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传动齿轮箱体的振动模态分析
常山高级工程师尹逊民工程师
(第七○三研究所)
摘要: 齿轮传动装置是舰船的主要振动和噪声源之一,本文在建立传动齿轮箱体模态试验的
理论模型和试验模型后,采用移动锤击法采集各点的冲击数据和响应数据。用最小二乘复指数法识别
出箱体的模态参数,并与有限元计算结果进行了对比分析,证明本文所采用的研究齿轮传动箱振动模态
的方法是行之有效的。
关键词: 齿轮箱振动分析有限元模态试验锤击法
1 引言
随着科学技术的快速发展,对传动齿轮箱提出了越来越高的要求。尤其是舰船用齿轮箱,既要
传递功率大、体积小、重量轻,又要满足振动小、噪声低的苛刻要求。齿轮箱的工作是否正常,将直
接影响到舰艇的整体作战能力。据所查的文献资料看,过去人们比较重视齿轮、轴承等部件的工作
情况,在齿轮、轴承等的动静应力分析、疲劳分析、模态分析以及故障诊断等方面作了大量的工作。
这是由工程的实际情况决定的,因为对齿轮箱零件失效的统计表明,齿轮和轴承失效的比重最大,
分别为 60 %和 19 %。但不能因此而忽视对齿轮箱动态特性的研究。目前,研究齿轮箱体振动模态
的资料比较少见。齿轮啮合传动中,当齿轮存在集中缺陷、分布缺陷或齿轮所在轴弯曲时,将产生
转频调制啮合频率的现象。如果轴严重弯曲或者齿轮严重故障而导致振动能量异常大时,齿轮啮
合传动中的异常振动会激励起传动箱体的固有频率。另外,齿轮箱体本身的振动以及由轴系传来
的齿轮的振动都是产生辐射噪声的主要根源。因此,准确识别齿轮箱体的振动模态及其特点具有
重要的现实意义。
2 有限元建模与模态计算
2. 1 齿轮箱体建模
作为计算对象的齿轮箱体由上、下两半箱体组成,上箱体尺寸为 683 × 280 × 185mm ,下箱体尺
寸为 683 × 280 × 420mm ,主体部分为铸件,另外焊接了一些筋板等以提高强度,材料采用 HT21 - 46 ,
箱体总重 167. 2kg。上下箱体在中法兰面上用螺栓把紧。该箱体共有三对轴承座,根据设计,选择
不同的传动齿轮可以输出几种速比。上箱体主要由 10mm 厚的钢板组成,只有观察孔、轴承润滑油
入口的边缘及吊钩位置等处较厚;下箱体除轴承座外主要由 10~15mm 厚的钢板组成,另外也有一
些较厚的局部位置。采用美国的三维 CAD 软件 SDRC/ I - DEAS 进行齿轮箱的实体建模和有限元
分析计算。针对以上这些情况,在箱体的有限元建模中作了一些合理的简化,主要有:忽略各处过
渡圆角;忽略箱体上所有的螺栓孔;将那些较厚的局部视为与周围结构同厚。这些假设都不会对齿
轮箱体的重量及刚度产生大的影响,完全足够保证计算精度。齿轮箱体的轴承座采用三维实体单
元,用软件 mesh 功能中的 Free 方法将其划分为 1524 个四面体单元;上下箱体的板结构采用板单
收稿日期:2000 - 03 - 08。
《舰船科学技术》2000. 5 — 14 —
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元,用软件 mesh 功能中的 Free 与 Map 相结合