阻尼支撐圈在齒輪箱中的應(yīng)用

戴光昊，余曉輝，尹遜民，高長(zhǎng)偉

( 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150078)

0 引 言

近年來(lái)，隨著齒輪傳動(dòng)技術(shù)向著高速化發(fā)展，齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致齒輪損壞，因此針對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置開展減振技術(shù)研究具有明顯的工程實(shí)用價(jià)值。為有效降低齒輪傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪聲，在箱體和傳動(dòng)齒輪部位附加阻尼材料是目前較為常用的減振方式，該技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)添加阻尼層(或約束阻尼層)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能耗散出去，從而達(dá)到減振降噪的目的;但這往往需要大面積添加阻尼材料，會(huì)大幅增加齒輪箱的重量，且耗費(fèi)較高［1－2］。因此從齒輪傳動(dòng)裝置振動(dòng)傳遞的關(guān)鍵路徑入手，考慮到船用傳動(dòng)裝置一般采用滑動(dòng)軸承，將高阻尼金屬材料應(yīng)用到齒輪箱的滑動(dòng)軸承支撐部位，從而有效衰減振動(dòng)的傳遞。該減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本不增加箱體重量，耗費(fèi)少，加工工藝簡(jiǎn)單，減振效果明顯，且可以應(yīng)用到絕大部分采用滑動(dòng)軸承支承的齒輪傳動(dòng)裝置中，具有良好的應(yīng)用前景。

1 滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈設(shè)計(jì)

1.1 滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)

以某試驗(yàn)齒輪箱為例進(jìn)行滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將軸承座和軸承蓋的鏜孔擴(kuò)大一圈，選用機(jī)械性能與普通鋼材較為接近的高阻尼的Cu－Mn 合金材料設(shè)計(jì)滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)［3］。考慮到阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)的裝配便利性，減振支撐圈設(shè)計(jì)成上、下2個(gè)半阻尼圈形式，上阻尼圈與滑動(dòng)軸承上瓦配合使用，下阻尼圈與滑動(dòng)軸承下瓦配合使用。阻尼圈上圈對(duì)應(yīng)上瓦設(shè)有定位銷孔和測(cè)溫孔，阻尼圈下圈設(shè)有進(jìn)油孔，以方便軸承進(jìn)油。阻尼圈與軸承座、軸承蓋及軸瓦之間采用過(guò)渡配合方式，滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)裝配示意如圖1所示，普通鋼材與Cu－Mn 合金材料的性能參數(shù)如表1所示。

圖1 滑動(dòng)軸承阻尼圈裝配示意圖Fig.1 Sliding bearing damping support structure assembly diagram

表1 材料性能對(duì)比表Tab.1 Material performance comparison table

1.2 滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈靜態(tài)性能分析計(jì)算

滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈裝配在齒輪箱滑動(dòng)軸承外圈，輪齒嚙合力通過(guò)滑動(dòng)軸承傳遞到支撐圈上，考慮到合金材料的機(jī)械性能與鋼材存在一定的差異，因此必須校核計(jì)算支撐圈的強(qiáng)度和變形特性。應(yīng)用有限元方法計(jì)算減振支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度特性，建立含減振支撐結(jié)構(gòu)的箱體有限元計(jì)算模型如圖2所示。將軸承載荷加載到有限元模型中，計(jì)算在軸承載荷作用下箱體各部位的受力和變形曲線如圖3～圖4所示。

圖2 滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Sliding bearing damping supporting structure finite element model

圖3 阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖Fig.3 Sliding bearing damping supportingcase stress distribution

圖4 阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)變形圖Fig.4 Sliding bearing damping supporting case detormation graph

從圖3和圖4 中可以看出，滑動(dòng)軸承減振支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力曲線與箱體連接部位相一致，試驗(yàn)工況下減振支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較小，滿足強(qiáng)度要求;減振支撐結(jié)構(gòu)的位移與箱體連接部位一致，最大位移約為5 μm;此阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度性能可保證試驗(yàn)齒輪箱的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈對(duì)齒輪箱特性影響分析

在齒輪箱阻尼支撐圈靜態(tài)性能計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用LMS Virtual.Lab 軟件建立齒輪箱的剛?cè)狁詈戏抡娣治瞿Ｐ腿鐖D5所示［4］，通過(guò)有、無(wú)阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的齒輪箱的動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析阻尼支撐圈對(duì)齒輪箱動(dòng)態(tài)特性的影響。

圖5 試驗(yàn)齒輪箱動(dòng)力學(xué)模型Fig.5 Dynamic model of the test gearbox

設(shè)定小齒輪軸輸入轉(zhuǎn)速2 950 r/min，大齒輪輸出端加載扭矩2 000 NM為仿真工況，通過(guò)仿真分析得出齒輪箱各個(gè)滑動(dòng)軸承的時(shí)域動(dòng)態(tài)激勵(lì)力，為深入分析動(dòng)態(tài)力特性，通過(guò)FFT 變換得出滑動(dòng)軸承頻域動(dòng)態(tài)激勵(lì)力，進(jìn)而對(duì)比有、無(wú)阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)的軸承頻域動(dòng)態(tài)力的變化情況;從而準(zhǔn)確分析其對(duì)齒輪箱動(dòng)態(tài)激勵(lì)的影響。由于齒輪箱采用人字齒輪傳動(dòng)，輪齒嚙合的軸向力相互抵消，因而忽略其軸向力特性，只對(duì)比分析滑動(dòng)軸承橫向和垂向動(dòng)態(tài)激勵(lì)力。

試驗(yàn)齒輪箱仿真模型共有4個(gè)滑動(dòng)軸承，為便于觀察分析，直接列出有阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)時(shí)滑動(dòng)軸承頻域動(dòng)態(tài)力減去無(wú)阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)時(shí)齒輪箱各滑動(dòng)軸承頻域動(dòng)態(tài)力的差值曲線如圖6所示，這里只列出其中1個(gè)滑動(dòng)軸承的對(duì)比結(jié)果，其余3個(gè)軸承對(duì)比結(jié)果基本一致。通過(guò)對(duì)比分析可知，計(jì)算模型應(yīng)用阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪箱滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)力特性影響較小，齒輪箱的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力未產(chǎn)生明顯變化。通過(guò)上述計(jì)算分析可知阻尼支撐圈設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可應(yīng)用到試驗(yàn)齒輪箱進(jìn)行減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖6 有、無(wú)阻尼圈齒輪箱頻域動(dòng)態(tài)力差值曲線Fig.6 The dynamic force difference curve of gearbox with and no damping supporting structure

2 齒輪箱應(yīng)用阻尼支撐圈減振效果分析

2.1 阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)減振效果的影響

滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈的減振效果主要取決于外形結(jié)構(gòu)尺寸，一般來(lái)說(shuō)阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的外形結(jié)構(gòu)由較小尺寸逐漸變大時(shí)，其阻尼減振效果會(huì)明顯增加，但當(dāng)其外形結(jié)構(gòu)增加到一定的尺寸后再增大結(jié)構(gòu)則阻尼減振效果提升緩慢。在這種情況下，通過(guò)增大減振支撐結(jié)構(gòu)尺寸的形式來(lái)提升阻尼減振效果則花費(fèi)較大且效果不明顯。

為分析阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)其減振效果的影響，在前面根據(jù)強(qiáng)度和剛度特性計(jì)算確定滑動(dòng)軸承減振支撐結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)厚度的基礎(chǔ)上，分別通過(guò)增加設(shè)計(jì)厚度30%、減小設(shè)計(jì)厚度30%后得到3 組不同厚度的阻尼減振支撐結(jié)構(gòu);采用模態(tài)應(yīng)變能法計(jì)算得出應(yīng)用3 種不同厚度阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的箱體結(jié)構(gòu)前20 階模態(tài)綜合損耗因子［5］，不同阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)厚度的模態(tài)綜合損耗因子如圖7所示。

圖7 阻尼圈結(jié)構(gòu)對(duì)箱體模態(tài)綜合損耗因子影響Fig.7 The loss factor on influence analysis of damping structure thinkness

從對(duì)比分析圖中可以看出，減振支撐結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)厚度減小30%，箱體結(jié)構(gòu)主要階次的模態(tài)綜合損耗因子變化較快;而當(dāng)減振支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度增加30%，箱體結(jié)構(gòu)主要階次的模態(tài)綜合損耗因子變化緩慢;通過(guò)調(diào)整阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行模態(tài)綜合損耗因子的對(duì)比分析可知，依據(jù)強(qiáng)度及剛度性能進(jìn)行減振支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的厚度合理，其不僅強(qiáng)度、剛度性能滿足要求，且減振效果較好，再通過(guò)增加厚度的方法不僅花費(fèi)較高且減振效果提升不明顯。

2.2 阻尼支撐圈減振效果計(jì)算分析

在試驗(yàn)齒輪箱動(dòng)力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算有、無(wú)阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)箱體的模態(tài)頻率、振型及結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼損耗因子;將動(dòng)態(tài)激勵(lì)力分別加載到有、無(wú)軸承減振支撐結(jié)構(gòu)的箱體上進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算［6］，應(yīng)用基于模態(tài)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法求解得出箱體機(jī)腳處的振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線對(duì)比如圖8所示。

由圖8 可知，試驗(yàn)齒輪箱機(jī)腳的主要振動(dòng)加速度頻率為其嚙合頻率及其倍頻幅值。對(duì)比可知，試驗(yàn)齒輪箱采用減振支撐結(jié)構(gòu)后嚙合頻率處振動(dòng)加速度幅值由9 m/s2降低到3 m/s2左右，嚙合頻率倍頻處的振動(dòng)加速度幅值約由3.5 m/s2降低到2 m/s2左右。通過(guò)對(duì)比計(jì)算可知，阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)具有良好的減振效果，且振動(dòng)幅值越大減振效果越好。

圖8 齒輪箱機(jī)腳振動(dòng)加速度響應(yīng)計(jì)算曲線Fig.8 The gearbox vibration acceleration curve

3 阻尼支撐圈減振效果試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 阻尼支撐圈驗(yàn)證試驗(yàn)概述

為驗(yàn)證滑動(dòng)軸承減振支撐結(jié)構(gòu)的減振效果，選用鋼制材料和金屬阻尼材料制造相同的支撐結(jié)構(gòu)，分別在高速齒輪功率封閉試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行兩輪帶載驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)的減振效果，減振支撐結(jié)構(gòu)效果驗(yàn)證試驗(yàn)安裝示意如圖9所示。

圖9 鋼制圈、阻尼支撐圈安裝示意圖Fig.9 Vibration damping supporting structure installation diagram

3.2 阻尼支撐圈減振效果試驗(yàn)對(duì)比分析

通過(guò)帶載試驗(yàn)測(cè)得在小齒輪軸轉(zhuǎn)速2 950 r/min，大齒輪加載扭矩2 000 NM 時(shí)，試驗(yàn)齒輪箱滑動(dòng)軸承分別采用鋼制支撐結(jié)構(gòu)和阻尼Cu－Mn 合金制支撐結(jié)構(gòu)時(shí)機(jī)腳某測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度對(duì)比曲線如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)齒輪箱結(jié)果對(duì)比分析Fig.10 The test result contrast analysis

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)齒輪箱主要振動(dòng)峰值在其嚙合頻率及其倍頻處，且嚙合頻率處的振動(dòng)幅值最大，采用阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)后齒輪箱機(jī)腳振動(dòng)加速度幅值在嚙合頻率處由約6.5 m/s2降低到3 m/s2左右，嚙合頻率倍頻處的振動(dòng)加速度幅值由約2 m/s2降低到1 m/s2左右。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)具有良好的減振效果，且振動(dòng)幅值較大的嚙合頻率處的減振效果較好。

對(duì)比分析試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果可知，試驗(yàn)測(cè)試與有限元仿真分析結(jié)論一致，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證得出有限元仿真分析計(jì)算方法正確，結(jié)論可信，進(jìn)一步驗(yàn)證了滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐結(jié)構(gòu)具有良好的減振效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

從船用齒輪傳動(dòng)裝置振動(dòng)傳遞的主要途徑滑動(dòng)軸承支承部位入手，以某試驗(yàn)齒輪箱為研究對(duì)象，選擇合適的高阻尼Cu－Mn 合金材料設(shè)計(jì)較為實(shí)用的阻尼減振支撐圈結(jié)構(gòu);并應(yīng)用有限元軟件建立含阻尼減振支撐圈結(jié)構(gòu)的算例齒輪箱有限元模型，通過(guò)有限元靜、動(dòng)力分析計(jì)算滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈的靜、動(dòng)態(tài)性能和減振效果，通過(guò)計(jì)算分析確定此結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于試驗(yàn)齒輪箱。在計(jì)算分析基礎(chǔ)上，選擇普通鋼材和阻尼合金材料加工2 組滑動(dòng)軸承支撐圈結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了滑動(dòng)軸承阻尼減振支撐圈結(jié)構(gòu)具有良好減振效果。根據(jù)船用傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承阻尼支撐圈結(jié)構(gòu)實(shí)用性較好，可直接應(yīng)用于指導(dǎo)齒輪傳動(dòng)裝置的減振設(shè)計(jì)，減振效果明顯，具有良好的應(yīng)用前景。

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