﻿ 舰船齿轮传动装置的减振降噪技术分析
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (12): 114-118 PDF

1. 海军驻哈尔滨七〇三所军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150078;
2. 中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078

Analysis of vibration and noise reduction technology of ship gear transmission
GE Ren-chao1, ZHANG Meng1, DAI Guang-hao2, ZHANG Zhi-bo2
1. Navy Representative Office of Navy in The 703 Research Institute in Harbin, Harbin 150078, China;
2. The 703 Research Institute of CSIC, Harbin 150078, China
Abstract: In this paper, the military significance and function of vibration and noise reduction of ship gear transmission are briefly described. On the basis of clarifying the production mechanism for vibration and noise of gear transmission, the current measures of the vibration and noise reduction have been discussed from three aspects, such as the whole transmission device, transmission gears and boxes. Meanwhile, many real examples have been performed to prove the effect which we can achieve about vibration control; then the shortcomings which exist in our country about technology accumulation and experimental study of the vibration and noise reduction of ship gear transmission have been explored further. So, some suggestion about these improvements has been propounded based on horizon of establishing technical systems, which is helpful to make more progress for the more comprehensive development of vibration and noise reduction technology of ship gear transmission of our country in the future.
Key words: ship     gear     transmission     vibration and noise reduction
0 引　言

1 齿轮传动装置振动噪声机理 1.1 齿轮振动的激励成因

1.2 齿轮振动噪声机理

 图 1 斜齿轮单自由度扭转振动模型 Fig. 1 Torsional Vibration Model of Single Degree of Freedom of Helical Gears

 $M\ddot x + D\dot x + K\left( {t,x} \right) \cdot x = {F_0} + F\left( {t,x} \right),$ (1)

Ftx）为轮齿的动态激励力，是引起齿轮振动的主要因素，计算如下：

 $F\left( {t,x} \right) = \mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {K_i}\left( t \right) \cdot e\left( t \right){\text{。}}$ (2)

 $K\left( {t,x} \right) = \Delta K\left( {t,x} \right) + {K_m},$ (3)
 ${E_t} = \frac{{{F_0}}}{{{K_m}}} + \mathop \sum \nolimits_{i = 1}^n {K_i}\left( t \right) \cdot {e_i}\left( t \right)/{K_m},$ (4)
 ${K_m} = \frac{1}{{{T_z}}}\int_0^{{T_z}} K\left( {t,x} \right){\rm d}t{\text{。}}$ (5)

 $M\ddot x + 2\xi \sqrt {{K_m}M} \dot x + {K_m}\left( {x - {E_t}} \right) = 0,$ (6)

 $M\ddot x + 2\xi \sqrt {{K_m}M} \dot x + {K_m}\left( {x - {E_t}} \right) = A\left( t \right){\text{。}}$ (7)

2 舰船齿轮传动减振降噪技术现状

2.1 齿轮传动装置总体减振降噪技术

1）齿轮传动装置采取隔振安装控制振动传递到安装基座；

2）齿轮转子（特别是高速齿轮转子）要考虑轴承支承进行转子动力学分析，匹配轴承选型和优化齿轮轴结构；

3）改用更合适的轴承类型和精度，匹配轴承的精度与齿轮、箱体的精度，且允许的情况下优先选用滑动轴承；

4）对于振动控制严格的工作环境，优先选用行星齿轮传动形式；

5）对于重载齿轮，选用功率分支结构，内部采用弹性轴系满足功率同步传递需求；

6）注重装配质量的控制，传动齿轮、箱体的装配质量控制，条件允许时检查装配后轮齿的啮合状态。

2.2 传动齿轮减振降噪技术

1）减小齿轮工作时的线速度。不平衡力的大小与旋转角速度的平方成正比，控制轮齿线速度可减小齿面的冲击。

2）尽可能减小传动系统的质量和提高齿轮的加工精度。

3）齿数互质，且传动比非整数，避免制造误差周期性地重复叠加，从而加剧齿轮的动态激励。

4）合理选择侧隙。侧隙过大、过小都会导致冲击和动态激励的增加。通常，载荷方向变化频繁，且幅值变化大时，宜取较小值，否则宜取较大值。

5）模数选择。对于重载齿轮，重点考虑加载引发的齿根弯曲变形，模数越大越有利于减小齿根弯曲变形，因此优先选用较大模数降低噪声；而对于轻载的齿轮，尽可能选用较小模数消除加工误差的影响；而且模数小可增加齿数，这样可增大重合度，从而提高齿轮的传动平稳性。

6）大重合度。重合度为整数时，降低动态力效果更好。

7）采用变位齿轮。通过齿轮变位提高轮齿的承载，减小弯曲变形；但变位量需控制在一定范围，过大变位则会显著加大噪声。

8）减小齿宽。在满足强度要求的前提下，尽量选用小齿宽。

9）对于重载齿轮，可考虑轮齿的承载变形特性进行修形。

 图 2 齿轮优化设计前后加速度对比 Fig. 2 Comparison of the acceleration before and after the optimal design of gears

2.3 箱体支承减振降噪技术

1）多采用加强筋设计，在质量不明显增加的情况下，显著提升箱体的支承刚度；

2）根据结构动力学分析结果，在结构薄弱处进行加强或采取阻尼处理；

3）针对振动传递的关键部位或结构，采取变截面或不同材料设计以改变传递函数，衰减振动；

4）条件允许时，采用双层壁板设计，灌注阻尼材料以减小振动；

5）强度允许的情况下，可采用铸造箱体。

 图 3 箱体阻尼处理前、后振动对比曲线 Fig. 3 Graph of the Comparison of Before and After Box Damping Management

3 舰船齿轮传动减振降噪方面的不足与改进 3.1 齿轮传动减振降噪技术的不足

1）技术积累不够，技术基础较薄弱

①齿轮激励特性的计算及验证研究不够，仅能进行定性分析，难以有效完成齿轮传动装置动态激励的工程计算，无法为振动控制提供准确输入条件，也难以准确辨析不同设计方案的减振效果。

②传动装置及箱体的振动传递特性研究重视不够。振动不仅与激励相关，也与结构的传递特性密切联系，结构传递特性直接影响传动装置的振动响应特性；而针对结构传递特性的研究一直不被齿轮传动装置研发人员重视。

③齿轮传动装置测试技术应用不够，目前国内外各种振动噪声方面的测试手段发展迅速，而在舰船齿轮传动行业应用的先进的测试技术较少，大多还停留在常规的振动噪声测试方面，难以为相关仿真分析提供数据验证，不足以有效促进理论分析及相关技术的发展。

2）试验研究设施薄弱

3）齿轮方面的低噪声工艺措施匮乏

3.2 齿轮传动减振降噪技术的改进

1）提升齿轮传动装置低噪声性能重要性的认识，将其作为一项核心指标，关系舰船（尤其是潜艇）的生命力，在制定齿轮传动装置设计方案时，就将振动噪声指标作为其中一项关键指标，将减振降噪设计贯穿到齿轮传动装置设计全过程，避免先天不足。

2）深化基础理论研究，注重试验验证和数据分析，通过大量验证实现动力学仿真、计算的工程化应用，掌握低噪声设计方法，建立低噪声设计体系，为设计提供支撑。

3）强化低噪声工艺研究，掌握其与振动噪声的关系，关注设计环节，注重生产、试验环节的数据收集与整理，积极开展一系列试验寻求制造工艺与齿轮振动噪声之间关系。

4）重视齿轮传动装置的低噪声试验，尤其是注重齿轮传动的振动噪声性能试验，各型号齿轮传动装置研制试验时不仅仅进行常规性能试验，要给振动噪声性能试验留足时间，对每一型设备通过充分试验掌握其振动噪声性能，为振动噪声性能的持续改进提供数据支持。

5）加大新技术的应用，目前国内各项民品产业进口国外设备较多，民用产品在很多方面应用有较多先进的振动噪声控制技术成果，有选择、有针对性的开展舰船齿轮传动装置相关技术的适应性研究，可以取得事半功倍的效果。

4 结　语

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