传动齿轮箱体的振动模态分析
相干函数铲表示频域中响应与力之间线性相关的程度,其值在。一1之间,其大小表示数据质量的好坏,当720.95时可认为是满意的。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(S删O)的最小二乘复指数法估算模态参数。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。
当有限元网格划分完成后。还必须对整个网格模型进行全方位检查,来保证计算结果的真实性。首先检查自由单元边。当单元的某一边不在其它单元之内时,称为自由单元边。在复杂模型的建立过程中。通过拉伸旋转等操作产生的各个部件,有时会没有连接在一起,这将导致有限元模型开裂,影响计算结果,严重时将使计算失败。
试验采用移动锤击法,即逐点敲击,一点拾振,以测出频晌函数矩阵的一行,根据互易原理,可得到整个频响函数矩阵。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磁带机,并用唧5670A动态信号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。试验结束后,将磁带机记录的信号经m)3565S高速数据采集系统送给U俗amA—X模态分析软件进行模态分析。测试分析系统框图见图5。
随着科学技术的加快速度进行发展,对传动齿轮箱提出了慢慢的升高的要求。尤其是舰船用齿轮箱,既要传递功率大、体积小、重量轻,又要满足振动小、噪声低的苛刻要求。齿轮箱的工作是不是正常,将直接影响到舰艇的整体作战能力。据所查的文献资料看,过去人们比较重视齿轮、轴承等部件的工作情况,在齿轮、轴承等的动静应力分析、疲劳分析、模态分析以及故障诊断等方面作了大量的工作。这是由工程的真实的情况决定的,因为对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%。但不能因此而忽视对齿轮箱动态特性的研究。目前,研究齿轮箱体振动模态的资料比较少见。齿轮啮合传动中,当齿轮存在集中缺陷、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。因此,准确识别齿轮箱体的振动模态及其特点具备极其重大的现实意义。
上述分析表明:潜载导弹水下垂直发射时的“水锤”压力问题是值得研究的一个重要问题。
1郭荣良、郭清南、祝世兴.《流体力学及应用》.北京:机械工业出版社,1996.
作者简介:倪火才,研究员,男,1940年生,清华大学工程力学数学系固体力学专业1967年研究生毕业。一直从事潜载导弹水下发射技术探讨研究工作,曾获国家级科学技术进步特等奖一项,船舶总公司科学技术进步二、三等奖共七项,出版专著一部,发表论文三十余篇。1992年起享受政府特殊津贴。
试验齿轮箱体由上、下两半箱体组成。有限元分析根据结果得出齿轮箱的各阶模态振型以上箱体为主。因此上箱体布置了较为密集的测点,共124个,下箱体测点较少,共46个,只以能较准确地反应它的各阶模态振型为原则。在试验箱体上标出测点位置,并且编号。当拾振传感器布置在某一阶频率的节线上时,该频率在模态分析时将被遗漏。为防止这样的一种情况发生,布置了三个拾振点。拾振点l在箱体顶部的28点,拾振点2在箱体轴向的97点,拾振点3在箱体横向的117点。箱体共有170个测点,某些处于边角位置的点需要在两个或三个方向上分别敲击。因此,在垂向(z轴方向)共有81个激振点,轴向(Y轴方向)共有97个激振点,横向(x轴方向)共有58个激振点。整个箱体为236个激振点,每点敲击20次。
元,用软件n圮S11功能中的№与M印相结合的方法将其划分为209r7个四节点的四边形单元;将上
下箱体问的螺栓连接简化为梁连接,共有6个梁单元,整个有限元模型共有2687个节点,3627个单元。根据齿轮箱体的实际在做的工作情况,将其底板的安装固定部位处节点的六个自由度全部约束,作为整个模型的边界条件。有限元模型如图1所示。
(1)对比有限元的模态计算结果和试验模态分析数据,证明本文所采用的研究齿轮传动箱振动模态的方法是行之有效的。
(2)从模态试验分析的结果看,齿轮箱的频率比较密集,这是与其复杂的结构相对应的。这些固有频率均未处于传动系统的共振区,说明该齿轮箱设计较为合理。
(3)在进行齿轮箱设计时,采用有限元法计算箱体的振型和频率有利于发现振动问题,并及时修改设计。(下转第49页)《:舰船科学技术20∞.5—45~万方数据
1周传荣、赵谆生.《机械振动参数识别及其应用》.科学出版社。1989. 2马大猷.“噪声控制四十年”.《噪声与控制》.199l:5—7.
3[日]大九保信行.《机械模态分析.尹传家译.上海交大.1985.
冲击力锤为瑞士Kisder公司的9r724A5000,配重重量1259,尼龙锤头。测量响应的传感器为美国PCB公司的ICP353817。放大器为瑞士Kistler公司的5124A。记录设备为日本’rEAC RD一135T 记录仪。本试验用HP35670A动态信号分析仪作为敲击试验时的监视和初步分析设备。采集和分析系统是m)3565S高速数据采集系统和比利时U厦s公司㈣一X结构模态测试分析软件。
在计算前,必须设定求解集。首先选取边界条件设置,特征值和特征向量的迭代方法选取子空间迭代法(删Mode咖amics—SⅥ),求解的频率数设为20阶,并且存储及打印模态频率和模态振型。本文共计算了20阶固有频率,剔除局部模态,共得到lO阶箱体的固有频率和振型,频率结表l齿轮箱体的计算模态频率单位:H z果见表l。图2至图4是其中的几阶典
摘要:齿轮传动装置是舰船的主要振动和噪声源之一,本文在建立传动齿轮箱体模态试验的理论模型和试验模型后。采用移动锤击法采集各点的冲击数据和响应数据。用最小二乘复指数法识别出箱体的模态参数,并与有限元计算结果进行了对比分析,证明本文所采用的研究齿轮传动箱振动模态的方法是行之有效的。
式中:【M】、【C】、【K】分别为n×n阶质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵,{x(t))、{“t))分别为n×1阶位移响应和激振力列阵。
作为计算对象的齿轮箱体由上、下两半箱体组成,上箱体尺寸为683×280×185r砌,下箱体尺寸为683×280×420mm,主体部分为铸件,另外焊接了一些筋板等以提高强度,材料采取使用耽1—46,箱体总重167.2kg。上下箱体在中法兰面上用螺栓把紧。该箱体共有三对轴承座,根据设计,选不一样的传动齿轮可以输出几种速比。上箱体主要由lO,砌厚的钢板组成,只有观察孔、轴承润滑油入口的边缘及吊钩位置等处较厚;下箱体除轴承座外主要由10一15-锄厚的钢板组成,另外也有一些较厚的局部位置。采用美国的三维Qm软件SDRC/I—DEAS进行齿轮箱的实体建模和有限元分析计算。针对以上这一些状况,在箱体的有限元建模中作了一些合理的简化,主要有:忽略各处过渡圆角;忽略箱体上所有的螺栓孔;将那些较厚的局部视为与周围结构同厚。这些假设都不会对齿轮箱体的重量及剐度产生大的影响,完全足够保证计算精度。齿轮箱体的轴承座采用三维实体单元,用软件脚sll功能中的Free方法将其划分为1524个四面体单元;上下箱体的板结构采用板单
时的“水锤”压力对发射筒及潜艇安全性的影响,首要的措施就是降低“水锤”压力第一峰值的大小。正如上述分析所示:对于同一个发射筒来说,“水锤”压力第一峰值的大小与导弹出筒速度v0、导弹出筒时的筒内压力Po以及导弹出筒时燃气发生器工作是否已结束等因素相关。因此,在导弹出筒速度v0一般不变的情况下,降低导弹出筒时的筒内压力Po值无疑会降低“水锤”压力第一峰值的大小。要降低导弹出筒时的筒内压力P0值,最主要的措施是:在导弹出筒前,燃气发生器工作就已结束,使发射筒内的工质气体有一个绝热膨胀过程,这样就可降低导弹出筒时的筒内压力Po值。当然,这必须要经过有丰富经验的科技工作人员的精心设计才能达到。
其次检查重复单元,重复节点。分网时由于模型或操作不准确,可能会在同一个位置出现重复的节点单元,查出这些节点单元,依据情况决定是不是将它们合并在一起。合并重复节点也是缝合模型不同组件的一种有效手段。
最后检查单元的形状参数,过度扭曲的单元将影响计算,一定要进行检查,并将其修改为可以接
齿轮箱体的振动可假设为一种具有n个自由度的线弹性物理系统运动,其振动微分方程为:
对三个拾振点所测的响应信号分别作模态分析,将三次分析的结果综合比较,剔除局部模态,
最后得出试验箱体的各阶模态参数。由于振型矢量是相对值,我们可按需要采用不一样尺度的振型
矢量归一化,并且得到不同的广义模态参数。最常用的方法是按模态质量为l归一化。因为,当nlqi(mi)=l时,固有频率遥=ki,广义阻尼比虽=ci/2属=ci/2∞l或c卜2∞￡虽,表2是各阶模态参数。图6—8是前三阶振型图。其中,1阶频率151.1Hz,大体沿轴向摆动,2阶频率230.8Hz,大体沿横向摆动,3阶频率294.8Hz,大体绕垂向扭转。通过对比有限元的计算结果可知,理论分析结果与模态试验结果基本一致,证明了本文研究齿轮箱体振动模态方法的有效性。
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。实测中,一般可通过功率谱密度来求系统的频率响应函数如下式:
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。为了判断要多少次平均,我们引入相干函数的概念,其定义为: