大功率船用齒輪箱傳動系統和結構系統耦合特性分析

朱才朝，陸 波，徐向陽，王海霞

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

大功率船用齒輪箱傳動系統和結構系統耦合特性分析

朱才朝，陸 波，徐向陽，王海霞

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

船用齒輪箱是船舶輪機系統的重要組成部分，其動態性能的好壞直接影響系統的性能，因而開展船用齒輪箱動態特性研究具有重要的意義。文章對某大型船用齒輪箱的固有特性進行分析，通過軸承支撐把傳動子系統和結構子系統兩者耦合起來，建立齒輪—轉子—軸承—箱體耦合系統動力學模型。采用有限元軟件中的Lanczos方法對齒輪箱系統固有特性進行了計算，得到固有頻率及其振型，通過分析齒輪系統的激勵頻率，得出傳動級離合器齒輪在工作過程中造成了較大的振動和噪音，與實際相符。

船用齒輪箱；耦合振動；固有特性；模態分析；有限元

1 引 言

大功率船用齒輪箱裝置是船舶輪機系統的重要設備之一，其結構復雜，精度要求很高，且處于重載的運行條件下，綜合技術指標遠遠高于其它船用齒輪箱。重載齒輪在傳動過程中產生較大的振動、噪聲和動載荷，有可能導致系統某些環節的失靈或損壞，甚至會導致齒輪系統本身的破壞和故障等。因此，開展船用大功率齒輪箱動態特性分析，控制齒輪箱系統的振動與噪聲，實現船用齒輪系統的動態設計己成為重要的研究課題。

目前關于齒輪箱系統的研究主要集中在齒輪—轉子系統動態特性以及齒輪箱體優化減重分析上，而通過軸承連接把齒輪—轉子系統和箱體系統作為一個整體進行研究涉及較少[1-5]。論文通過建立大功率船用齒輪箱動力學模型，采用有限元軟件中的Lanczos算法對系統固有特性進行計算，確定齒輪箱系統的模態參數,包括模態固有頻率和振型，在實際工作中可利用模態參數結果進行故障判別，使其日益成為一種有效的故障診斷和安全檢測的方法。

2 大功率船用齒輪箱基本結構及傳動原理

大功率船用齒輪箱具有倒順、離合、減速和承受螺旋槳推力的功能，與主機配套，組成船用動力機組。其工作過程分別沿順車、倒車兩條線路執行，齒輪箱的傳動簡圖如圖1。

軸Ⅰ為輸入軸，軸Ⅱ、Ⅵ分別為順車、倒車傳動軸，軸Ш、Ⅴ分別為順車、倒車齒輪軸，軸Ⅳ為輸出軸，整個結構為空間嚙合傳動。實際工作中輸入扭矩經輸入軸Ⅰ傳遞到順車傳動軸Ⅱ，順車時，摩擦離合器2摩擦片貼緊，離合器內齒輪閉合，軸Ⅱ與軸Ш連接，扭矩經順車齒輪3、輸出齒輪4傳遞給輸出軸Ⅳ；倒車時，扭矩經離合器2與6傳到傳動軸Ⅵ，摩擦離合器6摩擦片貼緊，離合器內齒輪閉合，軸Ⅵ與軸Ⅴ連接，經倒車齒輪5、輸出齒輪4傳遞到輸出軸Ⅵ。齒輪箱詳細傳動參數見表1。

圖1 傳動系統簡圖Fig.1 The sketch of transmission system

表1 大功率船用齒輪箱傳動參數Tab.1 The parameters of large-power marine gearbox transmission

3 大功率船用齒輪箱系統動力學模型

將大型船用齒輪箱分為傳動系統和結構系統，分別建立各子結構動力學模型，利用兩個子結構之間的支撐軸承，將系統耦合起來，建立整個齒輪箱耦合動力學分析模型。

設下標b表示結構子結構，下標g表示傳動子結構，則可得

式中：Fg{}，Fb{}為傳動子系統和結構子系統力向量；mg{}，mb{}為傳動子系統和結構子系統質量矩陣；cg{}，cb{}為傳動子系統和結構子系統阻尼矩陣；kg{}，kb{}為傳動子系統和結構子系統剛度矩陣；xb{}，xg{}為傳動子系統和結構子系統位移向量。

4 大功率船用齒輪箱三維有限元模型

根據齒輪幾何參數，將加工齒輪所用刀具的參數代入端面漸開線方程和端面齒根過度曲線方程中，逐點計算出齒輪的端面漸開線和齒根過渡曲線上各點在總體坐標系O-xy（）z中的準確坐標值。

根據上式計算出輪齒端面漸開線和齒根過渡曲線上不同點的坐標，進而構建出齒面輪廓。將齒輪箱傳動系統幾何參數代入上述方程，得出各齒輪齒面輪廓，構造出輪齒實體幾何模型。根據內外齒輪的各參數，采用Pro/engineer軟件根據圖紙繪制三維幾何模型如圖2。

圖2 齒輪箱實體裝配模型Fig.2 Gearbox entity assembly model

齒輪箱體的結構比較復雜，機體上分布有筋板、凸臺、軸承孔和各螺栓聯接孔等，在建立有限元模型時，采用自由網格劃分方法，用八節點四面體實體單元，對齒輪箱體進行了有限元網絡劃分；齒輪、順倒車油缸、軸通過拉伸、掃略、鏡像等方法采用八節點六面體實體單元。網格劃分在專業前處理軟件hypermesh中完成,共劃分為411 099個單元，526 219個節點，如圖3所示。

圖3 齒輪箱體網格模型Fig.3 Gearbox mesh model

齒輪箱在實際安裝中是用四個螺栓聯接到機架的，箱體的邊界條件取為箱體底平面的垂直方向約束、螺栓連接處固定約束。傳動系統齒輪間定義接觸邊界條件，法向接觸特性為硬接觸，切向接觸特性為庫倫摩擦，摩擦系數為0.05；箱體、軸之間用彈簧模擬軸承，彈簧在圓柱坐標下定義徑向和軸向剛度。

船用齒輪箱共10個滾動軸承，2個滑動軸承、2個推力軸承。分析中，滑動軸承和滾動軸承用彈簧單元進行模擬。在圓柱坐標下，采用點面耦合方法，將箱體、軸與軸承實際接觸面分別耦合在兩節點上，兩節點之間添加彈簧單元模擬軸承，避免箱體、軸接觸面周向對應單節點之間采用彈簧單元模擬軸承造成局部應力集中。彈簧剛度根據理論計算方法得到，彈簧剛度值見表2所示。

表2 齒輪軸軸承剛度識別結果Tab.2 The results of bearing stiffness identification

5 三維有限元模態分析

模態分析是建立在靜態有限元模型基礎上的，在進行模態分析時，由于求解的是系統的固有特性（固有頻率和固有振型），與所受外力無關，因此可忽略外部載荷的作用；且在求結構的固有特性時，阻尼對其影響不大，阻尼項可以略去，故耦合后齒輪箱系統無阻尼自由振動的運動方程為

其對應的特征方程為

轉化成標準特征值問題

式中：[K]為齒輪箱系統總剛度矩陣；[M ]為齒輪箱系統總質量矩陣；w為系統固有頻率。

方程（6）是關于λ的n次方程，求解方程可得系統的n個固有頻率，對應于每個固有頻率可以確定一組各節點的振幅值 {xi}，從而得到結構的各階振型。

Lanczos法是一種較新的求解模型的固有頻率和振型的方法，其求解精度高，求解速度快，特別適合對大型模型的求解。Lanczos算法求解矩陣方程（6）其主要步驟如下：

（b） 迭代：迭代公式為 rj+1=Aqj-αjqj-βjqj，其中 αj=qTjAqj，qj+1=rj+1/βj+1；

（c）從理論上講，上述迭代在沒有截斷誤差的情況下進行下去，則q1，q2，q3…為一組正交的單位向量，Qj=（q1，q2，…，qn）即為Lanczos轉換矩陣，引入右邊的矩陣Tj：

Lanczos算法的前j步可表示為

其中ej為第j個單位向量，設θ和s為三對角陣Tj的一個特征對，即

則θ和Y（ Y = Qjs）為原求解問題的一個特征對，方程變為

從而使對A的特征值求解轉化為對Tj的求解。Lanczos算法的最大優點是其所得的三對角陣Tj的特征解直接近似于原矩陣A中j個特征根。因此對于求解大型結構模態問題，Lanczos法可以非常快速有效地求解。

采用ABAQUS軟件中的Lanszos求解方法對齒輪箱進行約束模態求解。得到船用齒輪—轉子—軸承—支承耦合系統前十階固有頻率和振型，表3給出了前20階固有頻率和振型情況，圖4給出了前5階固有振型以及關心的第22階固有振型圖（為看清內部，部分箱體單元不顯示）。

表3 齒輪箱體前20階固有頻率及振型Tab.3 The first 20-stage natural frequencies and vibration modes of the gearbox

續表3

圖4 船用齒輪箱前六階振型Fig.4 The first 6-stage vibration modes of the gearbox

該船用齒輪箱輸入轉速為400 r/min，其各工況下的轉速和嚙合頻率分別為：400 r/min，360 Hz；800 r/min，493.33 Hz；202 r/min，280 Hz。與表3比較，輸入級、輸出級嚙合頻率遠離系統固有頻率，不產生共振現象。傳動級離合器齒輪嚙合頻率493.33 Hz與系統第22階固有頻率499.59 Hz接近，產生共振現象，因高階振型對結構實際振動貢獻量非常小，對齒輪系統結構不產生較大的危害。這與齒輪箱在實際工作中，離合器齒輪處產生較大的振動與噪音相符。

6 結 論

建立大功率船用齒輪箱三維有限元模型，采用有限元軟件中的Lanczos算法對某大功率船用齒輪箱固有特性進行了分析，得到了齒輪箱系統的固有頻率和振型。結果表明整個齒輪箱系統的振型較為復雜，表現為箱體以及內部齒輪間復雜扭轉、平移、擺動、彎曲等，且方向、幅度等均不同；各階固有頻率比較密集,這與其復雜的結構有關；輸入級、輸出級嚙合頻率遠離系統固有頻率，不產生共振現象，傳動級離合器齒輪嚙合頻率與系統某高階固有頻率接近，產生共振現象，造成離合器齒輪處產生較大振動與噪音。論文通過對齒輪箱系統固有特性的研究，直觀地分析齒輪系統的動態特性和薄弱環節，為進一步系統研究齒輪系統動態性能打下了基礎。

[1]陶澤光.齒輪系統有限元模態分析[J].機械設計與研究,2000,28(3):45-46.

[2]楊成云.中心傳動齒輪箱體固有特性研究[J].機械設計與制造工程,2002,31(4):26-28.

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[4]王 基.某型船用傳動齒輪箱振動模態的試驗與分析[J].海軍工程大學學報,2007,19(2):55-59.

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[6]李潤方.齒輪系統動力學[M].北京:科學出版社,1997.

Analysis of coupling characteristic of transmission and structure system of large-power marine gearbox

ZHU Cai-chao,LU Bo,XU Xiang-yang,WANG Hai-xia

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400030,China)

The research on dynamic characteristics of the gearbox is of great significance to the marine engine system.In this paper,the natural characteristic of large marine gearbox is investigated.A coupling system(gear-rotor-bearing-box)dynamics model is established by coupling transmission subsystem and structure subsystem with the support of bearing.By using Lanczos method,natural frequencies and vibration models are obtained.By the analysis of caparisoning the gear wheel excitation frequencies with the result,it is proved the fact that transmission stage clutch gear causes large vibration and noise in its operation,which matches practical case.

marine gearbox;coupling vibration;natural characteristic;modal analysis;finite element analysis

TH123

A

1007-7294（2011）11-1315-07

2011-03-24

國家十一五科技支撐計劃資助項目（2006BAF01B07-01）；新世紀優秀人才計劃（NCET-05-0766）資助項目

朱才朝（1967-），男，博士后，教授，博士生導師。主要從事傳動系統動力學及振動噪聲

預估與控制的研究，E-mail:zcc92@163.com。