功率分流传动系统的扭力轴移频效应研究毕业设计论文(编辑修改稿)

功率分流传动系统的扭力轴移频效应研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

目前，国际顶尖的船用减速齿轮传动的生产商主要来自德国，如伦克、莱恩杰斯、釆埃孚等。 国内的相关生产商无论在研究基础、创新能力和谱系范围等方面均居于弱势。 国内产品的优势在于熟悉国内市场、建立了较为完善的销售链，同时同类产品价格更为便宜，国内制造商中主要由重 齿和杭齿垄断，两大公司形成较为激烈的竞争格局。 从技术方面来看，两大公司同时于 20 世纪 80 年代从德国罗曼施托尔德福特公司以许可证的方式引进了船用齿轮箱技术，转让许可证生产的船用减速齿轮的族系包括 GW、 GC、 GV、 GU。 不同的是重齿重点引进 2500马力以上的大功率船用齿轮箱技术，杭齿则重点引进 20xx 马力以下小功率船用齿轮箱技术。 现阶段，杭齿中小型船用齿轮箱成熟产品的价格居于国内市场中上游水平，对于大功率以及特大功率船用传动装置，杭齿以拓展市场为先，以低于重齿的价格参与市场竞争，但只在载重 8000 吨级左右的船舶 市场抢占了部分份额，在万吨以上船舶和舰只的配套上尚未有太大建树。 产业和产品面临的主要问题 7 船用齿轮传动系统产业 第一，从船用减速齿轮产品所属的产业链条来看，虽然作为船用减速齿轮系统下游产业的我国船舶工业在三大造船指标上均已超越韩国，位居世界第一。 但我国船舶、舰船关键配套产业的发展却明显滞后，主流船型的配套设备国产化率仅有 50%[18]左右与日本、韩国 98%和 93%的国产化率仍有较大差距 [1]。 大功率船用齿轮箱是船用主机中的关键配套部件之一，至今仍需大量进口，经常出现“船等机 ”的严重现象，船厂订不到主机就不敢承接船舶订单，严重制约了我国造船业的快速发展。 第二，国内船用齿轮箱厂商没有全球售后服务网络。 船舶设备出现故障是无法避免的，如果不能及时得到维修，将给船舶运营商带来巨大的损失。 由于国内船用齿轮箱制造商真正参与国际竞争的时问较短，在全球设立维修和服务中心较少，尚未形成完善的售后服务全球网络，很难在接到用户求助电话后及时提供服务。 第三，从船用减速齿轮产品的产业内部来看，主要存在以下问题：产业发展层次不高，普通、传统齿轮箱产品制造所占比重较高，新型装备、大型高精度等高端装备制造 产品类别少、规模小、所占比重偏低，生产商仍将廉价的人力资源作为企业优势；同时，产品开发和创新能力薄弱，研发投入不足，设计、生产周期长。 船用减速齿轮系统基础研究和技术问题 我国船用齿轮减速传动系统的技术层次较低，基础研究薄弱。 虽然通过大量引进国外先进制造和检测装备，齿轮箱制造技术与国外先进水准的差距不断缩小，但仍有相当大一部分齿轮与变速箱产品在振动噪声与疲劳寿命等方面与国际先进水平差距明显。 我国自行开发的齿轮产品都存在不同程度的振动和噪声问题，而从国外先进公司引进的齿轮传动产品在消化吸收的 过程中都会出现振动、冲击及噪声 [19]高于国外的现象。 同时，由于在基础件研究、计算机设计及分析和应用等方面的不足，导致国内齿轮箱产品在产品轻量化、模块化以及故障检测、分析等技术上没有长足的进展，使国产齿轮箱产品参与国际竞争时，存在一定的技术风险。 目前，大型船用减速齿轮箱的传动技术正朝着高速重载、高效率、高稳定性、轻量化设计、高可靠性、低振动、低噪声和缩短设计制造周期的方向发展，对减速传动系统的动态传动特性以及设计制造能力提出了更高的要求。 此外，本文所研究的大型减速齿轮箱系统是作军民两用设计和建造的，必须依 照相关的军用标准，进行作为舰载安装设备的抗冲击性能评估。 本文主要着眼于某款大型船用减速齿轮箱功率分流传动系统，通过理论设计 8 研究，对其进行基于模态分析理论的振动分析，给出功率分流传动系统扭力轴变动对系统模态造成的影响。 齿轮箱传动系统国内外研究现状 齿轮传动系统运转时，轮齿受载荷作用会产生弹性变形，除了转轴不平衡质量及转子几何偏心等对齿轮箱振动产生影响外，由于同时参与喘合的轮齿对数会发生变化、轮加工和装配误差的存在以及“合冲击效应 ” 的影响，导致齿轮副产生动态喷合激勘，从而引起振动，振动经传动轴和轴 承等零部件传递到轴承座和箱体上，引发箱体振动从而产生福射噪声 [25,31]整个船用减速齿轮箱系统，可以看作由齿轮副、传动轴、轴承、箱体、联轴器和离合器等部件组成的复杂的弹性系统。 在工程实践中，齿轮箱经常出现较大的振动问题，即使进行齿轮腐曲面修形之后系统的振动有所降低，但齿轮转子运行一段时间又发生较大的振动。 长期以来，齿轮箱的振动问题一直困扰着工程实践中的技术人员 [26,3236]。 在工程界和学术界，许多学者分析和探讨了齿型、联轴器、箱体设计及齿轮箱安装基础等对系统动态性能的影响。 主要研究手段为有限元数值计算方法和齿轮箱振动参数和滑油温度参数的状态检测。 对整个系统进行固有特性分析和获取系统对各种激励的动响应特性，可以为探索船用齿轮箱向高效率、高可靠性、高功率密度、长寿命、低振动和低噪声方向的改进提供有益的参考。 但齿轮箱系统的振动机理仍然有待进一步的研究。 齿轮箱系统动态响应的分析方法一般为集总参数法 [25]和有限元法（ FEM）也有学者将两种方法结合起来 [36,37]。 现行的方法在分析齿轮箱动态振动响应时，须首先获取传动系统中齿轮副的内部动态激励再将激励施加在哨合齿轮副上，最后通过求解系统动力学微分方程计算其振动响应，还可再对系统特定位置的动态响应进行频谱分析，从而从理论上评估齿轮系统的振动烈度和箱体的结构噪声[38,39]，一般施加的激励包括时变合刚度激励、静态传动误差激励、喷合冲击激励等。 齿轮箱传动系统国外研究现状 国外方面： [40]等通过数值计算与试验相结合的手段研究了一款汽车变速齿轮箱的齿轮冲击。 该研究特别关注了驱动轴的能量激励与自 然冲击之间的关系，基于齿轮的几何形状建立了拓扑接触模型，将喘合齿轮对之间的接触定义为单自由度、非线性、弹性的耗散模型。 通过与实验结果的对比，验证了所建立模型的正确性。 研究表明：在特定的激励条件下反复冲击现象仅出现在喘合齿轮对的一侧。 [41]等通过模态分析方法将齿轮箱各个相互賴合的振动系统的运动 9 方程通过矩阵进行组装，转换成一组彼此相互独立的方程，使得整个系统的自由度减少进而降低了求解的规模，并基于以上原理编制了计算程序，能够根据齿轮箱箱体结构特点和齿轮传动参数来计算整个齿轮箱系统动态响应。 研 究表明，在基于频域的分析中釆用模态激励函数能有效获取齿轮传动系统的动态响应状况，该方法能用于喘合齿轮传动系统的设计和改进。 Maynard[42]等人在对乘用车变速箱的变形及振动的特性进行分析的基础上，采用噪声信号对变速齿轮箱的故障进行研究。 等通过边界元计算方法和实验验证手段对某型变速齿轮箱的箱体进行了声辖射评估。 对箱体结构布置不同形式的加强筋结构，并研究了不同的加强激布局情况对声福射的三种效应，即振动效应，场源效应和障碍效应的影响，研究表明：通过在减速箱箱体上合理布置加强筋来修改箱体的特征频率能够降低激振 力并有效降低箱体振动。 齿轮箱传动国内研究现状 国内方面：林腾蛟 [3844]等釆用有限元方法和边界元法对齿轮箱箱体、直齿结构和斜齿结构传动系统的动态响应特性以及噪声进行了大量的研究，反映了有限元方法在分析内部激励和计算齿轮传动系统动态性能等方面是可靠的。 李润方[45,46]等釆用有限元法对某款增速齿轮箱的动态性能进行了分析，施加在该动态响应模型上的激励包括时变刚度激励和误差激励，其中误差激励曲线由齿轮加工精度决定，时变刚度曲线通过 3D 有限元接触模型计算获取。 朱才朝 [4751]等通过理论研究 与实际试验相结合的手段，分析了某大功率船用减速齿轮箱中齿轮副的误差激励、喘合刚度激励和冲击激励等内部激励，并引入外部扭矩激励，釆用有限元理论建立了齿轮箱传动系统动力学分析模型，对箱体特定位置的振动烈度和结构噪声进行了计算，通过与实验结果的对比，验证了模型的合理性，对齿轮箱的动态设计具有指导意义。 刘文 [33]等建立了 船用减速齿轮箱的有限元振动分析模型和边界元声学模型，分析了该齿轮箱系统在内部激励条件下的动态响应，对其振动烈度、结构噪声和空气噪声等方面动态性能进行了评估。 林雪妹 [4445]等建立了某大功率船用减速齿轮箱的 3D 有限元计算模型，并用NXN astran 对该齿轮箱系统的模态、抗冲击性能进行了计算和评话，另外运用轮齿修型软件 MASTA 对变位斜齿轮的齿形进行了修型优化，通过对比修型前后的齿轮副传递误差，说明轮齿修型优化对齿轮传动系统平稳运行的有效性。 李魂贤 [36]研究了某型舰用齿轮运行时的喊合接触线长度随时间的变化关系，用时变长度来代替时变刚度，提出采用傅立叶级数来计算舰用宽斜齿轮副的喷合刚度的理论，并用该理论分析了单自由度扭转振动齿轮副系统在时变喊合刚 10 度和误差激励作用下的系统动态特 性。 本文研究内容 论文基于模态分析法，针对功率分流传动系统进行了简单建模，并以商业软件 ANSYS 对功率分流传动系统扭力轴直径改变对系统模态影响进行了定量分析与评估。 本论文主要展开的研究工作如下： Pro/e 建立了功率分流传动系统参数化造型； ANSYS 建立了功率分流传动系统的三维有限元模型，进行了传动系统模态分析；并且分析了扭力轴直径变动对传动系统模态 影响 的一般规律； APDL 命令流程序。 本论文的分章结构安排如下： 第一章 绪论： 介绍了本论文的课题背景和研究意义，阐述船用齿轮箱系统及相关领域的国内外研究现状，并确立了本文的研究内容和研究方法。 第二章 大型船用齿轮箱系统结构特点和基本参数 简单介绍几种不同类型的船用柴油机系统；介绍了大型船用功率分流传动系统结构的基本参数；确定了传动系统的结构图。 第三章 功率分流传动系统结构尺寸数据的详细计算 本章详细计算了研究的功率分流传动系统各个所需参数，为三维造型的建立做出重要铺垫； 齿轮副中心距采用齿面接触疲劳强度设计算法详细计算 ； 在兼顾轴上零件定位要求的前提下， 轴的最小尺寸计算采用了比较简单的扭转强度条件计算算法进行估算， 然后将其扩大 20%以满足系统要求。 第四章 功率分流传动系统的模态分析 本章主要内容是对传动系统进行模态分析。 利用 ansys 中 APDL 命令流的方式进行了模态分析。 模态分析需要建立有限元模型，正确加载和求解。 本章详细介绍了建立有限元模型的过程，其中包括建立单元类型、定义单元实常数、定义材料属性、划分网格、 用 bin14 单元建立齿轮副之间以及轴承与轴之间的联系 、对传动系统施加约束和最终的求解。 第五章 分析扭力轴直径变化对系统模态的影响 本章主要 分析传动系统的模态结果和扭力轴啮合频率之间的关系，分析扭力轴直径变化对系统模态产生了什么样的影响，分析在啮合频率不变的情况下扭力轴直径偏大好还是偏小好。 第六章 总结与展望 对本文的研究内容、研究方法和最终成果进行总结，列出了文章的创新点。 11 讨论了研究方法的不足之处，指出模型如何进一步完善，并展望了未来研究工作的重点。 12 第二章 大型船用齿轮箱系统结构特点和基本参数 齿轮箱所属类别及特点 本文研究的功率分流传动系统为船用减速齿轮箱 GWC 型，属于与船用中速柴油机相配套减速齿轮箱类别中的 GW 系列 [8,12]。 GW 系列船用减速齿轮箱的传动特点为：单轴输入和单轴输出，同时箱内附带摩擦离合器并具备离合功能或者倒顺离合功能，系统结构布局紧凑。 每种类型的 GW 系列齿轮箱均按额定功率和传动比分为 10 款，现阶段其全系列产品能匹配的输入转速范围为 300~1800r/min，减速比范围为： 2:1~6:1 额定传动能力范围为 ~（ r/min）。 图 21 为 GWC、 GWD 和 GWS 三型齿轮箱的箱体及轴系结构示意图 [2]。 图 21 中速柴油船用减速箱系统结构示意图 某大型船用传动系统 结构参数 本文研究的船用齿轮箱内部传动系统的总体参数如表 21 所示： 13 表 21 某船用功率分流传动系统总体参数 输入功率 1500KW 输入转速 1350r/min 工作寿命 15 年（按照每年 30 天，每天 16 小时） 一级传动比 二级传动比 为了简化后期计算参数，此处将传统系统所有材料均选择 45 钢（调质）， 45钢性能参数如表 22 所示： 表 22 45 钢材料参数 材料名称 密度 泊松比 杨氏模量 抗拉强度 屈服强度 45 钢 (调质 ) 传动系统结构图 如图 22 所 示 ： 图 22 传动系统结构图 14 该系统由输入轴、输入齿轮、两根扭力轴和齿轮、输出轴、输出大齿轮以及支撑各个轴的滑动轴承组合而成，由于后续研究需要改变扭力轴直径，因此采用参数化设计，将扭力轴直径设为参数以方便分析。 此结构将传动系统中齿轮啮合简化为节圆柱相切，在有限元划分网格和分析中将变得比较简单。 并且由于轮齿对系统模态影响较小，所以此处简化了三维模型。 本章小结 本章介绍了 GW 系列船用中速柴油机用减速齿轮箱的分类及简要结构特点；详细介绍了本文研究的传动系统的总体参数；运用三维软件 Pro/e 建立了简单的传动系统。