大型船用齒輪箱系統(tǒng)動態(tài)性能分析方法研究.pdf

1、本文的研究依托于浙江省重大科技專項重點工業(yè)項目:《大功率船用齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用》(2009C11062)。研究對象為與船用中速柴油發(fā)動機匹配的某款大型減速齒輪箱系統(tǒng)。項目是針對目前我國在大型船用減速齒輪箱系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計手段欠缺、更新?lián)Q代緩慢、自主設(shè)計和研發(fā)能力薄弱而確立的，其目的是研發(fā)和完善能與10000～50000噸大型運輸船舶和艦只相配套的大功率減速齒輪箱系統(tǒng)，為開發(fā)更大功率的船用減速齒輪箱系統(tǒng)作技術(shù)儲備，并形成基于動態(tài)性能

2、分析方法的箱體優(yōu)化、減振降噪和抗沖擊性能的設(shè)計技術(shù)。
　　 作為運輸船舶和艦船主動力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的大型減速齒輪箱正朝著高效率、高可靠性、高穩(wěn)定性、高速重載、輕量化、低振動、低噪聲和短設(shè)計制造周期的方向發(fā)展，對基于動態(tài)分析方法的設(shè)計能力提出了更高的要求。另外，本文所研究的大型減速齒輪箱系統(tǒng)是作為軍民兩用設(shè)計的，依照相關(guān)軍用規(guī)范，須保障其結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊作用下的強度安全性能。本文主要著眼于某款大型船用減速齒輪箱系統(tǒng)，查閱大量國內(nèi)外

3、技術(shù)資料和學(xué)術(shù)文獻，通過理論研究、數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的手段，系統(tǒng)的將轉(zhuǎn)子動力學(xué)、齒輪系統(tǒng)動力學(xué)、有限元方法、機械振動理論和測試原理等理論和技術(shù)集成，對齒輪箱系統(tǒng)的動態(tài)性能進行了系統(tǒng)的考察和評估，為形成大型船用齒輪箱系統(tǒng)關(guān)鍵動態(tài)性能的計算方法提供了理論依據(jù)和技術(shù)解決方案。論文的主要研究內(nèi)容可歸納如下:
　　 1)建立了耦合的嚙合齒輪傳動多平行軸轉(zhuǎn)子的動力學(xué)模型，并將其用于分析大型船用齒輪箱傳動系統(tǒng)中執(zhí)行順車工況的傳動軸系，計

4、算了該多軸系統(tǒng)耦合和未耦合情況下的臨界轉(zhuǎn)速，以及耦合系統(tǒng)的彎曲、扭轉(zhuǎn)振動的振型，分析了在嚙合齒輪多軸傳動系統(tǒng)中考慮扭轉(zhuǎn)振動的必要性;計算了不同嚙合剛度時，耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的各階渦動轉(zhuǎn)速，得到工作轉(zhuǎn)速下各階彎曲、扭轉(zhuǎn)振動的自然頻率隨嚙合剛度變化的規(guī)律，從轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的角度為齒輪箱傳動系統(tǒng)的嚙合齒輪副提供了最小設(shè)計剛度參考值;
　　 2)建立了齒輪箱系統(tǒng)零部件的三維有限元模型，采用裝配有限元技術(shù)將各零部件按原空間位置集成，并通過節(jié)點間自由

5、度耦合、1D剛/柔性單元、1D彈簧阻尼單元和接觸控制等方法，在軸承與軸承座、軸承座與轉(zhuǎn)軸、嚙合齒輪對的嚙合面之間建立了耦合關(guān)系，使箱體、軸承座、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器和齒輪形成了一個可以用于計算分析的總裝模型。
　　 3)計算得到了齒輪箱系統(tǒng)及其傳動系統(tǒng)的0-5000Hz內(nèi)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，在采用錘擊法對該大型船用齒輪箱系統(tǒng)進行了模態(tài)試驗的基礎(chǔ)上，將試驗?zāi)B(tài)分析得到的數(shù)據(jù)與理論計算值進行對比，對理論模型進行了驗證。
　　 4)

6、基于轉(zhuǎn)子動力學(xué)、齒輪嚙合原理和有限元方法，研究了齒輪箱系統(tǒng)所受到的外部激勵和內(nèi)部激勵，基于振型疊加法計算了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，得到了各輸出節(jié)點的位移、速度、速度響應(yīng)的時頻域信號，并通過與振動試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了理論模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，分析了該齒輪箱系統(tǒng)在頻域上的振動特性，并對系統(tǒng)的振動烈度和結(jié)構(gòu)噪聲進行了量化評估。
　　 5)基于軍用規(guī)范中設(shè)計沖擊譜的計算方法，結(jié)合齒輪箱系統(tǒng)的固有振動參數(shù)，制作了該系統(tǒng)在其各階固有頻率上的DD

7、AM設(shè)計沖擊譜，并將該設(shè)計譜擬合為二折線的沖擊響應(yīng)譜，以沖擊響應(yīng)譜為激勵，計算了在左右舷向、垂向和艏艉向三個沖擊加載方向上，齒輪箱系統(tǒng)的加速度、位移和應(yīng)力響應(yīng)峰值情況。
　　 6)推導(dǎo)了靜態(tài)應(yīng)力與響應(yīng)譜分析得到的動態(tài)應(yīng)力的合成方法，得到了齒輪箱系統(tǒng)在正常工作狀況下，突然受到?jīng)_擊載荷作用時的有效應(yīng)力，對齒輪箱系統(tǒng)在水下非接觸性爆炸沖擊作用下的安全性能進行評估。同時，采用衰減正弦基波組合法對沖擊響應(yīng)譜進行了擬合，得到了既具有時域爆炸