H5軋機齒輪箱振動和噪音分析與解決辦法

瞿志豪，魏立群，鐘曉勤

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 201209；2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院材料學(xué)院，上海 200235；3.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海 200235）

0 引言

H5軋機是上海寶鋼某分公司軋鋼生產(chǎn)線上的一座軋機。該機座是由一臺總輸出功率為630 kW的電動機驅(qū)動，通過齒輪箱的減速將轉(zhuǎn)動力矩分配到兩個萬向接軸，直接驅(qū)動設(shè)置在軋機上的兩個工作輥進行可逆式軋制。

在采用一種新生產(chǎn)工藝后，第H5號機座上的齒輪箱出現(xiàn)強力振動并伴隨著巨大的噪音。本文主要闡述了該齒輪箱的振因和消噪方法。

圖1是齒輪箱內(nèi)各傳動零件分布和作用力傳遞關(guān)系。典型軋件的生產(chǎn)工藝參數(shù)則列在表1。

圖1 牙箱各零件作用力關(guān)系Fig.1 Force distribution between the various parts

表1 生產(chǎn)工藝參數(shù)Tab.1 Production process parameters

圖2 H5軋機牙箱和現(xiàn)場測試的場景圖Fig.2 Scene graph of H5 mill gear box and field testing

1 現(xiàn)場測試分析

1.1 測點位置

為了獲得在齒輪箱上產(chǎn)生的振動信號，經(jīng)現(xiàn)場考察，選擇在齒輪箱電機側(cè)的四個測點作為加速度傳感器的安放位置(見圖3)。每個傳感器同時記錄三個方向（X, Y, Z）的振幅與頻率信號。圖4是每個測點上的信號記錄。

圖3 齒輪箱上測點位置及信號采集示意Fig.3 Measuring point and the signal acquisition on the gear box

1.2 測點上的幅頻信號

圖4 各測點的頻譜信號Fig.4 The signal spectrum of each point

表2 各測點幅頻關(guān)系匯總Tab.2 Relationship summary of each point between amplitude and frequency

由實測結(jié)果得到齒輪箱上的振動主頻有兩個，分別為f1=187 Hz和f2=353 Hz。

2 牙箱固有頻率的有限元分析

為了探究齒輪箱的實測振動頻率是否與箱的固有頻率相耦合而造成共振的原因，采用了ANASYS軟件進行了數(shù)值模擬分析。

在有限元建模時對箱內(nèi)的齒輪、軸進行了零件單元間的粘結(jié)處理，因此箱體的頻率計算是接近實際狀態(tài)的，圖5是齒輪箱的有限元模型網(wǎng)格圖。

圖5 齒輪箱的有限元網(wǎng)格圖Fig.5 The gear box of finite element mesh diagram

經(jīng)對齒輪箱的有限元計算，獲得它前二階的主頻分別為f1=185 Hz，f2=350 Hz。有限元理論固有頻率的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果是十分吻合的。這說明齒輪箱在工作時，工作頻率（擾力頻率）與齒輪箱的固有頻率產(chǎn)生了耦合造成的共振現(xiàn)象，并由此引發(fā)了噪音。

有限元計算的兩個主振型見圖6。

圖6 齒輪牙箱的兩個主振型Fig.6 Two main modes on gear box

3 齒輪箱的振源分析

齒輪箱是一個三級齒輪減速系統(tǒng)和一個動力分叉的齒輪系統(tǒng)的組合體，因此，如果箱體的剛度不夠或者裝配誤差會引起齒輪嚙合過程中的拍擊現(xiàn)象。拍擊現(xiàn)象不僅會產(chǎn)生外激擾力，且當其頻率與齒輪箱的某個固有頻率相耦合時，即會激發(fā)共振，噪音就是共振的現(xiàn)象之一[1]。

本文對該齒輪箱上各軸的轉(zhuǎn)速和搭配的輪齒進行了分析。分析的數(shù)據(jù)和可能產(chǎn)生的拍擊頻率列在表 3中。

表3 轉(zhuǎn)速、齒數(shù)及傳動拍擊頻率Tab.3 Speed, teeth number and the beat frequency of drive

根據(jù)上述分析，在生產(chǎn)中齒輪箱可能會產(chǎn)生三個拍擊頻率，即：f1=661 Hz，f2=175 Hz，f3=36 Hz。

經(jīng)與實測結(jié)果和有限元分析相比較，發(fā)現(xiàn)發(fā)生在齒輪箱二軸與三軸上的拍擊頻率 f2=175 Hz與實測值（f=187 Hz）和有限元值（f =185 Hz）值十分吻合。

另一實測頻率（f =353 Hz）是什么信號？對軋機進行了空載實測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻譜信號中（見圖7）其他信號很快下降，而與50 Hz交流電磁頻率的 1, 3, 5, 7倍頻的頻幅依然很強，說明它是電動機感應(yīng)過來的電磁頻率，這是因為f =353 Hz正好接近50 Hz的7倍。

圖7 空載時（Z方向）頻譜圖Fig.7 (Z direction) spectrum of no-load

4 齒輪箱的結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)前面的分析，齒輪箱的振動噪音來自于二軸和三軸上的齒輪拍擊頻率和其拍擊頻率正好與齒輪箱的固有頻率相耦合。通常，一個齒輪加工的精度足夠、裝配嚴格又當外載荷在設(shè)計許可范圍內(nèi)的齒輪箱很少會產(chǎn)生拍擊現(xiàn)象。但是據(jù)調(diào)查，本軋機的齒輪箱使用時間比較長，嚙合精度下降，又在生產(chǎn)中采用了新工藝使軋制負荷有了大的提高導(dǎo)致齒輪箱剛度不夠。所以，當拍擊頻率接近齒輪箱的固有頻率時，共振就不可避免了。

對于由外擾力頻率引起的機械振動，通常的改善方法有：改變外擾力頻率或改變機械的結(jié)構(gòu)形態(tài)。這兩個改變的本質(zhì)都是為了使擾力頻率與系統(tǒng)的固有頻率拉開距離。在對本裝備的實際工況進行分析后，本文提出經(jīng)濟有效的改善方法是加固齒輪箱、以提高剛度達到固頻值提高、拉開齒輪拍擊頻率與箱體固有頻率的距離。

圖8是作了局部加筋處理后的齒輪箱箱體，通過有限元的再次分析，其固有頻率由原f =185 Hz提高到f =288 Hz，提高了60 %。

圖8 齒輪箱局部增加圖Fig.8 Local increase of the gear box

圖9 加筋后箱體剛度Fig.9 Gear box stiffness reinforced

改進前后的剛度比較見表4。

表4 齒輪箱改進前后的剛度比較Tab.4 Stiffness comparison before and after the improved gear box

5 結(jié)論

(1) 引起H5軋機齒輪箱振動、噪音的根本原因是軋制力提高和齒輪箱的剛度不足。經(jīng)過現(xiàn)場測試、有限元計算分析和齒輪的嚙合關(guān)系分析，證明發(fā)生在二軸與三軸上的齒輪傳動拍擊頻率是振動的起因。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場不可改變生產(chǎn)工藝和不能調(diào)換齒輪箱的條件要求，按照一般避振動理論，本文提出通過改變齒輪箱的結(jié)構(gòu)形態(tài)（即改變結(jié)構(gòu)的剛度）來達到擾力頻率與齒輪箱系統(tǒng)的固有頻率的分離[2]。廠方采用了加筋措施，得到了明顯避振消噪效果。

[1]董海軍, 沈允文, 劉夢軍, 等.齒輪系統(tǒng)的拍擊振動分析模型[J].中國機械工程, 2003, (16):1418-1422.

[2]何韞如,宋福堂.齒輪與齒輪箱振動噪聲機理分析及控制[D].上海:中國科學(xué)院上海冶金研究所, 2000.