簡析大型船用齒輪箱系統(tǒng)動態(tài)性能分析方法

趙國杰 田永堅(jiān) 施立鋼

摘 要：作為大型運(yùn)輸船舶的主要動力系統(tǒng)，大型減速齒輪箱正在朝著更好高層次的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行發(fā)展，其在使用過程中產(chǎn)生的振動更加的小，對大型船用齒輪箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，從降低噪聲方面著手，對箱體進(jìn)行優(yōu)化，并建立相應(yīng)的模型，已經(jīng)非常有必要。

關(guān)鍵詞：大型船;齒輪箱;動態(tài)性能

作為船舶運(yùn)輸?shù)闹饕獎恿ο到y(tǒng)，大型船用齒輪箱正在朝著更高層次的方向進(jìn)行發(fā)展，從而對動態(tài)分析也提出了更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。另外，在應(yīng)用的過程中，船用齒輪傳動需要滿足其在穩(wěn)定性方面的特點(diǎn)。但是，目前最為主要的還是對現(xiàn)有的齒輪箱產(chǎn)品進(jìn)行動態(tài)化的分析，找出振動產(chǎn)生的源頭，以此實(shí)現(xiàn)齒輪箱的改進(jìn)和完善。

一、大型船用齒輪箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本參數(shù)

（一）齒輪箱的所屬類別及特點(diǎn)

以GWC型齒輪箱為主要的研究內(nèi)容，在應(yīng)用過程中與中速度柴油機(jī)進(jìn)行有效的結(jié)合，共同進(jìn)行使用，并配備相應(yīng)的減速齒輪箱，該類型的船用減速齒輪箱，在傳動性方面具有良好的優(yōu)勢，可以進(jìn)行單軸輸入和輸出，同時還可以增加摩擦離合器等設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)離合等功能的發(fā)揮，從外觀情況進(jìn)行觀察，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分嚴(yán)謹(jǐn)。

（1）船用中速柴油機(jī) GW 系列

在船用中速柴油機(jī)中，會涉及到多種減速齒輪箱的類型，具體以GWC型等為主，例如以GWC型為例，該類型結(jié)構(gòu)比較單一，由兩個部分共同組成，在結(jié)構(gòu)中可以假裝其他離合器，非常方便實(shí)用[1]。另外，可以在同一條中心線上進(jìn)行輸出和輸入，在設(shè)計(jì)過程中也會以順車為主要的考慮形式，從而為傳遞工作提供最佳的路線。

（2）齒輪箱工作原理

船用齒輪箱在結(jié)構(gòu)方面相對比較復(fù)雜，在系統(tǒng)組成中由多個部分共同組成，其中檢測系統(tǒng)等是其中非常重要的部分，由于不同工程存在差異，船用齒輪箱所選擇的傳遞路徑，需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行選擇[2]。

（二）船用齒輪箱系統(tǒng)參數(shù)

（1）齒輪箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

大型船用齒輪箱主要以滾刀齒輪為主，由于該齒輪相對比較鋒利，在設(shè)計(jì)過程中需要對反面變位系數(shù)合理進(jìn)行選擇，避免齒輪在使用過程中受到磨損[3]。另外，還需要準(zhǔn)確提升齒輪的承載能力，在對齒輪傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要對齒輪的運(yùn)行進(jìn)行充分的考慮。

（2）軸承的等效剛度和阻尼

由于齒輪箱在結(jié)構(gòu)方面非常復(fù)雜，為了使計(jì)算結(jié)果更加的準(zhǔn)確。建立計(jì)算模型時可以對軸承進(jìn)行簡化，以彈簧阻力單元為主，為了使這一目標(biāo)可以盡快實(shí)現(xiàn)，需要對齒輪箱中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，從而為后續(xù)計(jì)算提供穩(wěn)定的前提[4]。

（3）船用齒輪箱的加工過程

在對比較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究時，需要對系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)有必要的了解和認(rèn)識，特別是對于零件的加工和制作流程需要有所熟悉，以及不同零件在系統(tǒng)中產(chǎn)生的作用進(jìn)行明確。在鑄造部分需要對箱體等多個部分進(jìn)行共同的鑄造，在對不同部分進(jìn)行鑄造時，需要對螺栓、螺母進(jìn)行正確的連接，并仔細(xì)進(jìn)行檢查，確保其空間具有良好的封閉性。因此，在齒輪等進(jìn)行加工時，對于工藝有著非常嚴(yán)格的要求，最后在對軸的零件進(jìn)行加工時，軸類零件需要具有傳遞等多項(xiàng)功能，因此在不同零件的加工過程中，需要對通關(guān)要素進(jìn)行的確認(rèn)，避免齒輪箱在使用過程中出現(xiàn)問題。

二、船用大功率齒輪箱振動響應(yīng)分析

齒輪箱在使用的過程中，因?yàn)楹奢d的不斷增加，會出現(xiàn)相應(yīng)的振動反應(yīng)，隨著振動次數(shù)的不斷增加，會對其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。動態(tài)性能分析，主要就是以振動理論為依據(jù)，與工程結(jié)構(gòu)不可分離，根據(jù)相關(guān)理論，對激勵和固有特性確認(rèn)后，就可以得出動態(tài)分析結(jié)果。

（一）船用齒輪箱動態(tài)響應(yīng)分析方法

在對已知頻率載荷作用進(jìn)行明確后，可以為響應(yīng)分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)。在已知大小和頻率的輸入下，可以對不同的載荷進(jìn)行綜合性的分析每一個自由度都會涵蓋多種數(shù)據(jù)。在進(jìn)行分析時，會對設(shè)計(jì)工作有所涉及。從整體方面來看，無論在任何時間下產(chǎn)生的荷載作用，都會對齒輪箱整體性能產(chǎn)生影響，引發(fā)振動問題，人們將此響應(yīng)方式稱為諧響應(yīng)。在對其進(jìn)行分析時，主要就是對不同結(jié)構(gòu)在固定頻率下產(chǎn)生的時間進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，并對具體的響應(yīng)值進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，從而繪制具體的曲線，使相關(guān)人員可以快速確定最大響應(yīng)值，提升分析能力，是動力特征得到準(zhǔn)確的預(yù)測，避免振動對齒輪箱產(chǎn)生影響，避免其他問題的產(chǎn)生。

除此之外，縮減法對于船用齒輪箱動態(tài)響應(yīng)分析非常關(guān)鍵，也比較常用。在實(shí)施縮減法時，可以利用自由度壓縮規(guī)模，在計(jì)算自由度數(shù)值時，可以在自由度集中有所體現(xiàn)，該分析方式不僅分析時間短，同時可以減少計(jì)算的繁瑣性，避免增加計(jì)算時間，但是該計(jì)算方式只能對自由度的位置變化進(jìn)行確定，不能對整體的位移進(jìn)行計(jì)算，還需要對技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（二）船用齒輪箱軸承處動態(tài)力的求解

在以動態(tài)化的方式對船用齒輪箱軸承進(jìn)行求解時，可以準(zhǔn)確模擬內(nèi)部激勵數(shù)值，使動態(tài)組合例可以準(zhǔn)確計(jì)算。但是為了使齒輪箱動態(tài)響應(yīng)更加滿足現(xiàn)實(shí)的需要，可以全負(fù)荷加載，所產(chǎn)生的合力將會被分解到不同的方向，建立相應(yīng)的矩陣。如果能夠?qū)⑺械牧M(jìn)行凝聚，就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部動態(tài)響應(yīng)。

（三）船用齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)噪聲分析方法

噪聲具有極強(qiáng)的危害性，從上世紀(jì)開始，工業(yè)得到了快速的發(fā)展，在一定程度上增加了污染的幾率。在船體運(yùn)行過程中，齒輪箱可以為船體帶來強(qiáng)大的運(yùn)行動力，同時也會產(chǎn)生巨大的噪音和振動反應(yīng)，在機(jī)械傳動過程中，齒輪得到了有效的應(yīng)用。在運(yùn)行過程中，由于齒輪安裝等問題的產(chǎn)生，很容易在邊緣產(chǎn)生內(nèi)激動力，在概率的影響下，其他齒輪也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，并由于振動幅度的不斷增加，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，基于噪聲在傳播方式中的差異性，可以對噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。噪聲的來源有很多，箱體在承運(yùn)時，也會發(fā)出噪音，并通過組織傳動作用，形成規(guī)模更加巨大的系統(tǒng)。由于振動傳遞而引發(fā)的噪聲，會對齒輪箱體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，此噪聲也被稱為結(jié)構(gòu)噪聲。

利用I-DEAS軟件可以對齒輪箱進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，對齒輪箱的振動情況以曲線的方式進(jìn)行展示。再進(jìn)行FFT交換，得到其頻域響應(yīng)曲線，并進(jìn)行針對性的處理，通過進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，就可以對結(jié)構(gòu)噪聲值進(jìn)行確定。

三、大型船用齒輪箱動態(tài)性能分析下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

在對齒輪箱體進(jìn)行優(yōu)化時，需要從整體方面進(jìn)行綜合性的分析和考慮，如果僅是對一部分進(jìn)行優(yōu)化，不能達(dá)到降低噪音的目的，而且如果想要對齒輪箱進(jìn)行整體性的優(yōu)化，其需要進(jìn)行科學(xué)合理的論證。另外，還需要對齒輪箱的性能結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合性的分析和考慮，不僅需要滿足箱體的結(jié)構(gòu)需要，同時還要使箱體具有一定的強(qiáng)度與剛度。

在具體方案實(shí)施過程中，建立齒輪箱項(xiàng)目有限元模型，根據(jù)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)等階段形成的分析資料，合理策劃建立試驗(yàn)階段中齒輪箱各個運(yùn)行狀態(tài)下的噪音、振動測試方案。充分利用噪音、振動設(shè)備，收集齒輪箱設(shè)備在各個狀態(tài)下的動態(tài)化的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)分析。

對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)化篩選，結(jié)合在不同振動頻率下數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果對比，確認(rèn)振動激振源，制定合理的改進(jìn)方案。

四、結(jié)論：

綜上所述，齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對齒輪箱運(yùn)行過程中是否會產(chǎn)生振動具有直接的影響，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要對齒輪箱參數(shù)準(zhǔn)確進(jìn)行設(shè)置，并以此為基礎(chǔ)建立動態(tài)力學(xué)模型。對軸承沖擊載荷立等進(jìn)行確定，最終對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)和準(zhǔn)確的計(jì)算，為相關(guān)動態(tài)性分析工作的開展提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

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