博士学位论文答辩公告--机电学院袁冰

2019年05月16日 09:50  

学科专业:机械设计及理论
论文题目:船舶高速重载齿轮啮合及系统动态特性研究
答辩人:袁冰
指导老师:常山
时  间:2019-05-23  10:30
地  点:B412
一、学位论文简介
“经略海洋”是我国为推动海洋强国建设确立的重大战略思想。作为支撑我国海洋战略的核心装备之一,船舶航行时传动装置的轴系振动和结构噪声对船舱舒适性、海洋环境以及自身的声隐身性能有严重影响。随着对船舶系统性能要求的提高,船舶齿轮传动装置更朝着超大功率、高速度、大尺寸方向发展,必须对其自身的振动噪声进行严格的控制。面向船舶齿轮传动系统的结构特征和工况特点,开展齿轮啮合特性及动态特性的影响规律研究,对准确预测及降低船舶齿轮系统振动噪声具有重要的理论指导意义和工程实用价值。 本文从准确预测及降低船舶齿轮系统振动噪声出发,开展了考虑齿面复杂分布式误差的啮合刚度和静态传递误差计算方法研究;深入探究了齿面瞬态接触特征与系统振动的形性耦合作用机制;面向齿宽较大的船舶齿轮,研究了轴系变形与齿面啮合特性的耦合关联规律;考虑到船舶齿轮负载工况多变以及齿面接触状况对制造/装配误差较敏感,开展了齿面修形稳健设计方法研究;针对船舶齿轮重合度高、多对齿同时啮合的特征,深入分析了长/短周期激励耦合作用下系统的准静态和动态特性。本文的主要内容和成果有: 1、基于齿面承载接触分析方法,分别采用有限元子结构法和能量法建立了两种考虑齿面复杂分布式误差的齿轮副啮合刚度和静态传递误差计算方法。其中,基于能量法和切片法的齿面承载接触分析方法具有极高的求解效率,且保证了一定的计算精度。研究了重合度对齿轮副静态传递误差波动量的影响,发现静态传递误差波动量随轴向重合度的增加呈“波浪式”变化,当轴向重合度为整数时,静态传递误差波动量取得极小值。通过搭建功率开式静态传递误差测试试验台开展相关试验研究,验证了模型的有效性以及所得规律的正确性。基于广义有限元法和集中质量法建立了齿轮-轴-轴承系统动力学模型,并对比了两种模型的计算结果,发现对于船舶齿轮系统,两种模型的计算结果非常接近。给出了求解效率极高的Fourier级数近似求解法,通过与数值积分法对比,发现对于重合度较高的船舶齿轮系统,该求解方法保证了足够的计算精度。 2、将齿面承载接触分析模型与系统动力学模型相耦合,建立了齿面瞬态接触与系统振动形性耦合动力学模型。通过与已有试验数据对比,验证了模型的有效性。深入考察了齿轮基本参数、啮合阻尼、精度等级和负载扭矩对系统振动的影响。结果发现:对于重合度较低的齿轮系统,系统极易在共振转速及谐波共振转速附近发生由轮齿脱啮引起的强非线性动力学行为,精度等级的降低将会使系统非线性强度增强。而对于重合度较高的重载船舶齿轮系统,系统一般不发生轮齿完全脱啮现象,准静态激励动力学模型和形性耦合动力学模型的计算结果非常接近。 3、将基于Timoshenko梁理论的轴系变形计算方法和齿面承载接触分析方法相耦合,构建了考虑轴系变形的齿轮系统多点啮合准静态接触模型。首次提出了齿轮副广义传递误差的概念,给出了轴系变形影响下齿轮副啮合错位量的计算方法。通过与三维接触有限元法对比,验证了模型的有效性。该方法可适用于各种复杂构型的船舶齿轮传动系统。通过考察支承布局形式、功率传递路径、负载扭矩以及轴系结构参数对齿轮系统的影响,发现不同支承布局形式下齿面接触状况差异较大,轴系弯扭耦合变形会使齿面载荷分布出现偏载甚至部分脱啮现象,啮合错位的出现会使系统振动增强。对于人字齿轮系统,轴系变形会使人字齿轮副左右齿面的实际接触状态存在明显差异。功率传递路径对齿轮系统的影响很小。不同负载扭矩下齿面接触印痕非常接近,然而,随着负载扭矩的增加,啮合错位量逐渐增大,系统振动逐渐增强。增加主动轮所在轴的直径或退刀槽直径可显著减小啮合错位量,而从动轮所在轴的直径或退刀槽直径对啮合错位量影响较小。 4、研究了不同修形方式对负载扭矩和啮合错位的敏感性,提出了考虑负载扭矩区间和啮合错位容差的齿面修形稳健设计方法以及考虑轴系变形的齿面补偿修形设计方法。研究发现:当负载扭矩大于设计扭矩时,不同修形方式依旧有较好减振效果;当负载扭矩过小时,修形齿轮系统的振动将大于未修形齿轮系统。修形参数稳健解对负载扭矩和啮合错位具有较强的鲁棒性。 5、研究了齿距累积偏差对齿轮系统准静态及动态特性的影响。结果发现:对于重合度较低的齿轮系统,动态响应频谱中啮合频率及其倍频成分占主导地位。对于重合度较高的齿轮系统,边频带响应与啮合频率及其倍频响应具有同等的重要性。增加负载扭矩或提高齿轮精度等级均可以使啮合频率成分增强,边频带成分减弱。对于重合度较高的船舶齿轮传动系统,当齿面误差较大且负载扭矩较小时,边频带幅值可能大于啮合频率幅值。人字齿轮副左右齿面齿距累积偏差的相位差对系统振动影响较大。当相位差为0°时,系统振动最大,而当相位差为180°时,系统振动最小。修形可以显著降低系统动态响应中的啮合频率及其倍频成分,但对边频带成分影响较小。 最后,对本文的主要工作及结论进行了归纳和总结,指出了本文研究的不足,并对后续研究工作进行了展望。  
二、攻读博士学位期间以第一作者发表与学位论文相关的学术论文:
[1]  袁冰,常山,刘岚,常乐浩,刘更。斜齿轮修形对负载扭矩和啮合错位的敏感性。西北工业大学学报,2018/06。           ,  
[2]  Yuan, Bing,Chang, Shan,Liu, Geng,Liu, Lan,Chang, Lehao。Optimization of bias modification and dynamic behavior analysis of   helical gear system。ADVANCES IN MECHANICAL ENGINEERING,2017/9/11。JCR分区;SCI(E);中科院分区;WOS:000414896600001  
[3]  Yuan, Bing,Chang, Shan,Liu, Geng,Wu, Li-Yan。Quasi-Static and Dynamic Behaviors of Helical Gear System with   Manufacturing Errors。CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2018/31/1。SCI(E);中科院分区,;WOS:000435636900018  
[4]  Yuan, Bing,Chang, Shan,Wu, Liyan,Chen, Ce,Liu, Geng。对角修形对斜齿轮系统准静态及动态特性的影响研究。西北工业大学学报,2017/35/2。EI,20172203715319  
[5]  Yuan Bing,Chang Shan,Liu Lan,Chang Lehao,Liu Geng。Quasi-static analysis based on generalized loaded static transmission error and dynamic investigation of wide-faced cylindrical geared rotor systems。Mechanism and Machine Theory,2019/134/,EI;JCR分区;中科院分区,20185206304656;;


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