基于GISFD的斜齿轮轴系减振实验研究_朱港.pdf

2023年 第47卷 第5期Journal of Mechanical Transmission基于GISFD的斜齿轮轴系减振实验研究朱 港 何立东 闫 伟 贾兴运（北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心，北京 100029）摘要 齿轮是机械传动装置中的重要元件，但是，齿轮传动产生的振动和噪声会危害到传动设备的正常运行，严重时甚至会造成设备损坏。为了减小和隔离斜齿轮轴系的振动，提出了一种结构新颖的G型整体式挤压油膜阻尼器（G-type Integral Squeeze Film Damper，GISFD），探究了GISFD对斜齿轮的振动特性影响。搭建基于GISFD的一级斜齿轮试验台，开展了GISFD对斜齿轮轴系的减振实验。此外，还进行了GISFD对齿面磨损斜齿轮的振动抑制实验。结果表明，GISFD对不同转速下斜齿轮轴系有较好的减振效果，在1 200 r/min时，GISFD对斜齿轮主从动轴的振动降幅最高可以达到59.61%；同时，GISFD可以抑制斜齿轮啮合频率及其2倍频处的振动，振动降幅最高可以达到85.71%；GISFD对磨损斜齿轮也有较好的振动抑制效果，主动轴水平方向振动降幅在1 200 r/min时可以达到83.99%。关键词 G型整体式挤压油膜阻尼器 斜齿轮轴系 减振Experimental Study on Vibration Reduction of Helical Gears Based on GISFDZhu Gang He Lidong Yan Wei Jia Xingyun（Engineering Research Center of Chemical Safety Ministry of Education,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China）Abstract As an important part of mechanical transmission,gears have become one of the main sources of vibration and noise of mechanical equipment in the application process.In order to reduce and isolate the vibration of the helical gear system,a novel structure of G-type integral squeeze film damper(GISFD)is proposed,and the influence of GISFD on the vibration characteristics of the helical gear is explored.Based on GISFD,an open-type single-stage helical gear test bench is built,and the GISFDs influence experiment on the vibration characteristics of the helical gear system at different speeds is carried out.The experimental results show that GISFD has a good vibration reduction effect on helical gear shafts at different speeds.At 1,200 r/min,the vibration reduction of the main and secondary shaft of helical gear under GISFD can reach up to 59.61%.Meanwhile,GISFD can suppress the vibration of the helical gear meshing frequency and its second frequency,and the vibration reduction can reach up to 85.71%.GISFD also has a good vibration suppression effect on worn helical gears,and the vibration reduction in the horizontal direction of the driving shaft can reach 83.99%at 1 200 r/min.Key words G-type integral squeeze film damper Helical gear Vibration suppression0 引言齿轮传动系统是机械装备中重要的运动和动力传递元件之一，广泛应用于航空航天、船舶等领域1-3。齿轮系统的振动特性一直是国内外学者十分关注的一个领域4。由于工作环境恶劣、润滑不当等因素，齿轮常常会出现齿面磨损的现象，磨损现象会直接影响齿轮的传动精度，造成较大的振动和噪声，过度磨损甚至会造成巨大安全事故5-6。齿轮常用的减振方法可以分为两种：一是通过轮齿修形和提高加工精度等措施实现减振；二是通过耗能元件消耗齿轮传动产生的振动能量来减振降噪7-8。王逸龙等9对带有阻尼环的转子-齿轮传动系统动力学模型进行数值计算，结果表明，该新式阻尼环仅对高频范围内的弯扭耦合振动有较好的减振文章编号：1004-2539（2023）05-0105-08DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.017105第47卷效果，但不能在较宽的频带上减振。韩江桂等10分别建立了内外壁增加阻尼层的齿轮箱体有限元模型，计算后发现，阻尼层对0500 Hz振动有很好的抑制效果，无法实现宽频带减振。挤压油膜阻尼器（Squeeze Film Damper，SFD）因其良好的减振性能而应用于航空发动机中。但是，当SFD出现设计不当、制造误差或者工作在恶劣工况下时，SFD会使转子系统出现锁死、双稳态响应、非协调进动甚至出现混沌运动等非线性振动现象11-13。整 体 式 挤 压 油 膜 阻 尼 器（Integral Squeeze Film Damper，ISFD）是20世纪90年代新出现的一种挤压油膜阻尼器。ISFD将挤压油膜区域设计成分段式的结构，以避免油膜在间隙内的周向流动，解决了SFD高度非线性的问题。因此，ISFD不仅表现出优越的振动控制性能，还能够提高转子稳定性14-16。近年来，国内外已经有学者研究采用SFD对齿轮轴系进行减振。Chen等17-18建立了基于弹性环挤压油膜阻尼器的弧齿锥齿轮传动的动力学模型。邢彬等19将航空发动机中央传动锥齿轮靠近齿轮一段的支承更改为鼠笼式SFD支承。目前，将ISFD应用于齿轮系统进行减振还是一个全新的应用领域。基于ISFD的结构特点和减振机制，本文提出了一种结构新颖的G型整体式挤压油膜阻尼器（G-type Integral Squeeze Film Damper，GISFD），并将其应用于斜齿轮振动控制；搭建基于GISFD的一级斜齿轮试验台，开展了基于GISFD的斜齿轮轴系减振实验研究；同时进行了GISFD对磨损斜齿轮轴系的振动抑制实验。1 G型整体式挤压油膜阻尼器1.1GISFD简介如图1所示，GISFD由外环、挤压油膜区域、G型弹性体和内环组成。GISFD的内环与外环之间通过G型弹性体连接在一起，由于G型弹性体的存在，内环、外环之间的挤压油膜区域被分割成了多个局部腔室。当转子产生振动时，经由轴承传递给GISFD内环，内环做涡动使挤压油膜区域间隙内的流体被挤压而产生黏性阻尼力，将部分转子振动能量耗散，减小转子振动，提高系统的稳定性。与ISFD不同的是，GISFD使用了G型弹性体结构，G型弹性体在周向所占的面积更小，使得GISFD具有更大的挤压油膜区域，可以起到更好的减振效果。G型弹性体结构决定了GISFD刚度的刚度系数，GISFD的变形将主要分布在周向并联的G型弹性体结构上，这大大提高了转子和轴承的疲劳寿命。GISFD的挤压油膜区域采用了分段式设计，能够避免油膜流体周向流动，解决了SFD油膜力的高度非线性问题，这使得GISFD可以提供稳定连续的线性阻尼力。因此，GISFD 既能发挥弹性支承的作用，又能为转子系统提供阻尼。GISFD由电火花切割技术整体加工而成，减少了制造过程中加工误差的影响。同时，G型弹性体结构在设计过程中需要考虑的结构参数少，设计更为简单。GISFD主要结构参数如表1所示。图1GISFD结构示意图Fig.1GISFD structure diagram表1GISFD主要结构参数Tab.1Main structural parameters of GISFD结构参数外环直径油膜区域半径内环直径数值/mm9526.3530结构参数油膜间隙G型弹性体高度轴向长度数值/mm0.210.8102 振动模型及其分析GISFD不仅可以为转子系统提供黏性阻尼力，降低转子系统的振动，还可以作为弹性支承对转子系统的振动进行隔离。为了便于分析，仅考虑齿轮啮合产生的激励。因此，将齿轮视为激励源，产生的激励通过轴承传递到齿轮箱体，齿轮箱体视为被激振的集中质量M，将轴承和GISFD视为一体，简化为一定刚度K的弹簧元件和一定阻尼C的阻尼元件20。图2（a）所示为建立的简化的齿轮系统隔振模型。（a）简化齿轮振动模型 （b）简化齿轮-箱体隔振模型图2简化后的齿轮振动模型和隔振模型Fig.2Simplified gear vibration model and vibration isolation model106第5期朱 港，等：基于GISFD的斜齿轮轴系减振实验研究在实际工程中，齿轮传动系统常常以齿轮箱体处的振动作为考察标准，因此，本文将齿轮箱体与基座之间的弹性连接忽略，将其视为一体，得到如图2（b）所示的单自由度齿轮-箱体隔振系统，从而可以得到系统的运动方程Mx?+Cx?+Kx=F0ejt（1）式中，F0为传递到箱体的激励力幅值大小；为激励力的频率。此时系统的固有频率可以表示为0=K/M，令z=/0表示系统的频率比，可以得到此时系统的振动位移响应x0=|F0K1(1-z2+j2z)|（2）式中，为系统的阻尼比，=C/(2KM)。因此，由系统传递至基座上的作用力P=Cx?+Kx，其幅值可以表示为P0=|jCx0+Kx0|（3）通过上述分析，可以得到齿轮-箱体系统的振动传递系数Tf=|P0F0|=|1KjC+K(1-z2+j2z)|=1+(2z)2(1-z2)2+(2z)2（4）由式（4）可知，当Tf1时，表示传递至基座的作用力小于系统的激振力；而减小刚度系数K和增加阻尼C，可以减小传递系数Tf。由于齿轮传动系统中的振动主要集中在啮合频率和及其倍频处，高频成分极为明显，所以，在齿轮传动系统中使用隔振措施可有效隔离传递到齿轮箱体的振动。由于GISFD本身具有较低的刚度，还可以为齿轮传动系统提供一定的阻尼，增大系统的阻尼系数，所以，GISFD作为隔振元件时可以有效隔离齿轮传递出的振动。但是，对于低频振动，当Tf1时，系统的振动反而可能出现振动增加的情况。3 实验及结果分析为了减小斜齿轮轴系的振动，基于GISFD搭建开式一级斜齿轮传动试验台，开展了GISFD对不同转速下斜齿轮轴系的振动特性影响实验。3.1试验台介绍图3所示为搭建的斜齿轮轴系减振试验台。试验台主要由斜齿轮传动系统和数据采集系统组成。斜齿轮传动系统主要包括电动机、斜齿轮副、支承（GISFD支承和刚性支承）、主从动轴等。主动轴由直流伺服电动机驱动。斜齿轮副主要参数如表 2所示。主动轴与从动轴轴颈均为10 mm，主动轴跨距为320 mm、从动轴跨距为180 mm。为了保证斜齿