簡析大型船用齒輪箱系統動態性能分析方法

趙國杰 田永堅 施立鋼

摘 要：作為大型運輸船舶的主要動力系統，大型減速齒輪箱正在朝著更好高層次的穩定性和可靠性進行發展，其在使用過程中產生的振動更加的小，對大型船用齒輪箱系統結構的特點進行深入的分析，從降低噪聲方面著手，對箱體進行優化，并建立相應的模型，已經非常有必要。

關鍵詞：大型船;齒輪箱;動態性能

作為船舶運輸的主要動力系統，大型船用齒輪箱正在朝著更高層次的方向進行發展，從而對動態分析也提出了更加嚴格的設計要求。另外，在應用的過程中，船用齒輪傳動需要滿足其在穩定性方面的特點。但是，目前最為主要的還是對現有的齒輪箱產品進行動態化的分析，找出振動產生的源頭，以此實現齒輪箱的改進和完善。

一、大型船用齒輪箱系統結構特點和基本參數

（一）齒輪箱的所屬類別及特點

以GWC型齒輪箱為主要的研究內容，在應用過程中與中速度柴油機進行有效的結合，共同進行使用，并配備相應的減速齒輪箱，該類型的船用減速齒輪箱，在傳動性方面具有良好的優勢，可以進行單軸輸入和輸出，同時還可以增加摩擦離合器等設備，以此實現離合等功能的發揮，從外觀情況進行觀察，整個系統結構十分嚴謹。

（1）船用中速柴油機 GW 系列

在船用中速柴油機中，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，該類型結構比較單一，由兩個部分共同組成，在結構中可以假裝其他離合器，非常方便實用[1]。另外，可以在同一條中心線上進行輸出和輸入，在設計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

船用齒輪箱在結構方面相對比較復雜，在系統組成中由多個部分共同組成，其中檢測系統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，需要結合實際進行選擇[2]。

（二）船用齒輪箱系統參數

（1）齒輪箱系統結構參數

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，在設計過程中需要對反面變位系數合理進行選擇，避免齒輪在使用過程中受到磨損[3]。另外，還需要準確提升齒輪的承載能力，在對齒輪傳動結構進行設計時，需要對齒輪的運行進行充分的考慮。

（2）軸承的等效剛度和阻尼

由于齒輪箱在結構方面非常復雜，為了使計算結果更加的準確。建立計算模型時可以對軸承進行簡化，以彈簧阻力單元為主，為了使這一目標可以盡快實現，需要對齒輪箱中的各項參數進行準確的統計，從而為后續計算提供穩定的前提[4]。

（3）船用齒輪箱的加工過程

在對比較復雜的系統進行研究時，需要對系統中的結構有必要的了解和認識，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中產生的作用進行明確。在鑄造部分需要對箱體等多個部分進行共同的鑄造，在對不同部分進行鑄造時，需要對螺栓、螺母進行正確的連接，并仔細進行檢查，確保其空間具有良好的封閉性。因此，在齒輪等進行加工時，對于工藝有著非常嚴格的要求，最后在對軸的零件進行加工時，軸類零件需要具有傳遞等多項功能，因此在不同零件的加工過程中，需要對通關要素進行的確認，避免齒輪箱在使用過程中出現問題。

二、船用大功率齒輪箱振動響應分析

齒輪箱在使用的過程中，因為荷載的不斷增加，會出現相應的振動反應，隨著振動次數的不斷增加，會對其他結構產生影響。動態性能分析，主要就是以振動理論為依據，與工程結構不可分離，根據相關理論，對激勵和固有特性確認后，就可以得出動態分析結果。

（一）船用齒輪箱動態響應分析方法

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

除此之外，縮減法對于船用齒輪箱動態響應分析非常關鍵，也比較常用。在實施縮減法時，可以利用自由度壓縮規模，在計算自由度數值時，可以在自由度集中有所體現，該分析方式不僅分析時間短，同時可以減少計算的繁瑣性，避免增加計算時間，但是該計算方式只能對自由度的位置變化進行確定，不能對整體的位移進行計算，還需要對技術進行進一步的研究。

（二）船用齒輪箱軸承處動態力的求解

在以動態化的方式對船用齒輪箱軸承進行求解時，可以準確模擬內部激勵數值，使動態組合例可以準確計算。但是為了使齒輪箱動態響應更加滿足現實的需要，可以全負荷加載，所產生的合力將會被分解到不同的方向，建立相應的矩陣。如果能夠將所有的力進行凝聚，就可以實現內部動態響應。

（三）船用齒輪箱箱體結構噪聲分析方法

噪聲具有極強的危害性，從上世紀開始，工業得到了快速的發展，在一定程度上增加了污染的幾率。在船體運行過程中，齒輪箱可以為船體帶來強大的運行動力，同時也會產生巨大的噪音和振動反應，在機械傳動過程中，齒輪得到了有效的應用。在運行過程中，由于齒輪安裝等問題的產生，很容易在邊緣產生內激動力，在概率的影響下，其他齒輪也會產生扭轉響應，并由于振動幅度的不斷增加，而產生強烈的噪聲，基于噪聲在傳播方式中的差異性，可以對噪聲進行準確的分類。噪聲的來源有很多，箱體在承運時，也會發出噪音，并通過組織傳動作用，形成規模更加巨大的系統。由于振動傳遞而引發的噪聲，會對齒輪箱體的穩定性產生影響，此噪聲也被稱為結構噪聲。

利用I-DEAS軟件可以對齒輪箱進行動態響應分析，對齒輪箱的振動情況以曲線的方式進行展示。再進行FFT交換，得到其頻域響應曲線，并進行針對性的處理，通過進行科學的計算，就可以對結構噪聲值進行確定。

三、大型船用齒輪箱動態性能分析下的結構優化策略

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

在具體方案實施過程中，建立齒輪箱項目有限元模型，根據方案設計、技術設計等階段形成的分析資料，合理策劃建立試驗階段中齒輪箱各個運行狀態下的噪音、振動測試方案。充分利用噪音、振動設備，收集齒輪箱設備在各個狀態下的動態化的數據，對系統進行協調分析。

對結果進行數據化篩選，結合在不同振動頻率下數據與設計仿真結果對比，確認振動激振源，制定合理的改進方案。

四、結論：

綜上所述，齒輪箱結構設計對齒輪箱運行過程中是否會產生振動具有直接的影響，因此在進行設計時，需要對齒輪箱參數準確進行設置，并以此為基礎建立動態力學模型。對軸承沖擊載荷立等進行確定，最終對數據進行科學的統計和準確的計算，為相關動態性分析工作的開展提供準確的依據。

參考文獻：

[1]劉青強，劉子文. 大型船用齒輪箱系統動態性能分析方法探討[J]. 設備管理與維修，2018，，01（12）：120-123.

[2]趙輝，王紅霞. 船用齒輪箱系統動態性能與其分析方法研究[J]. 艦船科學技術，2018，38（06）：158-160.

[3]朱才朝，陸波，徐向陽，王海霞. 大功率船用齒輪箱傳動系統和結構系統耦合特性分析[J]. 船舶力學，2018，15（11）：1315-1321.

[4]陸波，朱才朝，宋朝省，王海霞. 大功率船用齒輪箱耦合非線性動態特性分析及噪聲預估[J]. 振動與沖擊，2019，28（04）：76-80+204.