201012-515船用齿轮箱刚度评价方法研究

船用齿轮箱刚度评价方法研究

船用齿轮箱刚度评价方法研究

刘明勇1，朱才朝1，杜雪松1，刘伟辉2，宁杰2（1. 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；

2. 杭州前进齿轮箱集团有限公司，杭州 311203）

摘要：基于船用齿轮箱使用性能及相关技术条件，在额定负载工况下，综合考虑轴、轴承、齿轮、箱体等主要零部件的变形及其在传动过程中的相互影响，提出一种以输入输出端联轴器跳动值作为船用齿轮箱刚度评价的新方法。建立船用齿轮箱刚度评价模型，推导出刚度评价指标的计算公式。对某船用齿轮箱在顺车和倒车工况下箱体强度和变形进行有限元分析，根据所提出的刚度分析方法，获得输入输出端联轴器跳动值刚度评价指标；在齿轮传动试验台上，对船用齿轮箱进行试验测试，验证刚度评价方法的可靠性。论文所提出的研究方法亦可用于其它齿轮箱的刚度评价。

关键词：船用齿轮箱；刚度分析；有限元法；试验

中图分类号：TH123

Study on Stiffness Analysis Methods of Marine Gearbox

LiuMingyong1, ZhuCaichao1, DuXuesong1, LiuWeihui2, NingJie2

(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044;

2. Hangzhou Advance Gearbox Group Co. Ltd., Hangzhou 311203)

Abstract: Based on the performance and correlate technique condition of marine gearbox, run-out value of input and output couplings is taken as the stiffness evaluation of marine gearbox. This new method is put forth on rated load by considering the deformation interrelationship in transmission of some main parts, such as shaft, bearing, gear and box. Stiffness evaluation model of marine gearbox is constructed and the calculation formulas for evaluation index of stiffness are derived. Finite element analysis of strength and deformation of marine gearbox under forward and backward conditions are conducted, while the stiffness evaluation index, the run-out value of input and output shafts of coupling, is obtained on the ground of stiffness evaluation method. Experiment is carried on at gear drive test bench to verify the reliable of stiffness evaluation method. The research method proposed in this paper can also be used for the stiffness evaluation of other gearboxes.

Key words: Marine gearbox; Stiffness analysis; Finite element method ; Experiment.

0 引言

船用齿轮箱作为船舶轮机系统的重要设备，由于其特殊使用条件，要求具有承载能力强、运行精度高、故障率低等特点。船用齿轮箱使用过程中会产生较大振动和动载荷，如果本身刚度与强度不够，容易导致齿轮箱传动失效。因此开展船用齿轮箱刚度分析具有很强的工程应用价值。

目前工程中齿轮箱主要采用箱体与传动系统分别刚度校核的方法，而非基于整个系统的综合分析与评价。通常齿轮和箱体采用有限元方法校核刚度，而轴与轴承一般采用经典力学公式校核，该方法不能考虑零部件变形耦合作用，箱体刚度评价根据经验进行定性分析，也不能体现整个系统的变形协调关系，导致评价准确性不高[1-7]。

论文在分析现有齿轮箱刚度评价方法基础上，结合船用齿轮箱技术条件，建立一种考虑基金项目：高等学校博士点学科专项科研基金（200806110004）;国家十一五科技支撑计划资助项目（2006BAF01B07-01）;重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJ091414）

作者简介：刘明勇（1985-），男，博士生，主要研究方向：齿轮系统动力学与精密传动. E-mail:

278341025@

船用齿轮箱刚度评价方法研究

轴、轴承、箱体等零部件受载变形的船用齿轮箱刚度评价体系[8-13]。对某船用齿轮箱刚度进行理论分析和试验测试，验证了评价体系的正确性。

1 船用齿轮箱系统刚度评价方法

船用齿轮箱使用过程中，由于载荷的作用，引起轴、轴承、箱体等零部件的变形，导致输入、输出端联轴器偏离理论安装位置，影响整个传动系统的工作性能。船用齿轮箱使用过程中对联轴器跳动值有严格控制，如表1。船用齿轮箱使用过中各种变形最终都反应在输入、输出端联轴器上，可根据联轴器各项跳动值来评价整个系统的刚度，建立综合考虑轴、轴承、箱体等主要零部件的船用齿轮箱刚度评价体系。

表1 船用齿轮箱输入、输出联轴器技术条件

Tab.1 Technical condition of input and output couplings for marine gearbox

弹性联接（mm） 刚性联接（mm）

-1传递能力KW/(r.min) 输入联轴器 输入联轴器 输出联轴器 径输出联轴器 端

径向圆跳动 端面圆跳动 向圆跳动 面圆跳动

0.25 0.15 ≤0.03 0.14/φ100 0.10/φ100

>0.03~0.5 0.20 0.12/φ100 0.12 0.07/φ100

>0.5 0.15 0.10 0.10/φ100 0.05/φ100

齿轮箱系统工作过程中，由于载荷作用导致箱体与传动系统变形，从而影响联轴器的工作稳定性和齿轮箱使用寿命。轴的挠曲变形导致联轴器产生角度偏移，而箱体变形导致联轴器轴向窜动，使得联轴器由位置1到位置2。在齿轮箱系统中，将轴承与轴承座简化为串联弹簧，其中轴承刚度由经验公式求得，轴承座径向与轴向刚度采用有限元方法得到。简化后齿轮箱系统刚度评价模型如图1[14]。

图1 船用齿轮箱系统刚度评价模型

Fig.1 Stiffness evaluation model for the system of marine gearbox

可得联轴器的径向跳动值 r、端面跳动值 a：

r=2δtanθ≤[ r] (1)

a=Dsinθ≤[ a] (2)

式中：

δ--联轴器的轴向位移，由轴承与轴承座轴向刚度求得

θ--联轴器转角

D--联轴器直径，由表1，按D=100mm计算

r、 a许用值跳动值，由表1查取。

由图1知，联轴器转角θ由轴弯曲变形转角θa和支撑变形转角θb两部分组成，θa可由材料力学计算。则

船用齿轮箱刚度评价方法研究

θ=θa±θb (3)

正号表示两者叠加关系，负号表示两者补偿关系。实际应用中根据计算结果判断符号。 支撑变形转角θb：

θb=arctan b1 b2 (4) L

式中 b1， b2分别为轴两端支承的弹性变形。

b=λb+λB （5）

式中λb为轴承的径向弹性变形，λB为轴承支座的径向弹性变形。

由于箱体的形状较为复杂，因此（5）式中的λB一般应通过有限元分析得到。

通过以上公式，可求得齿轮箱在受载工况下，齿轮轴联轴器的端面与径向跳动值，与表1中许用值进行对比，从而综合评价整个系统的刚度。

2 某船用齿轮箱有限元计算

某船用齿轮箱采用圆柱斜齿轮三轴五齿轮传动形式，具有顺、倒车两种工况，其传动原理如图2。轴I为输入轴，轴Ⅱ为传动轴，轴III为输出轴。顺车工况时，原动机动力轴 输入，离合器a与齿轮轴z3啮合，主动齿轮z3与齿轮z4啮合输出。倒车工况时，原动机动力经轴

'Ⅰ输入带动传动齿轮z1，z1与传动齿轮z2啮合，动力传递到轴Ⅱ；离合器b与齿轮轴Z3啮

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