王貴龍，朱 蕾，尤明明

● （上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

某行星齒輪減速器箱臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)問(wèn)題分析

王貴龍，朱 蕾，尤明明

● （上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

針對(duì)某行星傳動(dòng)齒輪減速器在出廠試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)大的問(wèn)題，通過(guò)頻譜測(cè)試，得到減速器的振動(dòng)速度頻譜圖，發(fā)現(xiàn)減速器的主要振動(dòng)頻率為拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻。針對(duì)該頻率成份，對(duì)臺(tái)架主要部套及其支架進(jìn)行了固有頻率計(jì)算，發(fā)現(xiàn)減速器與其支架耦合頻率存在與拖動(dòng)電機(jī)4倍頻存在重合的現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)試和計(jì)算結(jié)果，對(duì)臺(tái)架的陪試增速箱轉(zhuǎn)速進(jìn)行從新匹配，避開(kāi)該頻率，最終有效降低了該行星齒輪減速器的振動(dòng)烈度。

行星傳動(dòng)；固有頻率；振動(dòng)烈度；增速箱

0 引言

某高速行星齒輪減速器在樣機(jī)制造完成后，進(jìn)行出廠階段臺(tái)架試驗(yàn)，其中，該減速器的振動(dòng)指標(biāo)作為最重要的考核指標(biāo)之一，直接關(guān)系該型產(chǎn)品的研制驗(yàn)收工作。

在一般的高速減速器出廠試驗(yàn)階段，由于大功率拖動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速一般較低，為了得到被試產(chǎn)品的額定輸入轉(zhuǎn)速，需要在拖動(dòng)電機(jī)和被試產(chǎn)品之間配置一臺(tái)增速箱進(jìn)行增速，該增速箱的傳動(dòng)比決定了拖動(dòng)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速。

由于該高速行星齒輪減速器的輸入轉(zhuǎn)速為定轉(zhuǎn)速，在出廠試驗(yàn)中，所配置的增速箱決定了拖動(dòng)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為1360r/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)頻為22.67Hz。該試驗(yàn)臺(tái)架的軸系配置示意圖如圖1所示。

從圖中可以看出，為了對(duì)該減速器進(jìn)行額定轉(zhuǎn)速下的負(fù)載試驗(yàn)，主要配置了拖動(dòng)電機(jī)、增速箱、負(fù)載轉(zhuǎn)子軸以及加載電機(jī)。

圖1 減速器出廠試驗(yàn)臺(tái)架配置圖

1 減速器振動(dòng)烈度測(cè)試和結(jié)果分析

試驗(yàn)中拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1360r/min,通過(guò)增速箱將行星齒輪減速器的轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速，功率加載至減速器試驗(yàn)要求額定載荷，采用銅棒聽(tīng)診，減速器內(nèi)部聲音雜亂且輪齒嚙合敲擊明顯，同時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架各設(shè)備振動(dòng)均明顯偏大，初步判斷臺(tái)架存在共振現(xiàn)象。

為了明確臺(tái)架共振頻率及具體共振部套，對(duì)整個(gè)臺(tái)架進(jìn)行振動(dòng)頻譜測(cè)量，各部套在額定功率下的三向振動(dòng)速度譜中振動(dòng)最大方向的譜線如圖2～圖5所示，振動(dòng)頻率及幅值匯總表如表1所示。

圖2 拖動(dòng)電機(jī)振動(dòng)最大點(diǎn)頻譜圖（橫向）

圖3 增速箱振動(dòng)最大點(diǎn)頻譜圖（橫向）

圖4 減速器振動(dòng)最大點(diǎn)頻譜圖（橫向）

圖5 負(fù)載軸振動(dòng)最大點(diǎn)頻譜圖（橫向）

表1 試驗(yàn)臺(tái)架各部套振動(dòng)頻率及幅值

從以上振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可以看出，試驗(yàn)臺(tái)架主要振動(dòng)頻率為90.9Hz，其中增速箱上的最大，行星齒輪減速器上次之，負(fù)載轉(zhuǎn)子軸尾端支撐位置相對(duì)最小，振動(dòng)方向以橫向最大。

從頻率來(lái)源來(lái)看，頻率45.5Hz為拖動(dòng)電機(jī)2倍頻，主要是拖動(dòng)電機(jī)與增速箱之間的不對(duì)中頻率。頻率 90.9Hz為拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率。其中，增速箱和減速器自身轉(zhuǎn)頻均不含該頻率及其倍頻。

通過(guò)以上分析，可以初步判斷，臺(tái)架中可能存在與90.9Hz即拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻相重合的固有頻率。為了進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)中對(duì)拖動(dòng)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行變換后進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臺(tái)架輸入轉(zhuǎn)速降低10%時(shí)，臺(tái)架各部分沒(méi)有出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率。同時(shí)各振動(dòng)幅值大幅下降約70%。由此可以判定，臺(tái)架各設(shè)備中存在與 90.9Hz頻率重合的固有頻率。

根據(jù)表1的匯總結(jié)果，可以看出，轉(zhuǎn)速調(diào)整至行星齒輪減速器額定轉(zhuǎn)速時(shí)，最有可能與拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率共振的部套即為增速箱和行星齒輪減速器，且該頻率下的振型以橫向振動(dòng)為主。

2 增速箱、減速器及支架固有頻率計(jì)算

為了確定使用臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的共振部套，對(duì)陪試設(shè)備增速箱及其支架、被試產(chǎn)品行星齒輪減速器及其支架，分別建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行固有頻率計(jì)算。

2.1 增速箱及支架固有頻率計(jì)算

增速箱及其支架三維模型如圖6所示，計(jì)算中對(duì)各聯(lián)接部分進(jìn)行綁定約束。通過(guò)計(jì)算得到增速箱及其支架的前4階固有頻率分布如表2所示。

可以看出，增速箱最低階頻率為120Hz對(duì)應(yīng)的振型如圖7所示，主要為軸向振動(dòng)。對(duì)比臺(tái)架產(chǎn)生的90.9Hz共振頻率，增速箱部分沒(méi)有與拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率重合的固有頻率成份。

表2 增速箱及其支架固有頻率計(jì)算

圖6 增速箱計(jì)算模型

圖7 120Hz對(duì)應(yīng)振型

2.2 減速器及支架固有頻率計(jì)算

減速器及其支架三維模型如圖8所示，計(jì)算時(shí)約束支架底平面。通過(guò)計(jì)算得到前4階固有頻率分布如表3所示。

表3 減速器及其支架固有頻率計(jì)算

從表中可以看出，減速器及其支架的第 2階頻率為90Hz，基本與臺(tái)架共振頻率重合。圖9給出了該頻率對(duì)應(yīng)的振型，從振型圖可以看出，其主要振動(dòng)方向?yàn)闄M向振動(dòng)，與臺(tái)架共振時(shí)，在橫向振動(dòng)速度最大相符。

圖8 減速器計(jì)算模型

圖9 90Hz對(duì)應(yīng)振型

2.3 臺(tái)架共振問(wèn)題說(shuō)明

通過(guò)以上計(jì)算可以看出，臺(tái)架共振原因主要是被試產(chǎn)品行星齒輪減速器及其支架與拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率90.9Hz發(fā)生共振現(xiàn)象，行星齒輪減速器在該頻率下共振時(shí)，除自身表現(xiàn)出較大的橫行振動(dòng)速度外，與其聯(lián)接的增速箱的振動(dòng)速度更大，這主要是由于該減速器在設(shè)計(jì)中，為了得到較好的均載性能，內(nèi)齒圈與箱體聯(lián)接采用了人字內(nèi)齒圈浮動(dòng)聯(lián)軸器，整個(gè)減速器的齒圈部分均采用薄壁柔性設(shè)計(jì)，該型式具有良好的均載吸振性能，內(nèi)齒圈組件在工作時(shí)的變形狀態(tài)如圖10所示。

圖10 減速器內(nèi)齒圈組件均載效果示意圖

但該臺(tái)架試驗(yàn)所配置的增速箱比較單薄，其高速軸不能有效支撐活套在其軸頭的鼓形齒聯(lián)軸器和減速器太陽(yáng)輪，在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，作為剛度薄弱環(huán)節(jié)，承受了較大的振動(dòng)能量。所以當(dāng)減速器共振時(shí)，增速箱反而表現(xiàn)出更多的振動(dòng)水平。增速箱與減速器的聯(lián)接示意圖如圖11所示。

圖11 增速箱與減速器聯(lián)接示意圖

3 試驗(yàn)臺(tái)架整改措施

通過(guò)以上共振問(wèn)題分析可以看出，臺(tái)架共振問(wèn)題主要是由于拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的4倍頻率與被試產(chǎn)品行星齒輪減速器及其支架的第2階頻率重合而引起的。針對(duì)這一問(wèn)題，采用更換不同傳動(dòng)比的增速箱，從而使拖動(dòng)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)頻及其4倍頻率有效避開(kāi)減速器及其支架的固有頻率90Hz。

采用不同傳動(dòng)比的增速箱，行星齒輪減速器在試驗(yàn)要求額定功率和轉(zhuǎn)速下的最大振動(dòng)烈度點(diǎn)頻譜分布如圖12所示，從圖中可以看出，其主要振動(dòng)頻率均為其正常工作時(shí)的自身特征頻率，有效避開(kāi)了行星齒輪減速器及其支架的結(jié)構(gòu)固有頻率共振現(xiàn)象。

圖12 調(diào)整臺(tái)架輸入轉(zhuǎn)速后減速器振動(dòng)速度最大點(diǎn)頻譜分布

圖13 更換增速箱前后減速器振動(dòng)烈度對(duì)比

同時(shí)，該行星齒輪減速器在更換陪增速箱前后，其整機(jī)振動(dòng)烈度隨功率變化對(duì)比曲線如圖13所示：從圖中可以看出，更好不同傳動(dòng)比的增速箱后，減速器的振動(dòng)烈度減低將近一半，該減振措施效果明顯。同時(shí)也可以看出，減速器及其支架存在的90Hz固有頻率在功率升高至1500kW左右才可以被充分激發(fā)，出現(xiàn)較明顯的共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通用以上某行星齒輪減速器臺(tái)架試驗(yàn)振動(dòng)問(wèn)題的分析處理，可以得到以下主要結(jié)論：

1）對(duì)大功率高速行星齒輪傳動(dòng)裝置的試驗(yàn)臺(tái)架搭建，各陪試設(shè)備與被試產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)匹配性必須進(jìn)行充分考慮，應(yīng)在臺(tái)架搭建前對(duì)各部分的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行計(jì)算，避免出現(xiàn)臺(tái)架共振現(xiàn)象。

2）大功率高速行星齒輪傳動(dòng)設(shè)備為了獲得良好的均載性能，往往采用較多的柔性浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其動(dòng)力輸入設(shè)備的整體剛性、運(yùn)行平穩(wěn)性等方面有較高的要求，在各陪試設(shè)備選型時(shí)必要充分考慮。

3）目前的減速器振動(dòng)仍處于較高的水平，主要體現(xiàn)在輸入轉(zhuǎn)頻增幅較大，在后續(xù)的工作中，應(yīng)重點(diǎn)從減速器輸入功率的平穩(wěn)性方面進(jìn)行重點(diǎn)整改。

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A Vibration Analysis of Certain Planetary Gear Reducer in Test-bed

WANG Gui-long, ZHU Lei, YOU Ming-ming
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Contraposing the poor vibration performance of certain planetary reducer in test-bed, this paper gets the vibration velocity spectrum of the reducer through spectrum test.It is found that the vibration frequency of the reducer equals the quadruple of that of the drive motor.The nature frequencies of test-bed main parts and their brackets are calculated according to the frequency components.The frequency of the reducer and its bracket is then found out to overlap the quadruple of the drive motor frequency.Based on the test and calculation results, the old gear box is replaced by a new gear box with different parameters, which finally solves the severe vibration problem of the planetary gear reducer.

planetary reducer; nature frequency; vibration; gear-box

TP132.41

A

王貴龍（1987-），男，研究生。研究方向：動(dòng)力機(jī)械。