某型船用傳動齒輪箱振動模態(tài)的試驗(yàn)與分析

4 齒輪箱模態(tài)分析與結(jié)論

分析各階振型,齒輪箱上箱體的振動遠(yuǎn)比下箱體的振動大,這與有限元計(jì)算的結(jié)果是一致的。軸承座位于上箱體,所以上箱體的大幅度振動使得軸承座的振動也比較大,這就使得齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的對中受到影響,進(jìn)而產(chǎn)生齒面的敲擊帶來振動與噪聲,這是齒輪箱產(chǎn)生振動與噪聲的一個重要根源。

結(jié)合齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際情況,可以得到齒輪箱在若干工況下齒輪箱中高壓端和低壓端齒輪嚙合的頻率。由表1 知故障齒輪箱9 階模態(tài)頻率為543. 5 Hz ,正常齒輪箱9 階模態(tài)頻率為537. 2 Hz ,而其高壓端二級齒輪嚙合工作頻率在主軸轉(zhuǎn)速為105 r/ min 時約為561 Hz ,雖然工作頻率561 Hz 沒有落在這兩個模態(tài)頻率上,但對一般的工程結(jié)構(gòu),要求各階模態(tài)頻率遠(yuǎn)離工作頻率,或工作頻率不落在某階模態(tài)的半功率帶寬內(nèi)(計(jì)算表明,故障齒輪箱和正常齒輪箱的半功率帶寬為527. 59～559. 49 Hz 和522. 5～551. 9 Hz) ,比較起來,故障齒輪箱的9 階模態(tài)頻率比正常齒輪箱的模態(tài)頻率更接近于工作頻率。另外從故障箱和正常箱的9 階模態(tài)頻率相鄰的兩個模態(tài)頻率8 階(分別對應(yīng)為458. 6 Hz、470. 1 Hz) 和10階(分別對應(yīng)為607. 2 、608. 9 Hz) 的來分析,這兩階(8 、10) 的模態(tài)頻率,故障箱的更接近于工作激勵頻率,這是造成故障箱在主軸轉(zhuǎn)速為105 r/ min 時,振動和噪聲大的原因之一。由圖2 知,故障齒輪箱的振動和噪聲最大處在齒輪箱高壓端二級減速齒輪23 # 軸承支承處,符合模態(tài)測試結(jié)果。

當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速為150 r/ min 時,其高壓端二級齒輪嚙合頻率為810～840 Hz 之間,隨輸入轉(zhuǎn)速波動而變化。而此時,故障和正常齒輪箱13 階模態(tài)頻率分別為845. 1 Hz 和812. 9 Hz ,進(jìn)一步計(jì)算故障和正常齒輪箱13 階模態(tài)頻率的半功率帶寬分別為:828. 2～861. 9 Hz 和790. 6～835. 2 Hz ,都處于工作頻率的附近,必然使得這里的振動加速度幅值較大。由圖2 知故障齒輪箱其23 # 軸承的振動加速度幅值(RMS) 在輸出轉(zhuǎn)速150 r/ min 時,為39. 1 m/ s2 ,是同一工況正常齒輪箱(支承高壓端二級齒輪的23 #軸承的加速度幅值15. 1 m/ s2 (RMS) 的2. 6 倍。而此時,正常齒輪箱除了23 # 軸承(在轉(zhuǎn)速上升時,該處振動最大值處,其余都比較小) 、24 # 軸承的振動比較大以外(分別為15. 1 m/ s2 和13. 6 m/ s2 ) ,其余的振動加速度幅值比較小。

從上面的討論中可以發(fā)現(xiàn),故障齒輪箱振動和噪聲比同一工況下正常齒輪箱偏大,對比表1 故障齒輪箱和正常齒輪箱的模態(tài)頻率及阻尼比,可以有以下分析結(jié)論:

(1) 二級齒輪嚙合頻率與齒輪箱9 階和13 階模態(tài)頻率重合而引起的共振造成齒輪箱振動和噪聲大。同時,發(fā)現(xiàn)故障齒輪箱振動和噪聲遠(yuǎn)比正常齒輪箱的大,是由故障齒輪箱二級齒輪激振力的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常齒輪箱的激振力產(chǎn)生的。其可能的成因:故障箱基座下沉量比正常箱的大(后經(jīng)檢測事實(shí)如此) ;

鉚焊結(jié)構(gòu)的齒輪箱隨時間發(fā)生變形,造成轉(zhuǎn)子的不平衡、安裝不對中、軸的平行度超差,軸承損壞、齒輪表面損壞等因素;

(2) 兩個齒輪箱模態(tài)阻尼比的大小有較大的變化。系統(tǒng)阻尼越大,對振動的衰減也就越大。故障箱阻尼比最大值為5. 38 % ,最小值為0. 94 % ,而正常箱的阻尼比值的范圍為5. 38 %～1. 86 %。在同一階數(shù)下,正常箱的模態(tài)阻尼比至少比故障箱的模態(tài)阻尼比大或相當(dāng),這也是正常箱的振動和噪聲比故障箱小的原因之一。造成阻尼比變化的原因眾多,比如滑動軸承的間隙、滑油粘度、安裝螺栓的擰緊力矩的變化等。

5 結(jié)束語

根據(jù)分析結(jié)論,經(jīng)拆檢,發(fā)現(xiàn)輸入端與齒輪箱的對中、齒輪箱與聯(lián)軸器的對中等以及基座下沉量在允許的范圍內(nèi),但發(fā)現(xiàn)23 # 滑動軸承的軸瓦有磨損現(xiàn)象并且在二級小齒輪表面有損傷現(xiàn)象,通過對二級傳動齒輪進(jìn)行修復(fù)和動平衡,并更換磨損的軸瓦,故障齒輪箱的振動和噪聲大幅減小。以上結(jié)果表明,模態(tài)分析方法是一種對齒輪箱的性能評估、故障診斷、保養(yǎng)和維修十分有用的工具[6 ] 。

參考文獻(xiàn):
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