简析大型船用齿轮箱系统动态性能分析方法

赵国杰 田永坚 施立钢

摘 要：作为大型運输船舶的主要动力系统，大型减速齿轮箱正在朝着更好高层次的稳定性和可靠性进行发展，其在使用过程中产生的振动更加的小，对大型船用齿轮箱系统结构的特点进行深入的分析，从降低噪声方面着手，对箱体进行优化，并建立相应的模型，已经非常有必要。

关键词：大型船;齿轮箱;动态性能

作为船舶运输的主要动力系统，大型船用齿轮箱正在朝着更高层次的方向进行发展，从而对动态分析也提出了更加严格的设计要求。另外，在应用的过程中，船用齿轮传动需要满足其在稳定性方面的特点。但是，目前最为主要的还是对现有的齿轮箱产品进行动态化的分析，找出振动产生的源头，以此实现齿轮箱的改进和完善。

一、大型船用齿轮箱系统结构特点和基本参数

（一）齿轮箱的所属类别及特点

以GWC型齿轮箱为主要的研究内容，在应用过程中与中速度柴油机进行有效的结合，共同进行使用，并配备相应的减速齿轮箱，该类型的船用减速齿轮箱，在传动性方面具有良好的优势，可以进行单轴输入和输出，同时还可以增加摩擦离合器等设备，以此实现离合等功能的发挥，从外观情况进行观察，整个系统结构十分严谨。

（1）船用中速柴油机 GW 系列

在船用中速柴油机中，会涉及到多种减速齿轮箱的类型，具体以GWC型等为主，例如以GWC型为例，该类型结构比较单一，由两个部分共同组成，在结构中可以假装其他离合器，非常方便实用[1]。另外，可以在同一条中心线上进行输出和输入，在设计过程中也会以顺车为主要的考虑形式，从而为传递工作提供最佳的路线。

（2）齿轮箱工作原理

船用齿轮箱在结构方面相对比较复杂，在系统组成中由多个部分共同组成，其中检测系统等是其中非常重要的部分，由于不同工程存在差异，船用齿轮箱所选择的传递路径，需要结合实际进行选择[2]。

（二）船用齿轮箱系统参数

（1）齿轮箱系统结构参数

大型船用齿轮箱主要以滚刀齿轮为主，由于该齿轮相对比较锋利，在设计过程中需要对反面变位系数合理进行选择，避免齿轮在使用过程中受到磨损[3]。另外，还需要准确提升齿轮的承载能力，在对齿轮传动结构进行设计时，需要对齿轮的运行进行充分的考虑。

（2）轴承的等效刚度和阻尼

由于齿轮箱在结构方面非常复杂，为了使计算结果更加的准确。建立计算模型时可以对轴承进行简化，以弹簧阻力单元为主，为了使这一目标可以尽快实现，需要对齿轮箱中的各项参数进行准确的统计，从而为后续计算提供稳定的前提[4]。

（3）船用齿轮箱的加工过程

在对比较复杂的系统进行研究时，需要对系统中的结构有必要的了解和认识，特别是对于零件的加工和制作流程需要有所熟悉，以及不同零件在系统中产生的作用进行明确。在铸造部分需要对箱体等多个部分进行共同的铸造，在对不同部分进行铸造时，需要对螺栓、螺母进行正确的连接，并仔细进行检查，确保其空间具有良好的封闭性。因此，在齿轮等进行加工时，对于工艺有着非常严格的要求，最后在对轴的零件进行加工时，轴类零件需要具有传递等多项功能，因此在不同零件的加工过程中，需要对通关要素进行的确认，避免齿轮箱在使用过程中出现问题。

二、船用大功率齿轮箱振动响应分析

齿轮箱在使用的过程中，因为荷载的不断增加，会出现相应的振动反应，随着振动次数的不断增加，会对其他结构产生影响。动态性能分析，主要就是以振动理论为依据，与工程结构不可分离，根据相关理论，对激励和固有特性确认后，就可以得出动态分析结果。

（一）船用齿轮箱动态响应分析方法

在对已知频率载荷作用进行明确后，可以为响应分析提供准确的依据。在已知大小和频率的输入下，可以对不同的载荷进行综合性的分析每一个自由度都会涵盖多种数据。在进行分析时，会对设计工作有所涉及。从整体方面来看，无论在任何时间下产生的荷载作用，都会对齿轮箱整体性能产生影响，引发振动问题，人们将此响应方式称为谐响应。在对其进行分析时，主要就是对不同结构在固定频率下产生的时间进行准确的计算，并对具体的响应值进行准确的统计，从而绘制具体的曲线，使相关人员可以快速确定最大响应值，提升分析能力，是动力特征得到准确的预测，避免振动对齿轮箱产生影响，避免其他问题的产生。

除此之外，缩减法对于船用齿轮箱动态响应分析非常关键，也比较常用。在实施缩减法时，可以利用自由度压缩规模，在计算自由度数值时，可以在自由度集中有所体现，该分析方式不仅分析时间短，同时可以减少计算的繁琐性，避免增加计算时间，但是该计算方式只能对自由度的位置变化进行确定，不能对整体的位移进行计算，还需要对技术进行进一步的研究。

（二）船用齿轮箱轴承处动态力的求解

在以动态化的方式对船用齿轮箱轴承进行求解时，可以准确模拟内部激励数值，使动态组合例可以准确计算。但是为了使齿轮箱动态响应更加满足现实的需要，可以全负荷加载，所产生的合力将会被分解到不同的方向，建立相应的矩阵。如果能够将所有的力进行凝聚，就可以实现内部动态响应。

（三）船用齿轮箱箱体结构噪声分析方法

噪声具有极强的危害性，从上世纪开始，工业得到了快速的发展，在一定程度上增加了污染的几率。在船体运行过程中，齿轮箱可以为船体带来强大的运行动力，同时也会产生巨大的噪音和振动反应，在机械传动过程中，齿轮得到了有效的应用。在运行过程中，由于齿轮安装等问题的产生，很容易在边缘产生内激动力，在概率的影响下，其他齿轮也会产生扭转响应，并由于振动幅度的不断增加，而产生强烈的噪声，基于噪声在传播方式中的差异性，可以对噪声进行准确的分类。噪声的来源有很多，箱体在承运时，也会发出噪音，并通过组织传动作用，形成规模更加巨大的系统。由于振动传递而引发的噪声，会对齿轮箱体的稳定性产生影响，此噪声也被称为结构噪声。

利用I-DEAS软件可以对齿轮箱进行动态响应分析，对齿轮箱的振动情况以曲线的方式进行展示。再进行FFT交换，得到其频域响应曲线，并进行针对性的处理，通过进行科学的计算，就可以对结构噪声值进行确定。

三、大型船用齿轮箱动态性能分析下的结构优化策略

在对齿轮箱体进行优化时，需要从整体方面进行综合性的分析和考虑，如果仅是对一部分进行优化，不能达到降低噪音的目的，而且如果想要对齿轮箱进行整体性的优化，其需要进行科学合理的论证。另外，还需要对齿轮箱的性能结构等进行综合性的分析和考虑，不仅需要满足箱体的结构需要，同时还要使箱体具有一定的强度与刚度。

在具体方案实施过程中，建立齿轮箱项目有限元模型，根据方案设计、技术设计等阶段形成的分析资料，合理策划建立试验阶段中齿轮箱各个运行状态下的噪音、振动测试方案。充分利用噪音、振动设备，收集齿轮箱设备在各个状态下的动态化的数据，对系统进行协调分析。

对结果进行数据化筛选，结合在不同振动频率下数据与设计仿真结果对比，确认振动激振源，制定合理的改进方案。

四、结论：

综上所述，齿轮箱结构设计对齿轮箱运行过程中是否会产生振动具有直接的影响，因此在进行设计时，需要对齿轮箱参数准确进行设置，并以此为基础建立动态力学模型。对轴承冲击载荷立等进行确定，最终对数据进行科学的统计和准确的计算，为相关动态性分析工作的开展提供准确的依据。

参考文献：

[1]刘青强，刘子文. 大型船用齿轮箱系统动态性能分析方法探讨[J]. 设备管理与维修，2018，，01（12）：120-123.

[2]赵辉，王红霞. 船用齿轮箱系统动态性能与其分析方法研究[J]. 舰船科学技术，2018，38（06）：158-160.

[3]朱才朝，陆波，徐向阳，王海霞. 大功率船用齿轮箱传动系统和结构系统耦合特性分析[J]. 船舶力学，2018，15（11）：1315-1321.

[4]陆波，朱才朝，宋朝省，王海霞. 大功率船用齿轮箱耦合非线性动态特性分析及噪声预估[J]. 振动与冲击，2019，28（04）：76-80+204.