隨著科學技術的迅速發展，大型船舶設計已經進入一個嶄新的時代。齒輪系統作為船舶上的重要設備，其設計的成敗直接關係到輪機系統的整體性能。目前，我國船用齒輪傳動裝置主要依賴進口，國內齒輪裝置的設計和生產還無法滿足大型船舶及軍用艦船的使用要求。為了儘早實現船用齒輪傳動裝置的國產化，國內正專門組織力量對大型船用減速器的設計、製造等各個環節進行攻關研究。動態特性分析是船用齒輪系統研究的重要內容，齒輪系統動力學方面的研究成果，對提高齒輪傳動裝置的承載能力、減小系統的振動和噪聲等方面具有重要影響。因此，對多級齒輪系統的動態分析理論及方法進行深入研究，探索大型船用齒輪系統的動態最佳化設計方法，將有利於提高我國大型船用齒輪傳動裝置的整體性能，縮短與已開發國家先進水平的差距。
基本介紹
- 中文名：大型船用齒輪傳動系統動力學研究
- 外文名： Dynamics research on large-scale marine gear system
- 畢業院校：哈爾濱工業大學
- 導師：李瑰賢教授指導
- 論文作者：馬亮著
基本信息,內容簡介,
基本信息
副題名
外文題名 Dynamics research on large-scale marine gear system
論文作者 馬亮著
導師 李瑰賢教授指導
學科專業 機械設計與理論
學位級別 d 2001n
學位授予單位 哈爾濱工業大學
學位授予時間 2001
關鍵字 船舶傳動系統 齒輪傳動 齒輪系統
內容簡介
提高齒輪系統的動態特性是進行船用齒輪系統研究的一項主要任務。而確定系統動態激勵因素，是進行齒輪系統動態特性分析的前提，為此，本文首先分析了齒輪副內部激勵的主要組成因素及動態激振力計算方法。目前，齒輪系統動態特性研究主要關注由於齒輪副時變嚙合剛度產生的剛度激勵，相對而言，誤差激勵對系統動態特性影響的研究卻相對較少。本文從齒輪副製造誤差、安裝誤差及修形三個方面，分析了影響齒輪副綜合誤差的各項因素；考慮到齒輪副綜合誤差組成因素的多樣性及綜合作用的隨機性，提出在進行齒輪系統動力學分析中應該考慮齒輪副誤差組成因素的邊界模糊性，並給出了對應於不同隸屬度水平的齒輪副模糊綜合誤差計算方法。
單自由度齒輪系統扭轉動力學分析，對於在設計階段預測齒輪副動態特性具有重要的指導意義，是進行多級齒輪系統動態特性分析的基礎。本文對船用寬斜齒輪副單自由度扭轉振動特性進行了深入研究。為了提高計算效率，用接觸線長度的變化規律來代替齒輪副嚙合剛度的變化，求解了單齒時變嚙合剛度及齒輪副嚙合剛度。同時，把齒輪副模糊綜合誤差引入到振動微分方程中，建立了齒輪副單自由度模糊微分方程，並求解系統的模糊動態回響。
實際的齒輪傳動系統是一個複雜的動態系統，系統動力學模型的建立應該既能夠保證真實全面地反映系統的動力學特徵，又要有適當的簡化，以減少動力學方程求解過程的複雜性。本文根據某大型船用齒輪減速器的結構，採用集中參數法，考慮輸出端橫向振動與系統扭轉振動的耦合作用，建立了功率分支二級齒輪傳動系統的橫—扭耦合動力學模型，並採用基於能量方法的Lagrance方程建立了該系統的動力學方程。由於受到嚙合剛度激勵及誤差激振力的作用，使得多級齒輪系統各級齒輪副之間的動態特性差別很大，當系統橫—扭兩個方向的振動出現耦合時，動態回響的求解過程十分複雜。經過分析，本文採用Hilber逐步積分法，求解該多自由度非線性振動系統的動態回響。結合船用齒輪系統的各項參數，編制了多自由度非線性系統動態回響的求解程式，並對橫—扭耦合的多自由度振動系統的動態回響特性進行了分析。
本文在已經建立了大型船用多級齒輪系統動力學模型、確定了系統動態回響的求解方法的基礎上，對齒輪系統的動態最佳化設計進行了研究。由於固有頻率對設計參數的靈敏度信息是修改系統固有頻率、進行系統動態設計的重要依據，本文利用導數法計算出了系統固有頻率的設計靈敏度。同時，為了全面反映齒輪設計中齒輪副許用彎曲強度、許用接觸強度、載荷係數、齒形係數及齒輪副綜合誤差等參數的模糊性，對在模糊環境下進行多級齒輪系統動態最佳化設計進行了深入的研究。通過在動態最佳化設計的約束條件中引入齒輪副模糊綜合誤差、系統固有頻率及齒輪副動載係數等模糊約束條件，建立了齒輪系統的非對稱型模糊動態最佳化設計數學模型，從而實現了真正意義上的大型船用多級齒輪系統模糊動態最佳化設計。
單自由度齒輪系統扭轉動力學分析，對於在設計階段預測齒輪副動態特性具有重要的指導意義，是進行多級齒輪系統動態特性分析的基礎。本文對船用寬斜齒輪副單自由度扭轉振動特性進行了深入研究。為了提高計算效率，用接觸線長度的變化規律來代替齒輪副嚙合剛度的變化，求解了單齒時變嚙合剛度及齒輪副嚙合剛度。同時，把齒輪副模糊綜合誤差引入到振動微分方程中，建立了齒輪副單自由度模糊微分方程，並求解系統的模糊動態回響。
實際的齒輪傳動系統是一個複雜的動態系統，系統動力學模型的建立應該既能夠保證真實全面地反映系統的動力學特徵，又要有適當的簡化，以減少動力學方程求解過程的複雜性。本文根據某大型船用齒輪減速器的結構，採用集中參數法，考慮輸出端橫向振動與系統扭轉振動的耦合作用，建立了功率分支二級齒輪傳動系統的橫—扭耦合動力學模型，並採用基於能量方法的Lagrance方程建立了該系統的動力學方程。由於受到嚙合剛度激勵及誤差激振力的作用，使得多級齒輪系統各級齒輪副之間的動態特性差別很大，當系統橫—扭兩個方向的振動出現耦合時，動態回響的求解過程十分複雜。經過分析，本文採用Hilber逐步積分法，求解該多自由度非線性振動系統的動態回響。結合船用齒輪系統的各項參數，編制了多自由度非線性系統動態回響的求解程式，並對橫—扭耦合的多自由度振動系統的動態回響特性進行了分析。
本文在已經建立了大型船用多級齒輪系統動力學模型、確定了系統動態回響的求解方法的基礎上，對齒輪系統的動態最佳化設計進行了研究。由於固有頻率對設計參數的靈敏度信息是修改系統固有頻率、進行系統動態設計的重要依據，本文利用導數法計算出了系統固有頻率的設計靈敏度。同時，為了全面反映齒輪設計中齒輪副許用彎曲強度、許用接觸強度、載荷係數、齒形係數及齒輪副綜合誤差等參數的模糊性，對在模糊環境下進行多級齒輪系統動態最佳化設計進行了深入的研究。通過在動態最佳化設計的約束條件中引入齒輪副模糊綜合誤差、系統固有頻率及齒輪副動載係數等模糊約束條件，建立了齒輪系統的非對稱型模糊動態最佳化設計數學模型，從而實現了真正意義上的大型船用多級齒輪系統模糊動態最佳化設計。
