張 猛，葛仁超，張智博，安文迪

(1. 中國(guó)人民解放軍海軍駐哈爾濱703所軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150078；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

對(duì)于艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)，如果燃?xì)廨啓C(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速無(wú)法一致，則需要通過(guò)減速器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到較好的匹配性，因此減速器是艦船燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)的重要部件之一，既是動(dòng)力系統(tǒng)的傳遞和分配裝置，又是艦船動(dòng)力系統(tǒng)主要的振動(dòng)和噪聲源[1]。減速器通過(guò)填充阻尼吸能材料，可提高減速器的吸振和隔振性能，進(jìn)而降低整體的振動(dòng)噪聲水平。于洋等[2]針對(duì)某功率分流式行星齒輪減速器，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析獲得了軸承部位的動(dòng)載荷時(shí)域曲線。胡宗成等[3]討論了艦船推進(jìn)軸系離合器接合時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)減速器二級(jí)齒輪的影響。本文主要針對(duì)灌裝阻尼吸能材料的減速器和沒(méi)有灌裝阻尼材料的減速器機(jī)座進(jìn)行工作變形分析及對(duì)比試驗(yàn)，比較減速器在2種狀態(tài)下對(duì)相同激勵(lì)參數(shù)的變形響應(yīng)。

1 試驗(yàn)原理

理想狀況時(shí)，輪齒參數(shù)一致均勻，加工裝配并無(wú)誤差或故障，運(yùn)轉(zhuǎn)載荷及轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。那么在這種時(shí)變剛度激勵(lì)力的作用下，齒輪的嚙合振動(dòng)主要表現(xiàn)為剛度激勵(lì)振動(dòng)，即常規(guī)振動(dòng)。如果有輪齒存在誤差或者其他故障，會(huì)影響齒輪的常規(guī)振動(dòng)[4]。與常規(guī)振動(dòng)一樣，這種影響一方面影響幅值，另一方面改變相位或頻率。減速器主要由齒輪對(duì)、軸、軸承及箱體等組成，齒輪的嚙合振動(dòng)、傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、齒輪軸的偏心等是齒輪箱振動(dòng)的激振力源，減速器箱體是振動(dòng)噪聲的傳遞體，減速器通過(guò)箱體底座把振動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞到船體或者其他結(jié)構(gòu)上[5]。減速器設(shè)計(jì)成腔體結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)灌裝阻尼材料，減速器整體模型為層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)約束阻尼結(jié)構(gòu)建模理論，耦合結(jié)構(gòu)有限元分析以及耦合結(jié)構(gòu)約束阻尼分析方法，建立彈性阻尼約束和吸振結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Dynamical model

動(dòng)力學(xué)基本方程為：

其中：[M]為質(zhì)量矩陣，對(duì)角元之外是0；[C]為不包含損耗因子的結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；，，分別為外載荷，位移，加速度列向量。矩陣表達(dá)式為：

在整個(gè)試驗(yàn)分析系統(tǒng)中，齒輪箱箱體看作是二階彈簧阻尼振動(dòng)系統(tǒng)。減速器箱體受到輪齒的嚙合振動(dòng)，制造裝配誤差造成的齒輪軸的周期偏心脈動(dòng)激勵(lì)，齒輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)等，受以上激振力的耦合作用，齒輪會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。減速器通過(guò)軸承和軸承座將齒輪傳動(dòng)的激勵(lì)傳遞到箱體上，最終通過(guò)箱體底座外傳。通過(guò)以上分析，可以把減速器箱體底座作為試驗(yàn)測(cè)量的工作面。試驗(yàn)原理框圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)原理框圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

2 工作變形分析試驗(yàn)

2.1 工作變形試驗(yàn)激振點(diǎn)位置選取和激勵(lì)方式選取

根據(jù)本試驗(yàn)的試驗(yàn)要求，需要將灌裝阻尼吸能材料前后的減速器在自由狀態(tài)條件下進(jìn)行測(cè)試。自由狀態(tài)要求2種各個(gè)坐標(biāo)不允許與地面相連接，自由狀態(tài)下設(shè)備有3個(gè)平移模態(tài)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)共6個(gè)剛體模態(tài)[6]。平移模態(tài)通過(guò)質(zhì)量確定，轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定，在自由狀態(tài)下剛體模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率基本為0。同時(shí)，自由狀態(tài)要求設(shè)備不允許與地面連接，且支承方式的懸掛點(diǎn)最好盡可能選在所討論的模態(tài)節(jié)點(diǎn)附近，為保證系統(tǒng)的可辨識(shí)性，另外模態(tài)測(cè)試前充分考慮了激勵(lì)點(diǎn)的位置對(duì)試驗(yàn)的影響。本次試驗(yàn)對(duì)象質(zhì)量較大，激振器和傳感器附加質(zhì)量的影響可忽略不計(jì)。為保證能激勵(lì)出2 000 Hz內(nèi)的所有模態(tài)，試驗(yàn)決定采用多輸入多輸出的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，即MIMO方法[7]。為保證激振器能提供足夠的能量使各測(cè)試點(diǎn)所測(cè)得的信號(hào)有足夠大的信噪比，又不至于由于激勵(lì)力過(guò)大而引起局部信號(hào)失真，在考慮到激振器的安裝和固定方便的前提下，最終決定選取外殼處沿徑向方向和輸入端處沿軸向方向進(jìn)行激勵(lì)（見(jiàn)圖3）。選擇位于不同側(cè)的2個(gè)位置進(jìn)行激勵(lì)，用來(lái)確保量足夠以激勵(lì)出減速器所有模態(tài)。使各測(cè)點(diǎn)所測(cè)的信號(hào)具有較好的信噪比，又能避免由于激勵(lì)位置距離太近而引起靠近激振點(diǎn)位置處振動(dòng)信號(hào)過(guò)大，而遠(yuǎn)離激振點(diǎn)位置振動(dòng)信號(hào)微弱的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)試件進(jìn)行2個(gè)方向的激勵(lì)，可以保證能激勵(lì)出系統(tǒng)各方向上的耦合和整體模態(tài)，盡可能避免出現(xiàn)模態(tài)丟失現(xiàn)象。

圖3 激勵(lì)點(diǎn)布置位置Fig.3 Location of incentive points

本試驗(yàn)采用電磁式激振器，采用隨機(jī)激勵(lì)方式進(jìn)行激勵(lì)。采用激振器進(jìn)行隨機(jī)激勵(lì)，外部懸掛裝置不可避免的會(huì)與待測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生一些碰撞，帶來(lái)測(cè)試干擾誤差，為減小這種原因?qū)е碌恼`差試驗(yàn)只可能采用純隨機(jī)激勵(lì)，而不能采用純隨機(jī)激勵(lì)和猝發(fā)隨機(jī)相結(jié)合的方式。采用純隨機(jī)激勵(lì)時(shí)，頻響函數(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集和FFT技術(shù)[8]。

2.2 工作變形試驗(yàn)過(guò)程

懸掛減速器，并調(diào)整至合理高度，安裝信號(hào)采集系統(tǒng)和激振系統(tǒng)。選定2個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)作為激振點(diǎn)，安裝力傳感器，并同時(shí)對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)通道進(jìn)行設(shè)置。加速度傳感器粘貼，測(cè)量系統(tǒng)、激振系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，啟動(dòng)激振系統(tǒng)，開(kāi)始信號(hào)采集，并對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。預(yù)檢測(cè)，調(diào)整試驗(yàn)設(shè)備，合理調(diào)整激振點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)。工作變形試驗(yàn)過(guò)程原理如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)過(guò)程原理圖Fig.4 Schematic diagram of testingprocess

圖5 不同頻率下工作變形曲線圖Fig.5 The graph of working strain on different frequency

3 工作變形試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制各測(cè)點(diǎn)在有/無(wú)阻尼情況下在不同頻率下的工作變形曲線對(duì)比如圖5所示，圖中可以清楚地看出灌裝阻尼后結(jié)構(gòu)減振效果得到顯著提高。

可知，灌裝阻尼材料后整體工作變形減小，以測(cè)點(diǎn)1為例，在各階頻率下工作變形降低了41.9%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)減速器箱體工作變形進(jìn)行試驗(yàn)和分析，對(duì)試驗(yàn)方法的原理和具體實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行闡述。通過(guò)減速器灌裝阻尼材料前后箱體的工作變形分析，在相同的激振條件下，減速箱支座支撐面的工作變形，在灌裝阻尼材料后整體表現(xiàn)為工作變形減小。這說(shuō)明減速器在灌裝阻尼材料后，減速器的振動(dòng)傳遞到箱體支座支撐面的響應(yīng)減小，降低了振動(dòng)噪聲的響應(yīng)，起到了降噪效果。