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1、第25卷第3期热能动力工程Vol.25,No.32010年5月JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERMay,2010文章编号:1001-2060(2010)03-0312-05质量不平衡对齿轮传动系统振动影响的数值分析112张坤,李应生,郑百林(1.中国船舶重工集团公司第七〇三研究所,黑龙江哈尔滨150036;2.同济大学航空航天与力学学院,上海200092)摘要:对于大型高速齿轮转子系统,质量不平衡会产生周轴的振动响应进行了数值仿真。期的离心惯性力,使系统产生振动,影响强度和寿命。基于本研究首先以多柔体动
2、力学为依据,基于AD2MSC.ADAMS建立齿轮系统弯扭耦合振动模型,并考虑了啮AMS软件建立齿轮转子的弯扭耦合振动模型。采合型耦合和转子动力型耦合两种情况,将齿轮做刚性化处理用有限元法和模态叠加法,将齿轮轴作为柔体处理,而轴做柔性化处理。采用多柔体动力学分析方法仿真得出齿轮刚性化,利用接触理论,仿真得到齿轮由于质量齿轮在正常啮合和齿轮质量不平衡引起的转子涡动条件下不平衡引起的转子涡动下的齿轮动态激励力及齿轮的齿轮动态激励力和齿轮中心的涡动轨迹,以此进行分析比中心的涡动轨迹,并与正常啮合下的工况加以分析较,为齿轮箱动力学分析提供依据。在MSC.Patran
3、中建立齿轮箱动力分析有限元模型,利用MSC.Nastran对齿轮箱进比较。建立齿轮箱有限元模型,将上述计算得到的行瞬态动力学分析,得到齿轮正常啮合和质量不平衡引起的两种工况下的激励加载到啮合齿轮上,对齿轮箱系涡动两种工况下箱体的振动特性。统进行瞬态动力学响应分析,为解决质量不平衡的关键词:弯扭耦合振动;齿轮转子系统;涡动;质量不平高速齿轮转子的振动问题提供重要依据。衡;振动.1齿轮传动系统模型中图分类号:TH132.4;TB532文献标识码:A引言1.1存在质量不平衡的齿轮副分析模型[6]若齿轮存在质量不平衡,就需要考虑质量不平齿轮转子系统在工作过程中受自
4、身结构或工作[7]衡引起的离心力和惯性力,建立的考虑离心力和环境的影响,质量不平衡问题日益严重,有时会导致[1]惯性力的齿轮副弯扭耦合振动模型如图1所示。齿轮脱啮,甚至会引发拍振现象的发生。质量不平衡是产生齿轮转子涡动的来源之一,转子涡动对齿面动载荷有较大影响。李明等人从Lagrange方程[2]出发,考虑齿轮啮合和不平衡效应,建立了直齿齿轮啮合转子-轴承系统的弯扭耦合动力学模型,对完整约束下齿轮啮合转子系统的弯扭耦合振动稳态响应进行分析。AnSungLee采用有限元法对航空燃气涡轮机上所用的齿轮耦合的转子轴承系统的[3]质量不平衡响应进行分析。钱恩采用传
5、递矩阵法对齿轮未耦合单轴转子系统及齿轮耦合转子系统[4]稳态不平衡响应进行计算分析,并讨论齿轮耦合对转子系统不平衡响应的影响。船用齿轮箱向着高图1具有质量偏心的齿轮传动系统的力学模型速重载方向发展,进而会产生大的动载荷,引起较大的振动和噪声。林腾蛟等人提出了齿轮刚度激励、广义的位移列阵为{δ}={ypθpygθg},它包含的误差激励和啮合冲击激励等内部动态激励的数值模4个自由度分别为主、被动齿轮沿啮合线方向的平[5]拟方法,并对增速箱的固有频率以及箱体和传动移振动和绕旋转轴线的扭转振动。收稿日期:2009-06-25;修订日期:2010-03-14作者简介
6、:张坤(1985-),女,辽宁营口人,中国船舶重工集团公司第七〇三所硕士研究生.第3期张坤,等:质量不平衡对齿轮传动系统振动影响的数值分析·313·啮合线与主、被动齿轮的切点P和G的y方向较多,在此轴上不平衡质量引起的振动占主导地位,位移y′p和y′g可以表示为:由于主动轮转速较高,所以在主动轮上施加不平衡y′p=yp-epsinθ1-Rpθ1(1)质量。仿真时把质量块与主动轮用固定副连接起y′g=yg-egsinθ2-Rgθ2(2)来,建立的刚柔耦合模型如图2所示。θ1=ωpt-θp(3)θ2=ωgt-θg(4)式中:ep、eg—主动轮和被动轮的偏心量;
7、θ1、θ2—主动轮和被动轮的旋转角度;ωp、ωg—主动轮和被动轮的转动角速度。根据齿轮啮合原理,齿轮的动态啮合力可表示为:F=cm(yÛ′p-yÛ′g)+km(y′p-y′g)(5)式中:km、cm—齿轮副啮合综合刚度和综合阻尼。整理式(1)～式(5)可以得出:··F=cmyÛp-epωp-θpcosθ1-Rp(ωp-θp)-图2质量不平衡齿轮弯扭耦合模型··yÛg-egωg-θgcosθ2-Rg(ωg-θg)+km{[yp-epsinθ1-Rpθ]-[yg-egsinθ2-Rpθ2]}(6)1.2齿轮转子系统模型建立2齿轮转子系统动力学仿真分析所研究的齿
8、轮转子系统是由两根柔性化的齿轮轴和一对互相啮合的刚性直齿圆柱齿轮组
