201012-515船用齿轮箱刚度评价方法研究(2)

测试值MPa 4.80 4.74 1.18 3.02 2.27 7.48 5.62 6.45

误差% 5.51 3.49 8.26 1.95 3.65 0.81 11.51 2.54

顺 车 倒 车

船用齿轮箱刚度评价方法研究

在齿轮传动试验台上，采用应变测试方法对该船用齿轮箱在额定工况下的动强度进行试验测试。实验结果与分析计算结果误差均在12%以内，验证了理论分析模型的正确性，如表3所示。根据有限元分析结果，可得出输入、输出端轴承座刚度值，如表4所示。

表4 各工况轴承座变形及刚度值

Tab.4 deformation of bearing block and stiffness value under different working conditions

输入端轴承座 工况 X向（mm）Y向（mm） Z向(mm) 径向刚度（KN/mm）轴向刚度（KN/mm）

顺车 0.00338 0.00475 0.04562 1822 118 倒车 0.00248 0.00475 -0.03005 1917 77

输出端轴承座 工况 X向（mm）Y向（mm） Z向(mm) 径向刚度（KN/mm）轴向刚度（KN/mm）

顺车 -0.01376 -0.00512 -0.07171 2612 145 倒车 0.02180 -0.00647 0.04251 2505 158

由表4知，齿轮箱轴承座刚度值在顺、倒车工况下存在差异。主要是由于箱体结构不对称，各工况下轴承座受力不同，导致箱体轴承座刚度的各向异性。根据轴承座刚度、轴承刚度与轴挠度计算，可得顺、倒车工况下输入、输出端联轴器的端面与径向跳动值，如表5所示。从表5中可以看出，该船用齿轮箱在顺、倒车两种工况下，输入、输出端联轴器均满足刚度要求。

表5 各工况联轴器跳动值 单位：mm

Tab.5 Run-out value of coupling in all working conditions unit：mm

工况 端面跳动值 许用值 径向跳动值 许用值

顺车 0.05183 0.12 5.092e-5 0.2 输入轴 倒车 0.01730 0.12 9.480e-6 0.2

顺车 0.04358 0.07 4.818e-5 0.12 输出轴 倒车 0.04373 0.07 3.719e-5 0.12

3 船用齿轮箱刚度评价实验研究

根据理论分析结果，对该船用齿轮箱进行实验研究，验证提出刚度评价体系的正确性。考虑齿轮轴属于高速旋转，故采用非接触测试旋转轴跳动的方法，测试原理如图7所示。

1.内测点；7.计算器

图7 旋转轴跳动测试原理图

Fig.7 Measuring principle of rotational axial run-out

齿轮轴外延端内外测点需分别测试x、y两个方向的径向跳动值，传感器与旋转轴被测点的距离按照线性中点位置安装。测点布置与现场测试如图8、9所示。

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（a）输入轴测点布置 （b）输出轴测点布置

图8测点布置

Fig.8 Layout of test points

图9 齿轮测试现场

Fig.9 Test site

选择内外测点轴向距离为20mm，在额定工况下进行测试。图10为顺车、倒车工况输出轴跳动时域曲线与轴心轨迹。

（a）顺车工况 （b）倒车工况

图10额定工况输出轴跳动时域曲线与轴心轨迹

Fig.10 time domain curve and track of axial center of axial run-out for output in rated working conditions

根据各工况测试结果，可得顺、倒车工况各联轴器跳动值，如表6所示。

表6 额定工况联轴器跳动值 单位：mm

输入轴 倒车 0.01920 0.01730 10.998.639e-6 9.480e-6 8.87

顺车 0.04813 0.04358 10.444.759e-5 4.818e-5 1.21 输出轴 倒车 0.04406 0.04373 7.16 3.956e-5 3.719e-5 6.38

船用齿轮箱刚度评价方法研究

中国科技论文在线 由表6知，测试结果与理论分析计算结果基本一致，误差均在11%以内，表明该评价方法对船用齿轮箱进行刚度评价是有效的。

4 结论

① 结合船用齿轮箱使用技术标准，考虑轴、轴承、箱体等主要零部件的变形及相互关系的基础上，提出了船用齿轮箱刚度评价方法。对该方法进行理论推导，给出定量计算公式，为齿轮箱刚度评价提供了理论依据。

② 对某船用齿轮箱在顺、倒车工况下箱体进行有限元分析，得出了齿轮箱的动强度和变形。在齿轮传动试验台上，采用应变测试方法对该船用齿轮箱在额定工况下的动强度进行试验测试，实验结果与分析计算结果误差均在12%以内，验证了有限元分析模型的正确性。 ③根据某船用齿轮箱箱体有限分析结果，计算出轴承座刚度、轴承刚度与轴挠度，按照所提出的刚度评价体系，得到该船用齿轮箱在顺、倒车工况下输入、输出端联轴器的端面与径向跳动值。

④采用非接触式测量方法，在齿轮传动试验台上对该船用齿轮箱进行实验研究，得出输入轴、输出轴联轴器端面跳动值和径向跳动值。对比测试结果与理论分析，其误差在11%以内，说明该评价方法是有效的。

⑤本文的研究思路和方法亦可应用到其它类型齿轮箱中。

[参考文献] (References)

[1] W.Bartelmus. Mathematical modeling and computer simulations as an aid to gearbox diagnostics[J]. Mechanical Systems and Signal Processing.2001（5）:855-871.

[2] W.Bartelmus, R.Zimroz. Gearbox systems dynamic modeling for diagnostic fault detection[J]. Proceedings of the ASME Design Technical Conference.2003（9）：625-633.

[3] V. Ramamurti，P. Gautam，A. Kothari. Computer-aided design of a two-stage gearbox[J]. Advances in Engineering Software 1997（28）：73-82.

[4] Randall.R.B. Detection and diagnosis of incipient bearing failure in helicopter[J]. Engineering Failure Analysis.2004（2）:177-190.

[5] Bourdon.A, Bordegaray.C. Comparative studies of several models of rolling bearing stiffness on the dynamic behaviour of an automotive gearbox[J]. Mecanique & Industries.2007（1）:35-49.

[6] Sargeant. M.A, Drew.S.J, Stone.B.J. Coupled torsional and transverse vibration of a back-to-back gearbox rig [J]. Journal of Multi-body Dynamics.2005（3）：259-273.

[7] Komori.M, Kubo.A. Total optimum design method of involute helical gears and its support stiffness[J]. Nippon Kikai Gakkai Ronbunshun C.2003（9）：2489-2496.

[8] M.Tadeusz, N.Stanislaw. Numerical model of aviation gearbox test rig in a closed loop configuration[J]. Aviation.2010（3）:3-11.

[9] I. Katsumi,Y.Masashi,K.Masahiko. Optimum Stiffener Layout for the Reduction of Vibration and Noise of Gearbox Housing[J]. Journal of Mechanical Design.2002（3）：518-523.

[10] N.Takayuki. Vibration analysis of helical gear system including a gearbox[J]. Nippon Kikai Gakkai Ronbunshun C.2003（3）：752-759.

[11] Zhu Caichao,LU Bo,Song Chaosheng,Qin Datong. Dynamic analysis of heavy duty marine gearbox with gear mesh couping. Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers,Part C,Journal of Mechanical Engineering Science,2009（6）:2531-2547.

[12] 李杰，王乐勤. 1.5MW风电发电齿轮箱箱体的有限元分析[J]. 太阳能学报，2008（11）：1438-1443.

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