船用齿轮箱减振降噪机理分析与举措

2019-03-27

福建质量管理 2019年1期

(天津理工大学海运学院天津 300384)

近年来，随着“绿色船舶”理念的普及，船舶的生产制造正向着绿色环保、节能降耗、舒适宜居的方向发展。船舶的振动与噪音有相当一部分来源于齿轮箱，直接影响着船舶工作人员的身心健康和船舰潜艇的隐蔽性。因此，船舶齿轮箱的振动与噪声问题愈加引起人们的重视。对于如何减小齿轮箱的振动噪声，国内外学者已经开展了广泛研究分析，在齿轮箱噪声产生机理[1]、噪声预测[2]和减振降噪[3]等方面积累了丰富的经验，为齿轮箱振动噪声的研究提供了有力的支持。本文在总结前人经验的基础上，浅述了齿轮箱振动噪声产生机理与振动噪声传递路径，并对齿轮箱减振降噪的措施进行了讨论。

一、齿轮箱的振动噪声机理

齿轮箱工作过程中的振动噪声可以分为啸叫噪声与拍击噪声。啸叫噪声是指在齿轮动态啮合过程中，齿轮受各种因素的影响产生振动，从而引起其他零件及整个传动系统的振动噪声。拍击噪声则是由齿轮啮合过程中拍击振动引起的噪声。齿轮传动系统是弹性的机械系统，在动态激励作用下产生动态响应。引起齿轮箱振动噪声的激励很多，主要归结为刚度激励、传动误差和载荷冲击。

(一)刚度激励。在齿轮传动系统中，啮合刚度是一个十分重要的动力学参数，它的大小决定着动力传递的稳定性和系统动态性能。在啮合过程中，齿轮啮合的重合度一般不为整数，同时啮合的齿对数会随时间发生周期性变化，因此轮齿的啮合综合刚度也随时间周期性变化。刚度激励使啮合综合刚度不断变化，并使整个系统发生动态响应。

(二)传动误差。在齿轮啮合过程中，齿的轮廓与共轭轮廓不可避免地会发生一定的偏差，造成啮合力在运动过程中逐渐变化，引起齿轮产生线型和扭转响应，使齿轮发生振动和噪声。传动误差越大，啮合力变化也越大，引起齿轮的振动和噪声也就越大。在实际的齿轮生产与安装过程中，有许多因素会引起齿轮的传动误差，主要表现为：1)齿轮加工误差对传动误差的影响，齿轮的制造过程中产生的几何偏心、运动偏心、齿形、齿厚等齿轮固有的误差均会影响齿轮传动。2)轴偏心对传动误差的影响。3)配合间隙偏心对传动误差的影响。此外，齿轮工作过程中发生温度变形和弹性变形，齿轮磨损，齿面点蚀等也都会引起齿轮传动误差[4]。

(三)载荷冲击。齿轮箱作为动力传输装置，其与发动机、电动机、汽轮机、螺旋桨等紧密相联，当出现动力输出不稳定，螺旋桨受负载扭矩波动等情况，外界的载荷将通过轴系传递到轴承，由轴承传递给齿轮，对齿轮产生不稳定的激励冲击，这种激励使齿轮产生振动和噪声。将齿轮看作一个振动的弹簧体系，弹簧体系中的齿轮受到不同程度的荷载冲击时，齿轮表现出来的振动频率、振动方向也会有所不同，多数情况下会因为圆周方向的振动力发出噪声。

二、齿轮箱噪声传播路径

齿轮的内部激励是引起齿轮振动噪声的主要原因，齿轮啮合过程中产生的噪声通过轴等传递到箱体，引起箱体振动与噪声，形成所谓的第一次空气声；此外，一部分噪声通过箱体内的空间直接传递到箱体，引起箱体振动并向外部空间辐射噪音，形成第二次空气声；另一部分噪声直接通过齿轮箱的缝隙直接辐射到外部环境，形成第三次空气声。齿轮箱的辐射声能量有九成以上是通过第一种方式传递出去的[5]。因此，针对齿轮箱振动噪声的产生与传递，齿轮箱的减振降噪一方面可以通过减小齿轮啮合过程中产生的振动噪声，另一方面也可以通过控制振动噪声的传播途径来达到目的。

三、齿轮箱减振降噪的措施

(一)润滑技术。在齿轮的工作过程中，润滑油能够提高齿轮表面的光滑度，减小齿轮啮合时的接触摩擦，降低由摩擦产生的振动和噪声。同时能够提高齿轮箱工作效率，延长齿轮和齿轮箱的使用寿命。在考虑齿轮箱的润滑技术时，一方面对齿轮润滑油膜在传动过程中所形成的压力分布和油膜厚度分布的分析，在计入润滑等因素的前提下，对齿轮进行进一步的优化设计。另一方面研制新型的润滑油和润滑油添加剂，从而提高齿轮传动的润滑效果。除此以外，还可以创新齿轮润滑方法，如离心润滑法。

(二)齿轮的设计制造。齿轮啮合是振动噪声的源头，齿轮的形状参数、模数齿数、粗糙度、精度等级等都直接影响着齿轮传动过程中振动噪声的大小。在设计齿轮时，应当考虑齿轮参数的选用，齿轮参数直接影响着轮齿的形状与啮合状态，关系着齿轮箱振动噪声。齿轮修形也是控制振动噪声的重要措施，因为轮齿、传动轴和箱体的变形，轮齿在啮入和啮出时会产生冲击，引起强烈的振动和噪声。通过齿廓修形可以减少齿轮啮入冲击，使齿轮啮合平滑过渡。另外螺旋线修形可以增大传递的平稳性，降低齿轮系统噪声。此外，使用特殊的加工技术(超声加工、激光加工、光刻技术)使齿面具有特殊的纹理织构，这种表面织构在改善齿轮摩擦学性能方面起到了积极作用，能够减小摩擦，增加润滑效果，减小齿轮振动噪声。

(三)阻尼隔振技术。阻尼隔振是采用适当的阻尼和吸收材料使振动和噪声能量耗散，从而限制振动和噪声在机械结构和空气中的传递，阻尼隔振是船舰减振降噪的主要技术手段。在舰船领域，阻尼技术已经被应用于舱室、船体、传动部件等方面，且有效地降低了来自零件啮合与碰撞产生的振动噪声。将阻尼隔振用于齿轮箱的减振降噪，可以在齿轮腹板的两侧附着用粘弹性材料制成阻尼环，通过合理的设计附着阻尼位置，达到抑制齿轮传动的振动噪声目的。另外，也可以在齿轮箱表面黏贴一定厚度的阻尼材料或在齿轮箱的安装处铺垫弹性阻尼材料，减小齿轮箱向外传递振动和辐射噪声。

(四)齿轮箱优化设计。齿轮啮合的振动噪声有90%以上会传递到齿轮箱箱体，向外辐射噪声。减小齿轮箱箱体上的振动噪声就能抑制整体振动噪声，所以对齿轮箱箱体的设计优化对减振降噪十分重要。齿轮箱是一个典型的弹性结构系统，其外形、刚性、自振频率、表面面积都会影响噪声辐射，通过合理设计箱体的结构和振动特性，能够降低齿轮箱噪声。如增加轴承支撑座与箱体支点间的结构刚度、调整箱体各壁面的壁厚组合、合适的位置添加肋板等方式都能够对齿轮箱箱体起到减振降噪的效果。