艦船齒輪傳動裝置的減振降噪技術分析

葛仁超，張 猛，戴光昊，張智博

(1. 海軍駐哈爾濱七〇三所軍事代表室，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

艦船在水上航行時，其總體輻射噪聲主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲與流體動力噪聲組成，當其處于低速航行工況時，由機械運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲占據(jù)主導地位，是主要的噪聲源，成為制約總體聲隱身性能瓶頸。齒輪傳動裝置作為連接主動力設備和螺旋槳軸系進行功率傳遞和轉(zhuǎn)速匹配的關鍵設備，由于其旋轉(zhuǎn)、嚙合特征，不可避免會產(chǎn)生振動噪聲，特別是頻率特征較為明顯的旋轉(zhuǎn)、嚙合特征線譜較為明顯，容易受到聲吶捕捉，大幅降低艦船特別是潛艇的隱身性能，因此針對性地開展齒輪傳動裝置的嚙合振動的控制技術研究顯得尤為重要。

1 齒輪傳動裝置振動噪聲機理

1.1 齒輪振動的激勵成因

現(xiàn)實中不存在無誤差完美的齒輪，工程實際中的齒輪不可避免地會出現(xiàn)制造和安裝誤差，同時由于工作載荷的作用輪齒還將發(fā)生彈性變形；誤差變形共同作用改變了齒輪傳動的嚙合關系，使齒輪嚙合時的位置偏離理論位置，此時瞬時傳動比發(fā)生突變，這樣齒輪會時而加速或減速，使得輪齒之間發(fā)生碰撞或沖擊，從而產(chǎn)生振動和噪聲。

同時齒輪傳動系統(tǒng)的結構布置因素也會產(chǎn)生動態(tài)激勵。如齒輪存在不平衡質(zhì)量由旋轉(zhuǎn)引發(fā)的不平衡力、幾何偏心引發(fā)的偏心力、原動機和負載的轉(zhuǎn)速與扭矩波動等也會影響齒輪的動態(tài)激勵。

1.2 齒輪振動噪聲機理

考慮齒輪時變嚙合剛度、嚙合阻尼機理時輪齒誤差激勵的斜齒輪振動模型如圖1所示。

振動微分方程為：

式中：M為沿嚙合線方向的齒輪當量質(zhì)量，；x為被動齒輪滯后量，，其中θ1和θ2分別為主、被■動齒輪的角位移；D為嚙合粘性阻尼系數(shù)，；ξ為相對阻尼系數(shù)；K（t，x）為輪齒瞬時嚙合剛度；F0為齒輪副傳遞的靜態(tài)載荷；F（t，x）為齒輪激振力。

F（t，x）為輪齒的動態(tài)激勵力，是引起齒輪振動的主要因素，計算如下：

式中：t為時間；n為同時嚙合的齒對數(shù)；Ki（t）為第i對嚙合輪齒的嚙合剛度；ei（t）為第i對嚙合輪齒的綜合誤差，包括輪齒誤差、修形等。取

將式（2）、式（3）、式（4）、式（5）代入式（1），忽略高階誤差項得：

式中：Km為平均嚙合剛度；Et為靜態(tài)傳遞誤差；Tz為輪齒嚙合周期，Tz=60/n1z1。

由于兩點嚙合區(qū)的國度瞬間有嚙合沖擊發(fā)生，因此在上式中還應該考慮嚙合沖擊項A（t），則有：通過上述分析可知，齒輪的振動不僅與旋轉(zhuǎn)不平衡、安裝不對中及外部激勵相關，更主要的是來自于齒輪嚙合的內(nèi)部激勵，這與輪齒時變嚙合剛度的周期性變化、制造誤差及沖擊等因素關系密切。

2 艦船齒輪傳動減振降噪技術現(xiàn)狀

由于艦船裝備的現(xiàn)實需求，經(jīng)過多年的發(fā)展和建設，我國在艦船齒輪傳動裝置減振降噪技術領域取得一定成果，從減小激勵源和控制傳遞途徑兩方面對齒輪傳動裝置的振動噪聲均提出了控制措施的要求，為我國艦船齒輪傳動裝置的低噪聲設計奠定了堅實的基礎，但尚未形成設計體系，與總體對減振降噪的需求也存在一定差距。

2.1 齒輪傳動裝置總體減振降噪技術

傳動裝置是由齒輪、軸承、箱體、滑油系統(tǒng)及相關輔助部套組成的一個復雜機械系統(tǒng)，從總體方面注重匹配以控制振動噪聲效果更佳，具體如下：

1）齒輪傳動裝置采取隔振安裝控制振動傳遞到安裝基座；

2）齒輪轉(zhuǎn)子（特別是高速齒輪轉(zhuǎn)子）要考慮軸承支承進行轉(zhuǎn)子動力學分析，匹配軸承選型和優(yōu)化齒輪軸結構；

3）改用更合適的軸承類型和精度，匹配軸承的精度與齒輪、箱體的精度，且允許的情況下優(yōu)先選用滑動軸承；

4）對于振動控制嚴格的工作環(huán)境，優(yōu)先選用行星齒輪傳動形式；

5）對于重載齒輪，選用功率分支結構，內(nèi)部采用彈性軸系滿足功率同步傳遞需求；

6）注重裝配質(zhì)量的控制，傳動齒輪、箱體的裝配質(zhì)量控制，條件允許時檢查裝配后輪齒的嚙合狀態(tài)。

2.2 傳動齒輪減振降噪技術

在結構尺寸、強度、剛度及相關參數(shù)滿足總體要求的前提下，以控制激勵為目標匹配齒輪參數(shù)，可有效地減小激勵源。主要措施如下：

1）減小齒輪工作時的線速度。不平衡力的大小與旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，控制輪齒線速度可減小齒面的沖擊。

2）盡可能減小傳動系統(tǒng)的質(zhì)量和提高齒輪的加工精度。

3）齒數(shù)互質(zhì)，且傳動比非整數(shù)，避免制造誤差周期性地重復疊加，從而加劇齒輪的動態(tài)激勵。

4）合理選擇側(cè)隙。側(cè)隙過大、過小都會導致沖擊和動態(tài)激勵的增加。通常，載荷方向變化頻繁，且幅值變化大時，宜取較小值，否則宜取較大值。

5）模數(shù)選擇。對于重載齒輪，重點考慮加載引發(fā)的齒根彎曲變形，模數(shù)越大越有利于減小齒根彎曲變形，因此優(yōu)先選用較大模數(shù)降低噪聲；而對于輕載的齒輪，盡可能選用較小模數(shù)消除加工誤差的影響；而且模數(shù)小可增加齒數(shù)，這樣可增大重合度，從而提高齒輪的傳動平穩(wěn)性。

6）大重合度。重合度為整數(shù)時，降低動態(tài)力效果更好。

7）采用變位齒輪。通過齒輪變位提高輪齒的承載，減小彎曲變形；但變位量需控制在一定范圍，過大變位則會顯著加大噪聲。

8）減小齒寬。在滿足強度要求的前提下，盡量選用小齒寬。

9）對于重載齒輪，可考慮輪齒的承載變形特性進行修形。

在上述理論的基礎上，針對某試驗齒輪對進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后齒輪副的嚙合剛度的波動幅值降低為優(yōu)化前的1/2，即輪齒的時變剛度激勵降低為原設計的1/2，理論計算嚙合頻率振動可降低6dB；試驗驗證齒輪優(yōu)化設計前、后振動加速度對比如圖2所示。

通過圖中的試驗數(shù)據(jù)對比可知，齒輪優(yōu)化設計前、后嚙合頻率振動降低了5 dB，嚙合頻率的倍頻振動降低7 dB；針對齒輪采取措施減振效果明顯，這是控制齒輪振動最有效直接的措施。

2.3 箱體支承減振降噪技術

箱體側(cè)重通過其結構動力學特性分析，優(yōu)化結構，調(diào)整改變結構的傳遞函數(shù)以控制振動傳遞。主要措施如下：

1）多采用加強筋設計，在質(zhì)量不明顯增加的情況下，顯著提升箱體的支承剛度；

2）根據(jù)結構動力學分析結果，在結構薄弱處進行加強或采取阻尼處理；

3）針對振動傳遞的關鍵部位或結構，采取變截面或不同材料設計以改變傳遞函數(shù)，衰減振動；

4）條件允許時，采用雙層壁板設計，灌注阻尼材料以減小振動；

5）強度允許的情況下，可采用鑄造箱體。

以某試驗箱為例，對其箱體結構有針對性進行阻尼處理前、后在同樣條件下的振動對比，曲線見圖3。

圖3中曲線1為箱體阻尼處理前的振動曲線，曲線2為箱體阻尼處理后的振動曲線，根據(jù)對比可以看出箱體阻尼處理在0 Hz～10 kHz的頻段內(nèi)取得良好的減振效果，驗證了對箱體采取措施是振動控制的有效手段。

3 艦船齒輪傳動減振降噪方面的不足與改進

3.1 齒輪傳動減振降噪技術的不足

由于我國艦船齒輪專業(yè)的發(fā)展起步晚，前些年主要以研仿為主，近年來逐漸轉(zhuǎn)變到自主研發(fā)為主，但優(yōu)先解決的結構功能問題，起初對減振降噪技術并未給予足夠的重視，齒輪傳動的低噪聲技術積累不夠。雖然近年來我國艦船齒輪傳動裝置的減振降噪研究取得的進步明顯，提出了一系列的減振降噪技術措施，一定程度上促進了我國艦船齒輪傳動裝置低噪聲技術的發(fā)展，但依然與我國海軍裝備對低噪聲傳動齒輪的迫切需求存在較大差距。主要存在以下不足：

1）技術積累不夠，技術基礎較薄弱

針對齒輪傳動裝置的振動噪聲機理及控制研究的持續(xù)投入少，振動噪聲是一個涉及設計、加工裝配和試驗的系統(tǒng)工程，需要進行長期持續(xù)不斷的研究方能取得一定效果。國內(nèi)許多基礎科研和預研投入往往以5年為周期，而見效慢的振動噪聲方面科研往往不被重視，難以獲得持續(xù)有效投入。在新型號任務時，圍繞型號的減振降噪科研任務不夠充分，一般只著眼于功能、靜力性能等方面開展科研工作，很少開展振動噪聲特性方面的研究。即使安排也作為性能研制的一部分，得不到重視。而承制單位受到時間和經(jīng)費的約束，往往草草了事，技術上難以真正獲得進步。

國內(nèi)現(xiàn)有條件下難以系統(tǒng)全面開展艦船齒輪傳動裝置低噪聲技術研究，尚未建立我國自己的艦船齒輪傳動裝置的低噪聲設計體系，技術積累不足，基礎理論與工程應用研究不多，主要在以下方面較為薄弱：

①齒輪激勵特性的計算及驗證研究不夠，僅能進行定性分析，難以有效完成齒輪傳動裝置動態(tài)激勵的工程計算，無法為振動控制提供準確輸入條件，也難以準確辨析不同設計方案的減振效果。

②傳動裝置及箱體的振動傳遞特性研究重視不夠。振動不僅與激勵相關，也與結構的傳遞特性密切聯(lián)系，結構傳遞特性直接影響傳動裝置的振動響應特性；而針對結構傳遞特性的研究一直不被齒輪傳動裝置研發(fā)人員重視。

③齒輪傳動裝置測試技術應用不夠，目前國內(nèi)外各種振動噪聲方面的測試手段發(fā)展迅速，而在艦船齒輪傳動行業(yè)應用的先進的測試技術較少，大多還停留在常規(guī)的振動噪聲測試方面，難以為相關仿真分析提供數(shù)據(jù)驗證，不足以有效促進理論分析及相關技術的發(fā)展。

2）試驗研究設施薄弱

國內(nèi)齒輪傳動裝置低噪聲試驗條件不夠完備，相應的試驗設備和系統(tǒng)試驗環(huán)境不足；建設振動噪聲國家重點實驗室與國防重點實驗室時，較少考慮低噪聲齒輪的試驗設備設施。大功率的船舶齒輪傳動裝置，結構復雜，振動噪聲性能影響因素難以準確計算，國外研究非常注重試驗方面的驗證，不管是蘇聯(lián)也好，發(fā)達國家的研究經(jīng)驗表明需要通過大量的試驗尋找齒輪傳動裝置低噪聲的規(guī)律，為其減振降噪設計奠定基礎。目前國內(nèi)針對相關齒輪傳動產(chǎn)品試驗方面的重視不夠，試驗不充分、不深入，很多情況下不進行全負荷的驗證試驗，不能為齒輪傳動裝置的低噪聲設計全面提供真實的數(shù)據(jù)支撐。

3）齒輪方面的低噪聲工藝措施匱乏

艦船齒輪傳動裝置研制技術責任單位為相關研究所，相關廠家按技術責任單位的設計圖編制加工工藝，由于分工不同，設計單位難以從設計角度出發(fā)提出低噪聲工藝要求，設計與工藝的銜接不好。而加工工藝對振動噪聲的影響往往依賴對加工過程記錄和試驗數(shù)據(jù)的全面對比分析，需要掌握全過程數(shù)據(jù)，工作量大且繁瑣。在前些年由于不重視相關數(shù)據(jù)的積累，近年來又無法在短期獲得大量有效的數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)科學界對齒輪加工工藝與振動噪聲方面的關系研究的支持上存在較大爭議，短時間內(nèi)獲得突破的希望不大。而加工精度、裝配工藝又顯著影響著齒輪傳動裝置的振動噪聲性能，裝配工藝公差的微小調(diào)整，可能會造成設備振動噪聲特性大幅改變；由此需要持續(xù)不斷的投入關注以取得進步。

由于設計人員不了解制造工藝與低噪聲性能之間的關聯(lián)，當廠家因加工、裝配等原因提出零部件加工制造與裝配方面的修改要求時，設計人員往往因不能從低噪聲角度進行合理解答而同意工廠提出的修改意見，而這其中的某些因素往往會造成齒輪傳動裝置振動噪聲的明顯增加。從這方面可以看出，缺乏齒輪傳動裝置的低噪聲工藝控制流程已嚴重制約我國艦船齒輪傳動裝置低噪聲技術的發(fā)展。

3.2 齒輪傳動減振降噪技術的改進

艦船齒輪傳動裝置低噪聲技術是一個需要長期積累的巨大工程，短期內(nèi)難以取得明顯成效大幅降低其自身振動，需要系統(tǒng)開展工作，從理論、設計、制造、工藝、試驗等多方面進行長期且艱辛研究，通過持續(xù)不斷的奮斗方能取得進步。為更好促進艦船齒輪傳動裝置低噪聲技術的發(fā)展，應注重從以下幾方面進行改進：

1）提升齒輪傳動裝置低噪聲性能重要性的認識，將其作為一項核心指標，關系艦船（尤其是潛艇）的生命力，在制定齒輪傳動裝置設計方案時，就將振動噪聲指標作為其中一項關鍵指標，將減振降噪設計貫穿到齒輪傳動裝置設計全過程，避免先天不足。

2）深化基礎理論研究，注重試驗驗證和數(shù)據(jù)分析，通過大量驗證實現(xiàn)動力學仿真、計算的工程化應用，掌握低噪聲設計方法，建立低噪聲設計體系，為設計提供支撐。

3）強化低噪聲工藝研究，掌握其與振動噪聲的關系，關注設計環(huán)節(jié)，注重生產(chǎn)、試驗環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)收集與整理，積極開展一系列試驗尋求制造工藝與齒輪振動噪聲之間關系。

4）重視齒輪傳動裝置的低噪聲試驗，尤其是注重齒輪傳動的振動噪聲性能試驗，各型號齒輪傳動裝置研制試驗時不僅僅進行常規(guī)性能試驗，要給振動噪聲性能試驗留足時間，對每一型設備通過充分試驗掌握其振動噪聲性能，為振動噪聲性能的持續(xù)改進提供數(shù)據(jù)支持。

5）加大新技術的應用，目前國內(nèi)各項民品產(chǎn)業(yè)進口國外設備較多，民用產(chǎn)品在很多方面應用有較多先進的振動噪聲控制技術成果，有選擇、有針對性的開展艦船齒輪傳動裝置相關技術的適應性研究，可以取得事半功倍的效果。

4 結 語

控制齒輪傳動系統(tǒng)的振動噪聲，是一個復雜的機械系統(tǒng)動力學問題，必須從設計開始全面考慮，貫穿設計、制造和試驗全過程，統(tǒng)籌解決。基于這一思想，本文對艦船齒輪傳動裝置的減振降噪技術進行了系統(tǒng)性闡述，從總體設計、齒輪、箱體部套等方面較為全面提出了控制其振動的具體措施，并通過實例驗證了齒輪、箱體部套采取措施均取得了良好的減振效果，并且為齒輪傳動裝置的振動控制提供了較好的措施，從而為后續(xù)艦船齒輪傳動裝置減振降噪技術的發(fā)展提供參考。