的作用下，齒輪的嚙合振動主要表現(xiàn)為剛度激勵振動，即常規(guī)振動。如果有輪齒存在誤差或者其他故障，會影響齒輪的常規(guī)振動[4]。與常規(guī)振動一樣，這種影響一方面影響幅值，另一方面改變相位或頻率。減速器主要由齒輪對、軸、軸承及箱體等組成，齒輪的嚙合振動、傳動軸的扭轉(zhuǎn)振動、齒輪軸的偏心等是齒輪箱振動的激振力源，減速器箱體是振動噪聲的傳遞體，減速器通過箱體底座把振動噪聲信號傳遞到船體或者其他結(jié)構(gòu)上[5]。減速器設(shè)計成腔體結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)灌裝阻尼材料，減速器整體模型為層狀結(jié)構(gòu)，通過約束阻尼結(jié)構(gòu)建模理論，耦合結(jié)構(gòu)有限元分析以及耦合結(jié)構(gòu)約束阻尼分析方法，建立彈性阻尼約束和吸振結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 動力學(xué)模型Fig.1 Dynamical model

動力學(xué)基本方程為：

其中：[M]為質(zhì)量矩陣，對角元之外是0；[C]為不包含損耗因子的結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；，，分別為外載荷，位移，加速度列向量。矩陣表達式為：

在整個試驗分析系統(tǒng)中，齒輪箱箱體看作是二階彈簧阻尼振動系統(tǒng)。減速器箱體受到輪齒的嚙合振動，制造裝配誤差造成的齒輪軸的周期偏心脈動激勵，齒輪軸的扭轉(zhuǎn)振動激勵等，受以上激振力的耦合作用，齒輪會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。減速器通過軸承和軸承座將齒輪傳動的激勵傳遞到箱體上，最終通過箱體底座外傳。通過以上分析，可以把減速器箱體底座作為試驗測量的工作面。試驗原理框圖如圖2所示。

圖2 試驗原理框圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

2 工作變形分析試驗

2.1 工作變形試驗激振點位置選取和激勵方式選取

根據(jù)本試驗的試驗要求，需要將灌裝阻尼吸能材料前后的減速器在自由狀態(tài)條件下進行測試。自由狀態(tài)要求2種各個坐標不允許與地面相連接，自由狀態(tài)下設(shè)備有3個平移模態(tài)和3個轉(zhuǎn)動模態(tài)共6個剛體模態(tài)[6]。平移模態(tài)通過質(zhì)量確定，轉(zhuǎn)動模態(tài)通過轉(zhuǎn)動慣量確定，在自由狀態(tài)下剛體模態(tài)對應(yīng)的固有頻率基本為0。同時，自由狀態(tài)要求設(shè)備不允許與地面連接，且支承方式的懸掛點最好盡可能選在所討論的模態(tài)節(jié)點附近，為保證系統(tǒng)的可辨識性，另外模態(tài)測試前充分考慮了激勵點的位置對試驗的影響。本次試驗對象質(zhì)量較大，激振器和傳感器附加質(zhì)量的影響可忽略不計。為保證能激勵出2 000 Hz內(nèi)的所有模態(tài)，試驗決定采用多輸入多輸出的模態(tài)參數(shù)識別方法，即MIMO方法[7]。為保證激振器能提供足夠的能量使各測試點所測得的信號有足夠大的信噪比，又不至于由于激勵力過大而引起局部信號失真，在考慮到激振器的安裝和固定方便的前提下，最終決定選取外殼處沿徑向方向和輸入端處沿軸向方向進行激勵（見圖3）。選擇位于不同側(cè)的2個位置進行激勵，用來確保量足夠以激勵出減速器所有模態(tài)。使各測點所測的信號具有較好的信噪比，又能避免由于激勵位置距離太近而引起靠近激振點位置處振動信號過大，而遠離激振點位置振動信號微弱的問題。同時對試件進行2個方向的激勵，可以保證能激勵出系統(tǒng)各方向上的耦合和整體模態(tài)，盡可能避免出現(xiàn)模態(tài)丟失現(xiàn)象。

圖3 激勵點布置位置Fig.3 Location of incentive points

本試驗采用電磁式激振器，采用隨機激勵方式進行激勵。采用激振器進行隨機激勵，外部懸掛裝置不可避免的會與待測結(jié)構(gòu)發(fā)生一些碰撞，帶來測試干擾誤差，為減小這種原因?qū)е碌恼`差試驗只可能采用純隨機激勵，而不能采用純隨機激勵和猝發(fā)隨機相結(jié)合的方式。采用純隨機激勵時，頻響函數(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集和FFT技術(shù)[8]。

2.2 工作變形試驗過程

懸掛減速器，并調(diào)整至合理高度，安裝信號采集系統(tǒng)和激振系統(tǒng)。選定2個信號采集點作為激振點，安裝力傳感器，并同時對信號采集系統(tǒng)通道進行設(shè)置。加速度傳感器粘貼，測量系統(tǒng)、激振系統(tǒng)準備就緒，啟動激振系統(tǒng)，開始信號采集，并對試驗設(shè)備進行調(diào)試。預(yù)檢測，調(diào)整試驗設(shè)備，合理調(diào)整激振點和測量點。工作變形試驗過程原理如圖4所示。

圖4 試驗過程原理圖Fig.4 Schematic diagram of testingprocess

圖5 不同頻率下工作變形曲線圖Fig.5 The graph of working strain on different frequency

3 工作變形試驗結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制各測點在有/無阻尼情況下在不同頻率下的工作變形曲線對比如圖5所示，圖中可以清楚地看出灌裝阻尼后結(jié)構(gòu)減振效果得到顯著提高。

可知，灌裝阻尼材料后整體工作變形減小，以測點1為例，在各階頻率下工作變形降低了41.9%。

4 結(jié) 語

本文對減速器箱體工作變形進行試驗和分析，對試驗方法的原理和具體實現(xiàn)形式進行闡述。通過減速器灌裝阻尼材料前后箱體的工作變形分析，在相同的激振條件下，減速箱支座支撐面的工作變形，在灌裝阻尼材料后整體表現(xiàn)為工作變形減小。這說明減速器在灌裝阻尼材料后，減速器的振動傳遞到箱體支座支撐面的響應(yīng)減小，降低了振動噪聲的響應(yīng)，起到了降噪效果。