随着科学技术的迅速发展，大型船舶设计已经进入一个崭新的时代。齿轮系统作为船舶上的重要设备，其设计的成败直接关係到轮机系统的整体性能。目前，我国船用齿轮传动装置主要依赖进口，国内齿轮装置的设计和生产还无法满足大型船舶及军用舰船的使用要求。为了儘早实现船用齿轮传动装置的国产化，国内正专门组织力量对大型船用减速器的设计、製造等各个环节进行攻关研究。动态特性分析是船用齿轮系统研究的重要内容，齿轮系统动力学方面的研究成果，对提高齿轮传动装置的承载能力、减小系统的振动和噪声等方面具有重要影响。因此，对多级齿轮系统的动态分析理论及方法进行深入研究，探索大型船用齿轮系统的动态最佳化设计方法，将有利于提高我国大型船用齿轮传动装置的整体性能，缩短与已开发国家先进水平的差距。
基本介绍
- 中文名：大型船用齿轮传动系统动力学研究
- 外文名： Dynamics research on large-scale marine gear system
- 毕业院校：哈尔滨工业大学
- 导师：李瑰贤教授指导
- 论文作者：马亮着
基本信息
副题名
外文题名 Dynamics research on large-scale marine gear system
论文作者 马亮着
导师 李瑰贤教授指导
学科专业 机械设计与理论
学位级别 d 2001n
学位授予单位 哈尔滨工业大学
学位授予时间 2001
关键字 船舶传动系统 齿轮传动 齿轮系统
内容简介
提高齿轮系统的动态特性是进行船用齿轮系统研究的一项主要任务。而确定系统动态激励因素，是进行齿轮系统动态特性分析的前提，为此，本文首先分析了齿轮副内部激励的主要组成因素及动态激振力计算方法。目前，齿轮系统动态特性研究主要关注由于齿轮副时变啮合刚度产生的刚度激励，相对而言，误差激励对系统动态特性影响的研究却相对较少。本文从齿轮副製造误差、安装误差及修形三个方面，分析了影响齿轮副综合误差的各项因素；考虑到齿轮副综合误差组成因素的多样性及综合作用的随机性，提出在进行齿轮系统动力学分析中应该考虑齿轮副误差组成因素的边界模糊性，并给出了对应于不同隶属度水平的齿轮副模糊综合误差计算方法。
单自由度齿轮系统扭转动力学分析，对于在设计阶段预测齿轮副动态特性具有重要的指导意义，是进行多级齿轮系统动态特性分析的基础。本文对船用宽斜齿轮副单自由度扭转振动特性进行了深入研究。为了提高计算效率，用接触线长度的变化规律来代替齿轮副啮合刚度的变化，求解了单齿时变啮合刚度及齿轮副啮合刚度。同时，把齿轮副模糊综合误差引入到振动微分方程中，建立了齿轮副单自由度模糊微分方程，并求解系统的模糊动态回响。
实际的齿轮传动系统是一个複杂的动态系统，系统动力学模型的建立应该既能够保证真实全面地反映系统的动力学特徵，又要有适当的简化，以减少动力学方程求解过程的複杂性。本文根据某大型船用齿轮减速器的结构，採用集中参数法，考虑输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用，建立了功率分支二级齿轮传动系统的横—扭耦合动力学模型，并採用基于能量方法的Lagrance方程建立了该系统的动力学方程。由于受到啮合刚度激励及误差激振力的作用，使得多级齿轮系统各级齿轮副之间的动态特性差别很大，当系统横—扭两个方向的振动出现耦合时，动态回响的求解过程十分複杂。经过分析，本文採用Hilber逐步积分法，求解该多自由度非线性振动系统的动态回响。结合船用齿轮系统的各项参数，编制了多自由度非线性系统动态回响的求解程式，并对横—扭耦合的多自由度振动系统的动态回响特性进行了分析。
本文在已经建立了大型船用多级齿轮系统动力学模型、确定了系统动态回响的求解方法的基础上，对齿轮系统的动态最佳化设计进行了研究。由于固有频率对设计参数的灵敏度信息是修改系统固有频率、进行系统动态设计的重要依据，本文利用导数法计算出了系统固有频率的设计灵敏度。同时，为了全面反映齿轮设计中齿轮副许用弯曲强度、许用接触强度、载荷係数、齿形係数及齿轮副综合误差等参数的模糊性，对在模糊环境下进行多级齿轮系统动态最佳化设计进行了深入的研究。通过在动态最佳化设计的约束条件中引入齿轮副模糊综合误差、系统固有频率及齿轮副动载係数等模糊约束条件，建立了齿轮系统的非对称型模糊动态最佳化设计数学模型，从而实现了真正意义上的大型船用多级齿轮系统模糊动态最佳化设计。
单自由度齿轮系统扭转动力学分析，对于在设计阶段预测齿轮副动态特性具有重要的指导意义，是进行多级齿轮系统动态特性分析的基础。本文对船用宽斜齿轮副单自由度扭转振动特性进行了深入研究。为了提高计算效率，用接触线长度的变化规律来代替齿轮副啮合刚度的变化，求解了单齿时变啮合刚度及齿轮副啮合刚度。同时，把齿轮副模糊综合误差引入到振动微分方程中，建立了齿轮副单自由度模糊微分方程，并求解系统的模糊动态回响。
实际的齿轮传动系统是一个複杂的动态系统，系统动力学模型的建立应该既能够保证真实全面地反映系统的动力学特徵，又要有适当的简化，以减少动力学方程求解过程的複杂性。本文根据某大型船用齿轮减速器的结构，採用集中参数法，考虑输出端横向振动与系统扭转振动的耦合作用，建立了功率分支二级齿轮传动系统的横—扭耦合动力学模型，并採用基于能量方法的Lagrance方程建立了该系统的动力学方程。由于受到啮合刚度激励及误差激振力的作用，使得多级齿轮系统各级齿轮副之间的动态特性差别很大，当系统横—扭两个方向的振动出现耦合时，动态回响的求解过程十分複杂。经过分析，本文採用Hilber逐步积分法，求解该多自由度非线性振动系统的动态回响。结合船用齿轮系统的各项参数，编制了多自由度非线性系统动态回响的求解程式，并对横—扭耦合的多自由度振动系统的动态回响特性进行了分析。
本文在已经建立了大型船用多级齿轮系统动力学模型、确定了系统动态回响的求解方法的基础上，对齿轮系统的动态最佳化设计进行了研究。由于固有频率对设计参数的灵敏度信息是修改系统固有频率、进行系统动态设计的重要依据，本文利用导数法计算出了系统固有频率的设计灵敏度。同时，为了全面反映齿轮设计中齿轮副许用弯曲强度、许用接触强度、载荷係数、齿形係数及齿轮副综合误差等参数的模糊性，对在模糊环境下进行多级齿轮系统动态最佳化设计进行了深入的研究。通过在动态最佳化设计的约束条件中引入齿轮副模糊综合误差、系统固有频率及齿轮副动载係数等模糊约束条件，建立了齿轮系统的非对称型模糊动态最佳化设计数学模型，从而实现了真正意义上的大型船用多级齿轮系统模糊动态最佳化设计。