某型船用传动齿轮箱振动模态的试验与分析

4 齿轮箱模态分析与结论

分析各阶振型,齿轮箱上箱体的振动远比下箱体的振动大,这与有限元计算的结果是一致的。轴承座位于上箱体,所以上箱体的大幅度振动使得轴承座的振动也比较大,这就使得齿轮在运转过程中的对中受到影响,进而产生齿面的敲击带来振动与噪声,这是齿轮箱产生振动与噪声的一个重要根源。

结合齿轮箱运转实际情况,可以得到齿轮箱在若干工况下齿轮箱中高压端和低压端齿轮啮合的频率。由表1 知故障齿轮箱9 阶模态频率为543. 5 Hz ,正常齿轮箱9 阶模态频率为537. 2 Hz ,而其高压端二级齿轮啮合工作频率在主轴转速为105 r/ min 时约为561 Hz ,虽然工作频率561 Hz 没有落在这两个模态频率上,但对一般的工程结构,要求各阶模态频率远离工作频率,或工作频率不落在某阶模态的半功率带宽内(计算表明,故障齿轮箱和正常齿轮箱的半功率带宽为527. 59～559. 49 Hz 和522. 5～551. 9 Hz) ,比较起来,故障齿轮箱的9 阶模态频率比正常齿轮箱的模态频率更接近于工作频率。另外从故障箱和正常箱的9 阶模态频率相邻的两个模态频率8 阶(分别对应为458. 6 Hz、470. 1 Hz) 和10阶(分别对应为607. 2 、608. 9 Hz) 的来分析,这两阶(8 、10) 的模态频率,故障箱的更接近于工作激励频率,这是造成故障箱在主轴转速为105 r/ min 时,振动和噪声大的原因之一。由图2 知,故障齿轮箱的振动和噪声最大处在齿轮箱高压端二级减速齿轮23 # 轴承支承处,符合模态测试结果。

当输出转速为150 r/ min 时,其高压端二级齿轮啮合频率为810～840 Hz 之间,随输入转速波动而变化。而此时,故障和正常齿轮箱13 阶模态频率分别为845. 1 Hz 和812. 9 Hz ,进一步计算故障和正常齿轮箱13 阶模态频率的半功率带宽分别为:828. 2～861. 9 Hz 和790. 6～835. 2 Hz ,都处于工作频率的附近,必然使得这里的振动加速度幅值较大。由图2 知故障齿轮箱其23 # 轴承的振动加速度幅值(RMS) 在输出转速150 r/ min 时,为39. 1 m/ s2 ,是同一工况正常齿轮箱(支承高压端二级齿轮的23 #轴承的加速度幅值15. 1 m/ s2 (RMS) 的2. 6 倍。而此时,正常齿轮箱除了23 # 轴承(在转速上升时,该处振动最大值处,其余都比较小) 、24 # 轴承的振动比较大以外(分别为15. 1 m/ s2 和13. 6 m/ s2 ) ,其余的振动加速度幅值比较小。

从上面的讨论中可以发现,故障齿轮箱振动和噪声比同一工况下正常齿轮箱偏大,对比表1 故障齿轮箱和正常齿轮箱的模态频率及阻尼比,可以有以下分析结论:

(1) 二级齿轮啮合频率与齿轮箱9 阶和13 阶模态频率重合而引起的共振造成齿轮箱振动和噪声大。同时,发现故障齿轮箱振动和噪声远比正常齿轮箱的大,是由故障齿轮箱二级齿轮激振力的远远大于正常齿轮箱的激振力产生的。其可能的成因:故障箱基座下沉量比正常箱的大(后经检测事实如此) ;

铆焊结构的齿轮箱随时间发生变形,造成转子的不平衡、安装不对中、轴的平行度超差,轴承损坏、齿轮表面损坏等因素;

(2) 两个齿轮箱模态阻尼比的大小有较大的变化。系统阻尼越大,对振动的衰减也就越大。故障箱阻尼比最大值为5. 38 % ,最小值为0. 94 % ,而正常箱的阻尼比值的范围为5. 38 %～1. 86 %。在同一阶数下,正常箱的模态阻尼比至少比故障箱的模态阻尼比大或相当,这也是正常箱的振动和噪声比故障箱小的原因之一。造成阻尼比变化的原因众多,比如滑动轴承的间隙、滑油粘度、安装螺栓的拧紧力矩的变化等。

5 结束语

根据分析结论,经拆检,发现输入端与齿轮箱的对中、齿轮箱与联轴器的对中等以及基座下沉量在允许的范围内,但发现23 # 滑动轴承的轴瓦有磨损现象并且在二级小齿轮表面有损伤现象,通过对二级传动齿轮进行修复和动平衡,并更换磨损的轴瓦,故障齿轮箱的振动和噪声大幅减小。以上结果表明,模态分析方法是一种对齿轮箱的性能评估、故障诊断、保养和维修十分有用的工具[6 ] 。

参考文献:
[1 ] 陈国钧,曾凡明. 现代舰船轮机工程[M] . 长沙:国防科技大学出版社,2001.
[2 ] 金咸定. 船舶结构力学的进展与信息化[J ] . 振动与冲击,2002 ,21 (4) :1 - 6.
[3 ] 曹树谦,张文德,萧龙翔. 振动结构模态分析—理论、实验与应用[M] . 天津:天津大学出版社,2002.
[4 ] 丁康,朱小勇,陈亚华. 齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略[J ] . 振动与冲击,) :7 - 12
[5 ] 傅志方,华宏星. 模态分析理论与应用[M] . 上海:上海交通大学出版社,2000.
[6 ] 程广利,朱石坚,黄映云,等. 齿轮箱振动测试与分析[J ] . 海军工程大学学报, (6) :83 - 88.