船用传动齿轮箱振动试验与分析.docx

摘要：某多输入双级传动齿轮箱是舰船振动与噪声的主要根源之一文中在建立齿轮箱的试 验模型后,采用固定锤击点改变测量点法采集各点的冲击数据和响应数据,在对同类型两部 齿轮箱的模态试验的结果分析的基础上,通过对比找到了其中一部齿轮箱振动噪声增大的原 因,经过对该齿轮箱的开箱测检结果表明,其分析结论是正确的对该型舰船齿轮箱的故障诊 断、提高其可靠性和维修性,具有重要的指导意义关键词：齿轮箱; 振动; 噪声; 模态试验舰船齿轮箱不仅要求传递功率大、体积小、重量轻,还要求其振动小、噪声低[1 ] ,齿轮箱能 否正常工作会影响整个系统的工作特性,齿轮箱本身的振动以及由轴系传来的齿轮的振动都 是产生舰船辐射噪声的主要根源,继而直接影响舰船的战斗力某型舰船的多输入双级传动 齿轮箱存在着较大的振动和噪声,表现为振动量级超大和有啸叫声,这一现象在其它同型齿 轮箱中少见,通过对该型舰船齿轮箱箱体的模态对比测试,测试结果发现了某型舰船齿轮箱 产生噪声振动的故障原因,并采取了相应的措施,排除了故障1 齿轮箱的振动信号分析从故障齿轮箱中录取信号,经数字信号分析,从中提取故障信息,是机器设备状态监测和故障 诊断的有效方法[2 ,3 ] 。

振动信号的结构成分反映齿轮箱的振动特征及故障性质为此,通 过对同型的两座齿轮箱的振动信号的拾取及分析对比,查找齿轮箱的主要故障源及其传递途 径在齿轮箱上共布置了六个测点,测点布置在齿轮箱体罩壳轴承测温计的凸台上,测点如图1 所示图 1 齿轮箱测点布置T3EZ70 105 150 190转速丘-min-1同时，还用声级计测试空气噪声，并分析其频谱,比较其与箱体振动的相关性主要测试仪器有: Kistler 8702250加速度传感器、Kistler 5124A放大器、TEAC TD2135 T数据记录仪、 HP25670动态信号分析仪和QUEST MODEL 1800声级计从齿轮箱的振动频谱图分析, 其振动频谱的主频率为二级齿轮副的啮合频率及其倍频而空气噪声频谱的主频率与振动频 谱的主频率一致,也是二级齿轮副的啮合频率由此可以断定齿轮箱的异常齿轮箱的异常噪 声来源于齿轮机组的异常振动从故障齿轮箱的加速度振动幅值（见图2） 和正常齿轮箱的加 速度振动幅值（见图3） 比较来看,故障齿轮箱上的23 # 轴承处振动强烈和噪声较大,该轴承 为齿轮箱的主监控测点齿轮箱振动的原因可能是在齿轮啮合传动中,当齿轮、轴承存在集 中缺陷、分布缺陷或齿轮所在轴弯曲时,将产生转频调制啮合频率的现象。

如果轴严重弯曲 或者齿轮或轴承严重故障而导致振动能量异常大时,齿轮啮合传动中的异常振动会激励起传 动箱体的固有频率另外,齿轮箱体本身的振动以及由轴系传来的齿轮的振动都是产生辐射 噪声的主要根源,有必要对齿轮箱进行模态试验与分析一*— 2铀轴摩—■— 24#轴承2品轴质■—X—■翎轴承2祎轴承一•一 2肿轴承图 2 故障齿轮箱振动加速度W705070 105 150 190转速丘* rain-1—*- 2肺轴承 ―■——2曲轴承 —*— 2朋轴承 -—K— 鋪轴承 …俅…-2加轴承 一•一 2聊轴承图 3 正常齿轮箱振动加速度2 模态试验的理论模型 由于振动监测分析法具有诊断速度快、准确率高和能够实现诊断等特点,所以它是对齿 轮箱进行故障诊断最有效、最常用的方法之一其中应用模态试验分析方法是进行故障诊断 和状态监测的一种重要途径通常当结构发生故障时, 如出现裂纹、松动、零部件损坏等情 况, 结构物理参数将发生变化,其特征参数(固有频率、模态阻尼、振型、频响函数等) 随之 发生改变根据这些参数的变化情况,可以判断出故障的类型,有时还可以判断出故障的位 置齿轮箱零件失效的统计表明,齿轮和轴承失效的比重最大,分别为60 %和19 %[4 ] 。

对 齿轮箱进行模态分析并利用模态参数等结果进行故障判别,已日益成为一种有效的故障诊断 和安全检测方法齿轮箱体的振动可假设为一个具有 n 个自由度的线性时不变系统运动,其振动微分方程为 [5 ] :式中:M, C, K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵;X, F分别为系统各点的位移响应向量及 激振力向量对式(1) 两边进行拉氏变换,对线性时不变系统,其极点在复平面左半平面,上述过程将完全 是傅氏变换过程,得到的传递函数为频响函数,即X (e) = H(e) F(e)⑵对于单输入,当在 p 点激振, l 点测量响应,位移频响函数为:弘g = V 出 从理论上讲,频响函数矩阵的任一行或任一列都包含了系统模态参数的全部信息,所差的只 是一个常数因子因此,为了识别模态,只要测量频响函数矩阵的一行或一列即可实际测试 中,由功率谱密度来求系统的频率响应函数具有更普遍的实用意义,表达式为:H（3）= Gf x（3）/ Gf f（3）（4）式中：Gf x（3）为输入输出互功率谱密度;Gf f（3）为输入输出自功率谱密度上式采用了互谱分析技术,当多次平均后,可极大地减小噪声由于估计频响函数时用的是最小二乘近似法,因而可以定义相应的相干函数,它是最小二乘误差的量度,其定义为:式中: Gxx 为响应的自谱。

相干函数Y2表示频域中响应与力之间线性相关的程度（或相关系数），它在0〜1之间变化， 相干函数越接近于1 ,表明两个相比较信号（例如输入与输出） 之间经全部平均后存在着良好 的线性关系求出系统的单位脉冲响应函数后采用单模态拟合法，即对应于单输入多输出（SIMO）的最小二乘复指数法（L SCE）估算模态参数它的基本思路是:先构造一个多项式, 导出该系统的自回归（AR）模型,在求解出自回归系数以后,逐步识别系统的模态参数3 齿轮箱体模态测试3. 1 测试仪器和分析设备冲击力锤选用Kistler 9724A5000 ,配重250 g ,尼龙锤头,B &K8200型压电式力传感器及B &K2635型电荷放大器;响应测试:选用三轴向B &K4321加速度传感器,B &K2635型电 荷放大器;记录、分析仪:比利时PIMEN TO8通道动态信号采集及分析系统或美国DP104 动态信号采集及分析系统和比利时LMS公司CADA2X结构模态测试分析软件3. 2 测点布置及测试方案为了对齿轮箱的模态进行测试,首先对齿轮箱进行结构分析和几何尺寸测绘,并对其进行初 步有限元计算和固有频率分布范围估计预估结果表明,由上下两箱体组成的齿轮箱的上箱 体各阶模态较为密集,所以在上箱体布置了216 个响应测点,下箱体上布置了 48 个响应测 点,共计 264 个响应测点。

布点原则是保证可以激发出齿轮箱体的各阶模态,对于轴承座等重 要部位以及能够引发噪声比较大的部位采取多布响应测点的原则,在箱体上标出各测点位置, 并逐一对其进行编号根据主传动齿轮箱由上下两箱体组成的特点和实际操作条件,测试采用锤击法,固定敲击点 移动响应点的测试方法试验时,力信号及由加速度传感器获得的响应信号经放大器分别进 入数据采集器或便携机并用分析仪现场监视每次敲击时各测点的频响函数及相干情况要求 力锤敲击时,冲击力的自功率谱在所选频带内应当干净而平坦,没有连击,用力大小均匀且测 试对象响应适中,每点平均锤击次数为八次,信号大小满足信噪比选择敲击点要避开节点、 接近区域几何中心等因素为了避免因响应点选择不当可能造成模态泄漏,响应点应选择在 非对称轴线（或对称平面上） ,并经多次初步反复测试后确定该齿轮箱采用减振橡胶器弹性 隔振方式,测试中采用原装支承方式试验结束后,将记录的信号送给模态分析软件进行模态 分析测试分析系统框图如图 4 所示1-齿轮箱;2-力陆3-力传感聽4-加速度传感翱;4信号啟大器;数据采集和分析系统图 4 模态测试及分析系统3. 3 数据处理 模态分析采用实模态分析法。

根据固有频率的密集程度,选择适当带宽,进行初始估计,然后进 行整体曲线拟合,求出频响函数,并对模态振型进行综合化处理, 剔除局部模态,得出测试箱 体的各阶模态参数由于振型矢量是相对值,要采用不同尺度的振型矢量归一化,并且得到不 同的广义模态参数本试验按模态质量为1 归一化处理,获得了如表1 中前 15 阶模态的模 态参数表1正常和故障齿轮箱模虑參数止常齿轻箱模态匸常齿轮箱故障商轻箱模磁松虽且尼比/ %模态频检虽阻尼⑹%阻尼比/粧模态频趟圧睥尼血%11^1.6755. 379 6124 6795.379 69537. 2222.740 4543. 5422. 935 52171.4^22. 346 9151.1835. 379 610608. 8593.620 4607. 1571.542 53218.3675.379 6199. 9320.941 811675.4353. 090 2650.3671. S60 44240.7652. 938 1237.7364.588 912772. 7062 一 740 4739.2261 420 4290.4775. 379 6245. 5774.755 713S12.9112. 740 4£45. 0891.996 26357.918丄 552 9300 6682.94-3 214889.42S3 620 4899. 0841. 485 7392.7265. 379 &358.7922.883 915S9S 8641 860 4961.7782 153 5470.142丄 500 4458.6112.744) 44 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。